Mesure de la densité de poussière accumulée à la surface des modules pv et influence sur la dégradation de la performance énergétique








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date de publication12.04.2017
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Rencontres Francophones sur la Qualité et le Mesure – RFQM 2017



Mesure de la densité de poussière accumulée à la surface des modules PV et influence sur la dégradation de la performance énergétique
Ababacar Ndiaye a,b,*, Cheikh M. F. Kébé b, Boudy Ould Bilal b,d, Abdérafi Charki c, Vincent Sambou b, Papa A. Ndiaye b
a Université Assane Seck de Ziguinchor, UFR – Sciences et Technologies, Département de Physique, BP 523 Ziguinchor, Sénégal.

b Centre International de Formation et de Recherche en Energie Solaire (CIFRES), Ecole Supérieure Polytechnique-UCAD, BP 5085 Dakar-Fann, Sénégal.

c Université d’Angers-ISTIA-LARIS, 62 Avenue Notre Dame du Lac 49000 Angers, France.

d Ecole des Mines de Mauritanie (EMiM), BP 5259, Nouakchott, Mauritanie.

Résumé. Une des contraintes majeures liées aux conditions de fonctionnement des systèmes photovoltaïques en milieu sahélien, en plus des fortes températures, est relative aux dépôts d’aerosols particuliérement la poussière sur la surface des modules. En effet, la zone sahélienne est caractérisée par de fréquents et permanents épisodes de tempête de sable qui impactent sur son fort potentiel solaire. Cependant, les avis restent encore partagés sur l’impact significatif de la poussiere sur la production des modules photovoltaïques. Ce papier est consacré à l’étude de la corrélation entre la densité de poussière en dépôt à la surface des modules photovoltaïques de technologie en silicium cristallin et leur impact sur leurs performances electriques. Cette étude menée sur deux modules respectivement de technologie mono et polycristalline, porte sur la tension en circuit-ouvert (Vco), le courant de court-circuit (Icc), le facteur de forme (FF) et plus particulièrement la puissance maximale (Pmax). Ce papier présente la méthodologie et l’étude expérimentale mises en oeuvre pour mesurer les paramètres d’environnement (Ensoleillement, température, humidité), la densité de poussière et les caractéristiques de performance (Icc, Vco, FF et Pmax). Enfin, les résultats sur la corrélation entre la densité de poussière et chacune des caractéristiques sont présentés.

Mots clefs: Photovoltaïque, Dégradation, Poussière, corrélation



1. Introduction

L'accumulation des particules de poussière sur la surface du module PV peut affecter grandement sa performance surtout dans les zones désertiques. Cependant, les régions désertiques sont les plus adaptées à la production d'électricité photovoltaïque en raison de la disponibilité abondante du rayonnement solaire tout au long de l'année. Aujourd'hui, l'idée de mettre en place de vastes champs photovoltaïques dans les pays sahéliens en vue de l'exportation de l'énergie produite vers d'autres pays est en cours de discussion [1]. L'accumulation de poussière sur la surface du panneau PV dépend de différents paramètres comme l'inclinaison du module PV, le type d'installation, l’humidité.

Hottel et Woertz ont été parmi les premiers à travailler sur l'impact de la poussière sur les systèmes solaires [2]. Ils ont enregistré une dégradation maximale des performances de 4,7%, avec une perte moyenne de rayonnement solaire incident inférieure à 1%. Une autre étude de l'accumulation de la poussière sur un système photovoltaïque installé dans un village près de Riyad a montré une réduction de 32% de la performance au bout de huit mois sans que les modules ne soient nettoyés [3]. Une réduction de la puissance photovoltaïque de 17% sur des modules installés dans la ville de Koweït city a été notée après six jours sans nettoyage des modules [4]. En outre, l'étude a également indiqué que l'influence de la poussière sur les performances PV serait plus élevée pendant les saisons sèches de l’année. Dans une autre étude sur les effets de la poussière sur le module photovoltaïque à Palo Alto, en Californie, il a été montré que l’accumulation de la poussière sur les modules photovoltaïques a provoqué une réduction de 2% du courant de court-circuit par rapport à celui des modules propres [5,6]. Shaharin et al. ont trouvé que la réduction de la puissance due au dépôt de la poussière sur le module PV peut aller jusqu'à 18% [7].

