Cibler la sécurité dans l'installation et la maintenance d'un système photovoltaïque

06-27-2013 | Sécurité

Par Jack Smith

Tard un dimanche après-midi, les pompiers de Kern County ont répondu à un appel d'un magasin de Rosedale Highway à Bakersfield, en Californie. Les équipes ont découvert qu'une rangée de panneaux solaires avait pris feu sur le toit. Certains des panneaux étaient toujours sous tension lorsque l'équipe est arrivée, l'équipe de pompier a donc dû prendre des précautions supplémentaires jusqu'à ce que l'alimentation ait pu être coupée.

De manière très simple, une installation à l'énergie solaire commence par la collecte de la lumière du soleil par des panneaux photovoltaïques. Les générateurs photovoltaïques fournissent une tension DC à un inverseur, qui convertit la tension DC en AC. Certaines installations ont des batteries, des unités de commutation à transfert automatique, des équipements de surveillance et de mesure, et des appareils qui permettent de renvoyer l'électricité vers le réseau électrique.

Heureusement, les équipes ont rapidement éteint l'incendie, qui n'a pas pénétré l'armature métallique du toit. Les officiers ont dégagé le magasin, qui a réouvert environ quatre heures après l'appel. La leçon à tirer de cet exemple n'est pas que l'énergie solaire est dangereuse ou peu sûre, mais qu'il faut sensibiliser à la sécurité lorsqu'on travaille avec des générateurs et systèmes photovoltaïques (PV). Alors que les pompiers et les premiers secours doivent savoir comment couper l'électricité pour assurer la sécurité du personnel d'intervention et permettre l'évacuation, les techniciens de maintenance de l'installation doivent savoir comment continuer à faire circuler l'électricité de manière sûre et fiable.

Configurations types de systèmes photovoltaïques

Une cellule photovoltaïque typique de commerce avec une surface de 160 cm² produit environ 2 watts d'électricité dans des conditions de pic de lumière solaire. Si l'intensité de la lumière du soleil est à 40 % du pic, la cellule produit environ 0,8 watt. Pour être utile en tant que source d'énergie électrique, les cellules PV doivent être connectées dans des configurations de circuit en série et parallèle pour produire des tensions et un courant plus élevés. Câbler des modules en série pour produire des « chaînes » augmente la tension. Câbler les chaînes ensemble en parallèle augmente le courant. Un générateur à 30 modules peut produire 4 kilowatts.

Les fabricants combinent des circuits de cellules PV dans des laminés étanches et respectueux de l'environnement pour constituer des modules PV, les blocs de construction fondamentaux des systèmes de génération PV. Les panneaux PV incluent plusieurs modules PV assemblés et pré-câblés pour pouvoir être installés sur le terrain. Un générateur PV est une unité de génération d'électricité complète, qui peut inclure n'importe quel nombre de modules et de panneaux PV.

Les systèmes photovoltaïques peuvent fournir une alimentation supplémentaire aux logements, aux entreprises, aux municipalités, aux installations militaires ou quiconque souhaitant s'engager et investir. Le photovoltaïque peut être la source d'alimentation principale pour des systèmes distants, par exemple, dans des industries de traitement de type pipeline, ainsi que dans des situations de travail de terrain temporaire. Alors que la plupart des informations de cet article s'appliquent aux installations PV commerciales et résidentielles, il se concentre sur les applications commerciales. Habituellement, les systèmes résidentiels ne diffèrent que par leur taille. Leurs principes de fonctionnement et leurs configurations sont très similaires. Les systèmes commerciaux ont tendance à être plus complexes, mais ce n'est pas toujours le cas.

Les générateurs PV peuvent être placés sur le toit d'une installation (comme dans le magasin de Bakersfield) ou sur un terrain adjacent à l'installation. Habituellement, les générateurs solaires nécessitent environ 1,5 à 2,5 hectares par mégawatt. Les générateurs montés sur un toit ou un bâtiment maximisent la surface de collecte de lumière solaire totale pour un site. Cependant, le potentiel de pénétration dans le toit et de charge du toit ainsi que leurs conséquences doivent être pris en considération.

La base de conception de presque toutes les installations à énergie solaire utiles commence par des panneaux PV collectant la lumière du soleil. Les générateurs photovoltaïques fournissent une tension DC à un inverseur, qui convertit la tension DC en 60 Hz AC. La tension AC de l'inverseur fournit de l'énergie à l'installation ou à la maison.

