Relevé de la courbe I-V photovoltaïque : essais de performance des chaînes solaires

De quoi il s’agit

Le relevé de la courbe I-V est un essai de performance d’une chaîne photovoltaïque, d’un circuit source ou d’un module individuel. Un traceur se raccorde aux conducteurs, fait varier la charge qu’il présente au générateur du circuit ouvert au court-circuit et enregistre le courant en fonction de la tension tout au long du balayage. Le résultat est une courbe de forme caractéristique qui porte à une extrémité la tension en circuit ouvert, à l’autre le courant de court-circuit et, entre les deux, un coude où le générateur fournit sa puissance maximale. En plus de la trace électrique, un capteur d’éclairement et un capteur de température de module consignent les conditions du moment, car la courbe se déplace avec le rayonnement solaire et la température. L’essai s’applique aux systèmes photovoltaïques solaires à la réception, lorsqu’on cherche à savoir si le champ installé livre ce que promettent la conception et les données du module, puis plus tard comme outil de diagnostic quand la production baisse ou qu’une chaîne paraît douteuse. Il complète les simples vérifications de tension en circuit ouvert et de courant de court-circuit de la chaîne en montrant tout le comportement et non seulement deux points.

Pourquoi on le fait

Un champ photovoltaïque peut sembler sain au voltmètre et pourtant sous-performer. L’ombrage partiel, l’encrassement, une diode de dérivation défaillante, une cellule fissurée, des modules mal appariés dans une même chaîne, un connecteur déficient ou un conducteur sous-dimensionné retranchent de l’énergie sans produire de défaut évident. Chacun laisse sa propre signature sur la courbe : un palier ou une encoche indique qu’une partie de la chaîne est shuntée ou ombragée, un tronçon incliné près de l’extrémité de court-circuit, où la courbe devrait être presque plate, révèle des fuites en dérivation ou des cellules endommagées, et un coude arrondi ou une pente plus raide près de l’extrémité de circuit ouvert évoque une résistance série dans le câblage ou les connexions. Les repérer à la mise en service permet à l’installateur de les corriger avant la réception du champ et avant le début des garanties de production, et les repérer plus tard situe le problème à une chaîne et souvent à une cause. Comme les petites pertes se répètent pendant toute la vie de la centrale et sur chaque chaîne, les déceler tôt a un effet direct sur la production et sur la rentabilité du système.

Le principe

Une cellule photovoltaïque se comporte à peu près comme une source de courant en parallèle avec une diode, avec un peu de résistance en série et un peu de fuite en parallèle. En court-circuit, elle fournit son courant le plus élevé et aucune tension; en circuit ouvert, elle fournit sa tension la plus élevée et aucun courant; entre les deux, elle suit une courbe dont le coude est le point de puissance maximale. Les cellules en série additionnent leurs tensions et les branchements en parallèle additionnent leurs courants, de sorte que la courbe d’une chaîne combine celles de ses modules. Quand un module est ombragé ou endommagé, il limite le courant de toute la chaîne et la diode de dérivation prend le relais, ce qui crée les paliers visibles. L’éclairement met surtout le courant à l’échelle et la température déplace surtout la tension; une trace prise dans des conditions changeantes ne peut donc être comparée équitablement qu’après avoir été ramenée aux conditions de référence des données du module. La valeur diagnostique réside dans la comparaison de la courbe mesurée avec la courbe attendue : les différences de forme désignent le type de défaut et les écarts aux points clés en indiquent l’ampleur.

Comment on le réalise

On isole d’abord le champ et on le met en état sécuritaire, selon les procédures du propriétaire pour le travail sur des circuits photovoltaïques, en gardant à l’esprit que les chaînes restent sous tension tant que les modules sont éclairés et qu’ouvrir en charge un circuit à courant continu produit des arcs dangereux. Le traceur est raccordé à la chaîne par des connecteurs ou une boîte de jonction, le capteur d’éclairement est monté dans le plan du champ et le capteur de température est fixé au dos d’un module représentatif. On relève une trace lorsque le rayonnement solaire est stable et suffisamment fort pour l’instrument et pour la spécification du champ, car les nuages épars, la brume ou un soleil bas rendent les lectures difficiles à interpréter. On prend généralement plusieurs traces par chaîne pour confirmer la répétabilité, et les chaînes de même conception sont mesurées dans les mêmes conditions afin de pouvoir être comparées entre elles. Si les conditions changent durant le balayage, la trace est écartée et reprise. Le traceur est un instrument étalonné, et le capteur d’éclairement doit convenir à la technologie des modules et avoir été vérifié récemment. Après les mesures, les chaînes sont remises dans leur configuration d’origine et le champ est remis en service, l’état initial étant consigné.

Ce qui est consigné

Le dossier conserve la courbe mesurée et les grandeurs qui en sont tirées, avec les conditions qui l’ont produite : éclairement, température du module, date et heure, identification de la chaîne ou du circuit, type de module et nombre de modules en série. Il note aussi le traceur et les capteurs utilisés avec leur état d’étalonnage, l’état du champ tel qu’il a été trouvé, par exemple un encrassement, un ombrage ou des dommages visibles, et si les lectures ont été ramenées aux conditions de référence. Ce contexte permet de comparer équitablement une trace ultérieure de la même chaîne et de juger si les écarts entre chaînes sont réels ou simplement dus à un ensoleillement différent au moment de la mesure.

Comment les résultats sont jugés

On juge une courbe par comparaison et par sa forme, jamais par un seul chiffre. La courbe mesurée est comparée à la courbe attendue pour le type de module et la configuration de la chaîne, après avoir été ramenée aux conditions de référence des données du module, et les points clés, la tension en circuit ouvert, le courant de court-circuit et le point de puissance maximale, sont vérifiés par rapport aux données du fabricant en tenant compte de l’exactitude de mesure et de l’incertitude sur l’éclairement. Les chaînes de même conception mesurées dans les mêmes conditions sont comparées entre elles, et une valeur atypique signale un problème. Les paliers, les encoches ou les tronçons anormalement inclinés de la trace sont lus comme des indices de modules shuntés ou ombragés, de fuites ou de résistance série. Les résultats sont aussi comparés à la référence de mise en service pour dégager les tendances dans le temps. L’essai de performance est prévu dans ANSI/NETA ATS-2025 pour les systèmes photovoltaïques solaires à la réception. Pour les critères et les tolérances, reportez-vous à votre propre exemplaire sous licence de cette norme, avec les données du fabricant des modules et des onduleurs.

Variantes

À la réception, le relevé sert à confirmer que le champ livré respecte la conception et à établir une référence; il est souvent effectué sur chaque chaîne ou sur un échantillon défini. À l’entretien, il devient un outil de diagnostic, appliqué aux chaînes dont la production a fléchi ou dont les données de surveillance semblent étranges, et il est répété pour établir une tendance. Les modules réagissent différemment : les technologies cristallines et en couches minces ont des courbes de forme différente et une sensibilité différente à la température et à l’éclairement, les modules bifaciaux exigent de tenir compte de la lumière arrière, et certaines technologies montrent un comportement métastable qui dépend de l’exposition récente. L’électronique de puissance au niveau du module et les optimiseurs de chaîne changent ce que voit le traceur, et les chaînes qui en dépendent peuvent exiger une autre façon de mesurer. Relever toute une entrée d’onduleur ou un circuit de boîte de jonction est plus rapide, mais moins révélateur que de relever les chaînes une à une.