La perte de puissance due à la poussière est fonction du type de poussière, du temps écoulé depuis la dernière pluie et du calendrier de nettoyage [8]. Detrick et al. avancent que la perte moyenne annuelle de puissance d’un module photovoltaïque varie de 1% à 4% [9]. Dans les zones où les pluies sont fréquentes, il a été montré que la pluie pouvait nettoyer les modules PV à un point de restauration de la performance à 1% de perte sur la pleine puissance [10]. Dans une étude plus récente effectuée en Crète, la perte moyenne annuelle de puissance due à la poussière était de 5,86%, avec 4 % à 5% pendant l’hivernage et 6 % à 7% en été [11]. Une étude a été réalisée sur des systèmes photovoltaïques installés en Egypte en comparant l'énergie produite par un module propre et un module qui a été exposé à la poussière pendant une période d'une année et un module qui a été exposé à la poussière mais nettoyé tous les deux mois. Les résultats ont montré que le module resté une année sans être nettoyé produit une énergie inférieure de 35% à celle du module propre. Le module nettoyé tous les deux mois produit une énergie inférieure à 25% par rapport au module propre [12].

Pour un utilisateur d’un système photovoltaïque, il serait intéressant de savoir à quelle fréquence le module doit être nettoyé. Dans le cas où le nettoyage fréquent n'est pas possible, il est important de connaître la perte de performance due à la poussière pour en tenir compte. L'étude sur les effets de la poussière sur les modules PV aiderait également dans le choix de la technologie, du type et de l'emplacement des modules. L'étude de la corrélation entre la dégradation et la densité de poussière déposée à la surface des modules PV permettra de répondre à la problématique relative à la fréquence de nettoyage à préconiser.

2. Matériels et méthodes

2.1. Méthodologie

L’étude de la corrélation entre la densité de poussière et la variation des caractéristiques de performance a porté sur deux modules à l’état neuf, du même constructeur mais de technologies différentes.

Les deux modules neufs, après avoir été bien nettoyés sont caractérisés avant d’être exposés sous ensoleillement naturel dans les mêmes conditions (ensoleillement, température, humidité). Les mesures sont réalisées par pas d’une semaine pendant six semaines d’exposition. Pendant toute la semaine, les paramètres moyens d’environnement tels que la vitesse du vent, l’ensoleillement, la température ambiante et l’humidité sont mesurés.

A la fin de chaque semaine, les caractéristiques de performance des modules sont mesurées dans les conditions standards de test avec l’analyseur de modules PV (IV-400).

La densité de poussière en dépôt sur chaque module est également déterminée par une méthode que nous présentons dans la section suivante.

Ainsi, la valeur nominale de chaque paramètre est déterminée en prenant comme référence la valeur du paramètre mesurée sur le module propre au début de l’expérience. Cette valeur normalisée qui traduit la variation du paramètre est corrélée avec la densité de poussière déposée sur chaque module. Le résumé des différentes étapes de la méthodologie adoptée est présenté par Fig.1.



Fig. 1. La méthodologie proposée.

2.2. Détermination de la densité de poussière

Pour mesurer la densité de poussière en dépôt sur les modules, deux options sont possibles. La première consiste à mesurer le poids du module nettoyé au début de l’expérience et celui du module avec les dépôts de poussière à la fin de l’expérience. La différence entre ces deux mesures correspond au poids total de la poussière qui s’est déposée à la surface du module. Le rapport entre le poids de la poussière ainsi obtenu et la surface du module donne la densité des dépôts de poussière [13]. Cependant cette technique nécessite une exposition de longue durée qui permettrait de collecter une quantité de poussière significative mesurable relativement au poids du module.

Nous avons opté pour la deuxième méthode qui consiste à utiliser deux lamelles de verre de 67 grammes exposées côte à côte de chaque module et avec la même inclinaison que celui-ci. Les lamelles sont identiques avec une surface de 10 cm2 soit 10cm x 10cm. A la fin de chaque semaine, les lamelles sont pesées avec une balance de haute précision. Le poids de la poussière déposée sur le module est obtenu à partir du poids total de la lamelle avec le dépôt de poussière et du poids de la lamelle propre. Ainsi, on peut déterminer la densité de poussière déposée par centimètre carré (cm2).
2.3. Présentation de la plateforme expérimentale
Les spécifications techniques des deux modules utilisées dans le cadre de cette étude sont données dans le Tableau 1.

L’utilisation des modules monocristallins et polycristallins permet également d’étudier la corrélation en fonction de la technologie.

Pour la détermination de la densité de poussière, une balance Kern de haute précision dont les caractéristiques sont données au Tableau 2 été utilisée. Elle dispose d’un couvercle qui permet d’éviter des pertes durant la pesée des lamelles de collecte de la poussière.



Tableau 1. Spécifications techniques des modules.


Tableau 2. Caractéristiques de la balance utilisée pour la pesée des dépôts de poussière.
Fig.2 présente la plateforme expérimentale comportant les deux modules et les lamelles de collecte exposés.

Fig.2. Plateforme expérimentale.

Chaque module est associé à deux lamelles de verre pour la collecte de la poussière. Une cellule de référence est installée sur la plateforme pour la mesure de l’ensoleillement global incident à la surface des modules. L’analyseur de modules PV « IV-400 » est utilisé pour mesurer les caractéristiques de performance des modules.
2.4. Paramètres caractéristiques de la période de mesure
L’expérience dédiée à l’étude de la corrélation entre la densité de poussière et la variation des caractéristiques de performance des modules polycristallins et monocristallins a duré six semaines.

