Modules et systèmes PV
Contacts
Anne Migan-Dubois, GeePs, Gif-sur-Yvette, GeePs, jean-francois.guillemoles@cnrs.fr
Mohamed Amara, Lyon, mohamed.amara@insa-lyon.fr
Introduction et contexte
La France a pour objectif d’installer 100 GW de capacité photovoltaïque à l’horizon 2050. Ce qui va obligatoirement modifier le paysage et multiplier les usages partagés.
Les nouveaux modules produits devront alors être éco-conçus, reconfigurables et adaptés à leur application partagée, le cas échéant. Les systèmes devront être de plus en plus efficaces et fiables.
La position de FedPV :
Les laboratoires de FedPV ont choisi de s’intéresser au développement de nouveaux modules innovants ainsi qu’aux systèmes plus efficaces et mieux adaptés aux usages.
Les modules photovoltaïques :
L’utilisation des modules PV est en extérieur, dans un environnement parfois très difficile. La principale conséquence est que le rendement énergétique annuel total des modules photovoltaïques est nettement inférieur aux prévisions. Il est donc important de pouvoir les caractériser en conditions réelles, soit contrôlées ou en extérieur. Ceci permet notamment d’estimer leurs performances en fonctionnement et de développer des modèles plus réalistes.
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Figure 1: (à gauche) Plateforme de caractérisation de modules PV au SIRTA. (à droite) Plateforme expérimentale de caractérisation de modules PV au GeePs. Crédit A. Migan Dubois, GeePs.
Les modèles que nous développons sont multiphysiques et capables de simuler la production journalière ou annuelle d’une centrale PV. La présente le diagramme d’outils de simulation. Il intègre un modèle d’éclairement issu de bases de données telle que PVGIS et complété par des calculs de la position du soleil, de son spectre d’énergie, tandis que la vitesse du vent est corrigée en fonction de la hauteur du module PV par rapport au niveau du sol. Le cœur du logiciel est le modèle opto-thermo-électrique basé sur la résolution des équations de diodes couplées à l’équation de la chaleur. Ainsi, on peut prédire heure par heure, la température des cellules et leurs productions électriques.
Nous travaillons également sur l’impact environnemental dès la conception de ces modules en optimisant l’encapsulant, par exemple. Il s’agit, par exemple, du développement et de l’intégration d'un encapsulant à base de vitrimère, ou d’encapsulation ultramince basée sur le dépôt de couches atomiques.
Les modules classiques vont peu à peu se transformer en smart modules : reconfigurables pour s’adapter à des situations d’éclairement non uniforme ou de cellules défectueuses ; avec des diodes de bypass directement associées à chaque cellule, voire des MPPT individuels…
L’amélioration du rendement des modules passe par une meilleure compréhension de leur comportement thermique. Ce qui permettra également de faire des études de co-génération (PV-T, PV-thermoélectricité, par exemple) et voir l’impact du PV sur la thermique du bâtiment. De plus, une réduction de la température de la cellule de 5 à 10°C, en plus d’améliorer le rendement, augmente la durée de vie des modules de 10 à 20 %.
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Figure 2: Organigramme général du modèle multi-physique.
Les systèmes photovoltaïques :
On peut imaginer des systèmes innovants, un suivi de l’état de leur santé ainsi que des systèmes adaptés pour plusieurs usages afin d’améliorer les performances globales.
Dans les laboratoires de FedPV, nous avons développé un modèle, puis un prototype et maintenant 2 démonstrateurs de systèmes photovoltaïques à faible concentration dont l’efficacité n’est plus à démontrer.
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Figure 3: Prototype (gauche) et démonstrateurs (milieu et droite) de systèmes photovoltaïques sous faible concentration. Crédit A. Migan Dubois, GeePs.
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Le paysage français va changer dans les années à venir. Les systèmes PV vont être installés en grande quantité. Il y aura cohabitation de grandes centrales, de petites installations urbaines, des usages partagés tels que l’agrivoltaïsme, le PV flottant. Chacune de ces applications nécessite des développements et des optimisations spécifiques. L’amélioration de la performance des systèmes doit aussi être garantie dans la durée. Les méthodes de diagnostic et de suivi de l’état de santé des installations PV vont se généraliser. Les objectifs sont de détecter des défauts naissants pour éviter qu’ils ne dégradent irrémédiablement l’installation, de les identifier, de les localiser et de faire une projection sur leur évolution (pronostic). La durée de vie d’un système pourra ainsi être « quasi-infinie ». |
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Enfin, l’insertion de l’électricité d’origine photovoltaïque doit se faire sans impact sur le réseau électrique et de manière optimisée en fonction des besoins et des prévisions. Ce sont les smart-grids. |
Figure 4: Smart-grid au SIRTA |
Publications communes depuis 2020
- Anne Migan Dubois, Jordi Badosa, Vincent Bourdin, Moira I. Torres Aguilar, Yvan Bonnassieux, “Estimation of the uncertainty due to each step of simulating the photovoltaic conversion under real operating conditions”, International Journal of Photoenergy, 2021, https://doi.org/10.1155/2021/4228658
- Anne Migan Dubois, Jordi Badosa, Vincent Bourdin, Moira I. Torres Aguilar, Yvan Bonnassieux, “Simulation de l’effet photoélectrique : où se situent les incertitudes ? Retour sur 5 ans de mesures”, 7èmes JNES, 2021.
- Karim Medjoubi, Anne Migan Dubois, Thomas Guillemot, Jorge Posada, Philip Schulz, Johan Parra, Jordi Badosa, Jean Rousset, Etienne Drahi, “Large Area 4-Terminal Tandem PK/Si Outdoor Testing”, JNPV, 2021.
- Karim Medjoubi, Anne Migan Dubois, Thomas Guillemot, Johan Parra, Jean Rousset, Camille Bainier, Dounya Barrit, Jordi Badosa, Jorge Posada, “ Outdoor Performances of Opaque and Semi-Transparent Perovskite Solar Modules ”, WCPEC-8, 2022.
- P. Lopez-Varo et al., “Dynamic temperature effects in perovskite solar cells and energy yield,” Sustain. Energy Fuels, vol. 5, no. 21, pp. 5523–5534, Oct. 2021.
- J. Dumoulin, E. Drouard, and M. Amara, “Radiative sky cooling of solar cells: fundamental modelling and cooling potential of single-junction devices,” Sustain. Energy Fuels, p. 2021.