Modélisation prédictive des performances de centrales PV bifaciales et diagnostic

par Francisco Araya Rojas

Projet de thèse en Genie electrique

Sous la direction de Tuan Tran-Quoc.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec CEA/LITEN (laboratoire) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    La recherche continue de productions photovoltaïques optimales a mené à l'éclosion récente de modules bifaciaux, dont la mise en œuvre s'avère plus complexe que celle des modules monofaciaux traditionnels, et a mis en évidence l'absence actuelle de moyens d'étude de cette technologie et outils numériques, ce qui peut être un frein à son développement. Pour y remédier, les travaux de la thèse ont pour but l'étude des performances de centrales photovoltaïques équipées de modules bifaciaux en apportant des réponses aux interrogations scientifiques portant sur la modélisation et la simulation dans des conditions de fonctionnement et avec des niveaux de performances variables: albédo variable, vieillissement des modules (vieillissement différent face avant et face arrière ?), impact des salissures, des défauts et des ombrages, le tout dans le but de fournir un service de prévision de production et de diagnostic de défauts. La modélisation devra surmonter une des difficultés majeures, qui est le calcul du rayonnement réfléchi ; celui-ci est en effet nettement plus complexe que dans le cas des centrales monofaciales (et sa part sur le bilan énergétique plus importante). La nouveauté dans la démarche tient dans l'introduction de méthodes de calcul optique (maillage des surfaces, formule de view factors en 3D …) qui permettront de déterminer, de façon précise, les rayonnements reçus sur les faces arrière, tout en préservant la convivialité de mise en œuvre d'une simulation et une vitesse de calcul certaine. Des modèles électriques, énergétiques et thermiques originaux, propres au bifacial, viendront en synergie avec le modèle optique pour couvrir tous les aspects du fonctionnement du système. Ils permettront alors de modéliser un système à l'échelle d'une centrale complète, pouvant adopter différentes configurations en termes d'architecture électrique et de dispositions géométriques, d'identifier les secteurs de pertes énergétiques, d'optimiser le choix des facteurs impactant la production (inclinaison, orientation, albédo, hauteur, espacement entre rangées de modules et entre modules eux-mêmes, irradiation …) et de caractériser l'éclairement réfléchi en face arrière de module. Une validation des modèles sera faite à partir de données mesurées sur des installations opérationnelles. Des simulations comparées seront conduites sur des centrales types afin d'estimer leur production électrique et niveaux de pertes en fonction de leurs caractéristiques propres. A plus long terme, les modèles développés auront aussi l'objectif d'assurer une fonction de détection/diagnostic de défaut en analysant des mesures réelles de centrales au regard des simulations qui seront menées. Ils pourront ainsi être valorisés en étant intégrés à des outils d'aide au suivi des centrales PV.

  • Titre traduit

    Predictive modelling of bifacial PV plants performance and diagnostic


  • Résumé

    The continuous search for optimal photovoltaic productions has led to the recent emergence of bifacial modules, whose operation proves to be more complex than for traditional monofacial modules, and has highlighted the present lack of tools to study this technology, which may hinder its development. As a solution, the objective of the works undertaken in the thesis is the study of the performances of bifacial PV plants by addressing scientific issues about modeling and simulation in miscellaneous operation conditions and performance levels: various albedo, PV module ageing (different ageing on front and back side?), impact of soiling, faults and shadings, with intent to offer services of production prediction and fault diagnosis. The modeling will have to overcome a major difficulty, the calculation of the reflected irradiance; it is indeed much more complex than in the case of monofacial plants (and its share in the energy balance is much higher). The innovative aspect in the process comes from the introduction of optical calculation methods (mesh of surfaces, 3D view factor formulae …), which enable to accurately determine the back side irradiance, while maintaining the friendliness to run a simulation and a short computation time. New electrical, energy and thermal models, specific to bifacial photovoltaics, shall be in synergy with the previous optical model so as to cover all the fields of a system operation. They will thus enable to model PV systems at the plant scale, with the ability to cover different configurations in terms of electrical architecture and geometric layout, identify the areas of energy losses, optimize the choice of parameters having an impact on production (inclination, azimuth, albedo, height, space between rows of modules and even between modules themselves, irradiation …) and characterize the reflected irradiance on the back side of modules. A validation of the models will be done with measurements of plants in operation. Simulations of typical plants will be conducted in order to estimate the electrical production and losses according to their characteristics. In the long term, an objective of the developed models will also be to ensure a function of fault detection/diagnosis through the analysis of real measurements from plants compared to the simulations run. They may thus be valued through an integration in PV plant monitoring tools.