Les principaux paramètres d’environnement mesurés pendant cette période sont présentés au tableau 3.

Pour une telle étude, il est nécessaire de déterminer les paramètres d’environnement de la période de mesure pour l’interprétation des résultats de la corrélation.


Tableau 3. Paramètres d'environnement sur la période.

3. Resultats et discussions

3.1. Evaluation de la densité de poussière

La quantité de poussière déposée sur chaque lamelle est déterminée à la fin de chaque semaine. La quantité déposée sur chaque module est donnée par la moyenne des dépôts sur les deux lamelles de dix centimètres carrés (10 cm2) qui lui sont associées.

Nous faisons l’hypothèse que la répartition de la poussière sur la surface du module est homogène.

La Figure suivante (Fig.3) présente l’évolution de la densité de poussière en surface durant la période pour chaque module.



Fig.3. Variation de la densité de poussière pendant six semaines.
L’accumulation de la poussière induit l’augmentation dans le temps de sa densité à la surface des modules. L’évolution de cette densité est fortement dépendante des paramètres environnementaux tels que la vitesse du vent, la température ambiante, l’humidité.

La corrélation entre la densité de poussière et la variation des caractéristiques des modules photovoltaïques est étudiée par la suite.
3.2. Variation des caractéristiques de performance avec la densité de poussière
Pour l’étude de la variation des caractéristiques de performance en fonction de la densité, les valeurs normalisées sont considérées. Pour chaque paramètre, la valeur correspondant au module propre avant le début de l’expérience est prise comme référence dans la normalisation. La valeur normalisée correspond au rapport entre la valeur relative au module avec un dépôt de poussière et la valeur relative au module propre.

Toutes les mesures sont réalisées dans les conditions standards de test à partir de l’analyseur.

La variation normalisée des différentes caractéristiques de performance des modules des deux technologies est présentée sur les figures suivantes (Fig.4, Fig.5, Fig.6, Fig.7).



Fig.4. Variation du courant de court-circuit normalisé en fonction de la densité de poussière.



Fig.5. Variation de la tension en circuit ouvert normalisée en fonction de la densité de poussière.



Fig.6. Variation de la puissance normalisée en fonction de la densité de poussière.



Fig.7. Variation du facteur de forme normalisé en fonction de la densité de poussière.

On remarque que les valeurs normalisées du courant de court-circuit et de la puissance diminuent avec la densité de poussière pour les deux technologies. Cette baisse traduit l’influence de la densité de poussière sur le rendement des modules photovoltaïques. On note que cette baisse évolue assez rapidement, en six semaines d’exposition sans nettoyage des modules :

  • Le courant de court-circuit a diminué de 30% pour le monocristallin et 34% pour le polycristallin par rapport au module propre pour une densité de poussière respectivement de 30,5mg/cm2 et 21,6mg/cm2.

  • La puissance maximale présente une baisse de 26% pour le monocristallin et 40% pour le polycristallin par rapport au module propre pour les mêmes densités de poussière.

La tension en circuit ouvert et le facteur de forme restent constants malgré l’augmentation de la densité de poussière pour les deux technologies.

Ce résultat relatif à la tension en circuit ouvert est en phase avec ceux de [10, 14] selon lesquels celle-ci n’est pas dégradée par l’accumulation de la poussière.

Nous allons dans la suite, étudier les relations qui permettent de lier ces variations avec la densité de poussière.

3.3. Relation entre la densité de poussière déposée à la surface des modules et la dégradation de leurs caractéristiques

Nous avons étudié les corrélations les plus appropriées entre la variation des caractéristiques de performance des modules et la densité de poussière. La corrélation a été étudiée pour tous les paramètres par les régressions exponentielle et polynomiale.

Les Figures 8, 9, 10 et 11 présentent les différentes corrélations correspondant à chaque caractéristique et à chaque technologie.



Fig.8. Corrélation entre le courant de court-circuit normalisé et la densité de poussière.



Fig.9. Corrélation entre la tension en circuit ouvert normalisée et la densité de poussière.



Fig.10. Corrélation entre la puissance normalisée et la densité de poussière.



Fig.11. Corrélation entre le facteur de forme normalisé et la densité de poussière par les régressions exponentielle et polynomiale.

L’objectif est de déterminer la régression qui traduit le mieux la relation entre le paramètre en question et la densité de poussière.

Les courbes présentées dans les Figures (Fig.8 à Fig.11) montrent la droite de régression, son équation et le coefficient de détermination correspondant à chaque caractéristique pour chaque technologie. Le Tableau 4 résume les principaux résultats de cette étude.