Évidemment, il y a des éléments importants qui manquent pour rendre cet exemple de système utile et sûr. Selon les besoins de l'installation, un système peut également inclure plusieurs dispositifs de commutation DC et de protection, comme des boîtiers de connexion DC, des disjoncteurs, des sectionneurs et des contacteurs. Les inverseurs sont disponibles dans de nombreuses configurations et gammes de puissance. (Un boîtier de connexion est une boîte de raccordement utilisée comme point de connexion parallèle pour deux circuits ou plus.) Quelques grandes installations utilisent plusieurs inverseurs. Un système du « monde réel » inclut également des dispositifs de commutation AC et de protection comme des tableaux de contrôle et tableaux électriques, des sectionneurs, des disjoncteurs, des tableaux électriques basse et moyenne tension et des transformateurs basse et moyenne tension. Certaines installations ont également des batteries, des unités de commutation à transfert automatique, des équipements de surveillance et de mesure, et des appareils qui permettent de renvoyer l'électricité vers le réseau électrique. Les exigences fonctionnelles et opérationnelles, les configurations des composants et la méthode de raccordement des équipements aux autres sources d'alimentation électriques et charges électriques déterminent les classifications des systèmes d'alimentation PV. Les deux principales classifications sont les systèmes raccordés au réseau électrique (ou interactifs) et les systèmes autonomes.

Les systèmes raccordés au réseau fonctionnent lorsqu'ils sont interconnectés avec le réseau électrique. Outre le générateur PV lui-même, le principal composant d'un système raccordé au réseau est l'inverseur. Le système PV, plus spécifiquement l'inverseur, est relié dans les deux directions au réseau électrique, habituellement avec un panneau de distribution sur le terrain ou un point d'entrée du service.

Les systèmes PV autonomes fonctionnent indépendamment du réseau électrique. Les installations qui utilisent un système PV autonome utilisent habituellement des batteries pour le stockage de l'énergie. Les batteries stockent de l'énergie du générateur PV dans la journée et fournissent de l'énergie aux charges électriques pendant la nuit ou les jours nuageux. Les batteries aident également à stabiliser la tension du système et fournissent du courant de surtension aux charges électriques si nécessaire. Habituellement, les contrôleurs de chargement de batterie protègent les batteries d'une surcharge et d'une décharge excessive.

Comment se différencient les systèmes photovoltaïques

La différence évidente entre les systèmes électriques photovoltaïques et l'électricité fournie par le réseau est que les générateurs PV génèrent une tension DC. L'électricité générée ne devient pas AC avant d'être traitée par l'inverseur. Une partie d'une installation PV est nécessairement DC, ce qui nécessite des types de composants différents de ceux les installations AC. Les composants des systèmes PV qui ne se trouvent pas dans des systèmes AC incluent les boîtiers de connexion et les sectionneurs.

Les boîtiers de connexion solaire accumulent l'énergie DC du générateur PV et fournissent une protection contre les surtensions selon les exigences du National Electric Code (NEC). Les entrées individuelles se connectent aux supports de fusibles. Les côtés charge des supports de fusibles se connectent ensemble pour former un bus commun, qui se connecte aux cosses de sortie. Les boîtiers de connexion sont des boîtiers de source ou des boîtiers de générateur. Les boîtiers de source sont placés plus près des panneaux PV. Les boîtiers de générateur, ou recombineurs, accumulent les sorties de plusieurs boîtiers de source en un seul circuit et se trouvent dans les grandes installations. Les boîtiers de générateur ont des supports de fusibles d'entrée plus élevés et un courant de sortie plus élevé.

Habituellement les systèmes PV génèrent une tension dans la gamme de 400 V DC à 600 V DC, bien supérieure à celle que l'on trouve dans la plupart des systèmes de bâtiments. Combiner cette tension plus élevée avec l'absence d'onde sinusoïdale de courant avec des points d'intersection zéro pose plusieurs défis de conception du système, de composants et de câblage, en particulier lorsqu'on allume et qu'on éteint les circuits DC. Par rapport aux systèmes AC avec une onde sinusoïdale de courant avec un point d'intersection zéro, interrompre des circuits DC d'une tension plus élevée nécessite un espace d'air plus important pour interrompre et couper l'arc rapidement et en toute sécurité. Câbler plusieurs pôles d'un seul interrupteur en série crée un espace d'air plus important pour une interruption d'arc sûre.

Comme les circuits DC comportent deux fils, un positif et un négatif, l'un d'entre eux doit servir de terre dans la plupart des systèmes PV, comme le neutre dans un système AC. Le fabricant de panneaux solaires spécifie lequel de ces deux fils est mis à la terre. La mise à la terre négative est la configuration la plus commune. Cette liaison est habituellement réalisée au niveau de l'inverseur. Selon la NEC, seul le conducteur de courant enterré doit être commuté.