Tableau 4.Coefficients de détermination des régressions exponentielle et polynomiale.
L’étude expérimentale permet de proposer une relation entre la variation des caractéristiques et la densité de poussière.

Le courant de court-circuit et la puissance qui sont les deux caractéristiques dont les variations sont plus sensibles au dépôt de poussière présentent des coefficients de détermination très proches de un pour la régression polynomiale comme le montre le Tableau 4.

La tension en circuit ouvert et le facteur de forme présentent de faibles coefficients de corrélation pour les deux régressions.

Cependant l'étude expérimentale précédente [12] sur l’impact de la poussière qui a porté sur une année d’exposition des modules sans nettoyage avait montré que le facteur de forme pouvait être dégradé jusqu’à un maximum de 18% par rapport au module propre. Ainsi, nous pouvons penser que les six semaines d’exposition sont trop courtes pour pouvoir détecter une variation du facteur de forme.

4. Conclusion

Ce papier a porté sur l'étude expérimentale de la corrélation entre la variation des caractéristiques de performance des modules photovoltaïques et la densité de poussière. Il propose une méthode de détermination de la densité de poussière tenant compte de la distribution homogène de la poussière sur la surface des modules étudiés.

L’étude de la corrélation a montré que la variation du courant de court-circuit et de la puissance maximale en fonction de la densité de poussière suit une loi de régression polynomiale avec un très bon coefficient de détermination (0,99%) pour les deux technologies.

L’étude réalisée dans ce papier constitue une contribution dans un objectif de définition de la périodicité de nettoyage des modules photovoltaïques dans la zone d'étude.

References

1. EPIA: European Photovoltaic Industry Association, Global Market Outlook for Photovoltaics until 2015, 2011.

2. M.C. Hottel, B.B. Woertz, Performance of flat plate solar heat collectors, ASME Trans., vol. 64, pp. 91-104, 1942.

3. A. Salim, F. Huraib, N. Eugenio, PV power-study of system options and optimization, In Proceedings of the 8th European PV Solar Energy Conference, Florence, Italy, 1988.

4. F. Wakim, Introduction of PV power generation to Kuwait, Kuwait Institute for Scientific Researchers, Kuwait City, 1981.

5. J.K. Kaldellis, M. Kapsali, Simulating the dust effect on the energy performance of photovoltaic generators based on experimental measurements, Energy 36 (2011), 5154-5161, 2011.

6. G.B. Katz, Effect of Dust on Solar Panels, www.gregorybkatz.com/Home/effect-of-dust-on-solar-panels, 2011.

7. A.S. Shaharin, H.H. Haizatul, H.N.L. Nik Siti, S.I.R. Mohd, Effects of Dust on the Performance of PV Panels, World Academy of Science, Engineering and Technology 58, 2011.

8. E. Kymakis, S. Kalykakis, T.M. Papazoglou, Performance Analysis of a Grid Connected Photovoltaic Park on the Island of Crete, Energy Conversion and Management, Vol. 50, No. 3, pp. 433–438, 2009.

9. A. Detrick, A. Kimber, L. Mitchell, Performance Evaluation Standards for Photovoltaic Modules and Systems, Proceedings of the 31st IEEE Photovoltaics Specialists Conference, pp. 1581-1586, ISBN 0-7803-8707-4, Lake Buena Vista, USA, January 2005.

10. A. Ndiaye, C.M.F. Kébé, P. A. Ndiaye, A. Charki, A. Kobi, V. Sambou, Impact of dust on the PV modules characteristics after an exposition year in Sahelian environment: the case of Senegal, International Journal of Physical Sciences – academicjournals, Vol. 8(21), pp. 1166-1173, 2013.

11. E. Kymakis, S. Kalykakis, T.M. Papazoglou, Performance Analysis of a Grid Connected Photovoltaic Park on the Island of Crete, Energy Conversion and Management, Vol. 50, No. 3, pp. 433–438, 2009.

12. M. Ibrahim, B. Zinsser, H .El-Sherif, E. Hamouda, G. Makrides, G.E. Georghiou, M. Schubert, J.H. Werner, Advanced Photovoltaic Test Park in Egypt for Investigating the Performance of Different Module and Cell Technologies, Proceedings of the 24th Symposium Photovoltaic Solar Energy, Staffelstien, Germany, March 2009.

13. M.S. El-Shobokshy, F.M. Hussein, Effect of dust with different physical properties on the performance of photovoltaic cells, Solar energy, Vol. 51, no 6, pp. 505-511, 1993.

14. A. Ndiaye, C.M.F. Kébé, A. Charki, P.A. Ndiaye, V. Sambou, A. Kobi, Degradation evaluation of crystalline-silicon photovoltaic modules after a few operation years in a tropical environment, Solar Energy - Elsevier ScienceDirect, Vol. 103 (2014), pp. 70-77, 2014.



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