Problèmes potentiels du photovoltaïque

La plupart des systèmes photovoltaïques qui sont installés par des professionnels qualifiés et réputés le sont de manière sûre et fiable. Cependant, faire installer un système d'alimentation électrique PV par des personnes non formées peut entraîner des problèmes. Voici quelques-uns des problèmes communs associés à la conception, l'installation et l'exploitation des systèmes PV :

  • Trop d'ombre sur le générateur PV
  • Une fixation structurelle peu sûre sur les toits et autres structures
  • Étanchéité inadaptée aux intempéries pour le toit et autres orifices
  • Câblage peu sûr
  • Installation de batterie peu sûre ou mauvaise maintenance ou utilisation de batterie
  • Courant permanent admissible de conducteur et/ou type d'isolation insuffisant
  • Utilisation d'un équipement non répertorié
  • Mauvaise application d'équipement répertorié ou non répertorié
  • Mauvaise mise en place de protection contre les surtensions et dispositifs de déconnexion
  • Mauvaise mise à la terre du système
  • Étiquetage inadapté sur des composants majeurs du système et dispositifs de déconnexion
  • Documentation inadaptée sur la conception du système et les exigences d'exploitation et de maintenance
  • Protection de l'environnement inadaptée pour certains composants du système

Test et dépannage

Tout package de conception de système photovoltaïque doit comporter de la documentation complémentaire qui doit au minimum inclure les spécifications du système, les schémas électriques, les plans mécaniques, les listes de pièces, les listes de matériel et les listes de sources. La documentation doit également inclure des procédures d'installation et de vérification, une formation utilisateur et opérateur, des exigences de maintenance, des guides de dépannage et spécifier les outils et équipements nécessaires pour réaliser ces tâches.

Les exigences de maintenance pour les installations photovoltaïques dépendent du type de conception du système et de l'équipement utilisé. Certaines installations nécessitent très peu d'attention, peut-être juste des inspections annuelles. D'autres, en particulier celles avec des batteries, peuvent nécessiter des intervalles de maintenance de quatre à six mois, voire des remplacements de composants (habituellement la batterie) pendant la durée de vie du système. Éléments de maintenance typiques que les installations PV peuvent devoir inclure :

  • Inspecter les raccordements et terminaisons de câbles pour voir s'ils sont desserrés ou corrodés
  • Inspecter les faisceaux de câbles pour s'assurer qu'ils sont soigneusement groupés et protégés
  • Inspecter le générateur PV pour vérifier sa propreté, l'absence de dommages et son intégrité structurelle
  • Inspecter les pénétrations de toit et les étanchéités
  • Entretenir les batteries, ce qui peut inclure le nettoyage, l'ajout d'électrolyte, l'égalisation de charge et le remplacement si besoin

Utiliser l'instrument adapté à votre travail

Que vous installiez ou entreteniez un système PV, utilisez l'instrument adapté à votre travail. Vous pouvez généralement entreprendre la plupart des tâches impliquant les modules PV et leurs circuits DC associés avec un multimètre numérique (DMM) de haute qualité avec une pince ampèremétrique ou une pince multimètre avec des fonctions de mesure de tension.

Utilisez un multimètre numérique avec une pince ampèremétrique ou une pince multimètre pour tester des modules dès réception et à nouveau après installation. Utilisez l'un ou l'autre de ces instruments pour contrôler la tension et le courant de sortie du générateur. Pendant l'installation, assurez-vous que les appareils appropriés sont connectés en série pour fournir la bonne tension. Assurez-vous que les sections de générateurs en série sont connectées en parallèle pour fournir le bon courant.

Utilisez un multimètre numérique et une pince multimètre pour assurer les bonnes connexions à l'inverseur, ainsi que les tensions et courants d'entrée et de sortie de l'inverseur. Ces outils peuvent également vous aider à dépanner le reste de l'installation, tout comme vous le feriez pour tout autre système d'alimentation AC.

Certains problèmes d'inverseur nécessitent l'utilisation d'un oscilloscope ou d'une combinaison scope-appareil de mesure. Par exemple, utilisez un oscilloscope pour détecter et identifier les problèmes de bruit dans l'enroulement du circuit de commande, ou pour vérifier le bon fonctionnement du transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) en observant leurs formes d'onde. Vous pouvez détecter un transistor en court-circuit en mesurant le transistor avec un oscilloscope. Un transistor en bon état a une forme d'onde carrée bien formée avec des fronts pentus, alors qu'un transistor défectueux a une forme d'onde arrondie au sommet du front montant. Assurez-vous également que la forme d'onde au niveau de la sortie de l'inverseur s'approche d'une onde sinusoïdale.

Comme presque toutes les installations PV se servent d'un inverseur pour convertir la tension DC du générateur PV en tension AC, il peut y avoir des harmoniques sur la tension AC venant du système PV. Les variateurs de fréquence (VFD) sont les principaux à blâmer pour la génération d'harmoniques. Les circuits que les inverseurs utilisent pour convertir la tension DC en AC sont très similaires aux circuits de VFD qui sont responsables de la génération de courants harmoniques. Normalement, les conceptions de systèmes PV devraient réduire les harmoniques. Cependant, si vous suspectez des problèmes d'harmoniques dans votre installation, vous pouvez utiliser un ÉnergiMètre pour dépanner le système.

Soyez conscient des problèmes potentiels. Tester et dépanner l'installation avec des outils adaptés vous aidera à obtenir et à conserver un système photovoltaïque sûr et fiable.