Technologies de protection contre la foudre.

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32 pour cent des dommages dans les parcs photovoltaïques sont causés par la foudre

21/03/2019

Le changement climatique est devenu l'une des principales préoccupations de la société actuelle. C’est pourquoi, l'utilisation des énergies renouvelables, qui ne produisent pas d'émissions polluantes ni de gaz à effet de serre, est en plein essor.

 

32 pour cent des dommages dans les parcs photovoltaïques sont causés par la foudre    

Selon l'Agence Internationale de l'Énergie (AIE), les énergies renouvelables sont la deuxième source d'électricité et, selon l'Agence Internationale des Énergies Renouvelables (IRENA), la production d'énergie propre a augmenté de plus de 8% en 2017, dépassant les 2 179 GW dans le monde entier. Parmi toutes les énergies renouvelables, le photovoltaïque se distingue avec 32% du total et une croissance annuelle de 10%.

Les installations photovoltaïques sont exposées à des conditions météorologiques pouvant affecter leurs performances. Elles sont situées dans de grandes zones fortement exposées au rayonnement solaire, sans arbres ni objets de plus grande hauteur à proximité, caractéristiques qui sont liées au risque de coups de foudre.

Plus de 32% des dégâts des panneaux solaires sont causés par la foudre, les décharges atmosphériques étant la première cause de dégradation (Institut sud-africain des ingénieurs électriques). Des installations d'une capacité supérieure ou égale à 100 MW peuvent être directement connectées au réseau électrique. L'impact de la foudre pourrait donc affecter non seulement l'installation, mais également le réseau.

L'impact direct et l'effet inductif de la foudre peuvent endommager, voire détruire, les modules des panneaux photovoltaïques, des régulateurs de charge et d'autres composants électroniques de l'installation.

Ces dommages entraînent des pertes économiques dues aux coûts de remplacement et de réparation des pièces endommagées, ainsi qu’à une réduction de la durée de vie utile et des performances des panneaux solaires. Ce dernier aspect revêt une grande importance car le retour sur investissement d’une installation photovoltaïque est réalisé au bout de 20 ans environ, une période qui augmente si des dommages et des détériorations se produisent.

L'effet des décharges atmosphériques dans les parcs solaires fait qu'il est essentiel de les protéger à l'aide de parafoudres contre les surtensions et de paratonnerres.

 

Protection interne contre la foudre pour éviter les surtensions dans les parcs solaires

L'impact de la foudre, que ce soit sur l'installation photovoltaïque elle-même ou dans des zones proches, peut provoquer une surtension dans le système électrique et endommager ou détruire les composants électroniques de l'installation.

Les dommages sont tels, que la norme internationale IEC 60364-7-712 recommande l'utilisation de parafoudres comme protection contre les surtensions, et l'Association Allemande des Assureurs exige son intégration dans des installations photovoltaïques supérieures à 10 kW.

Les parcs solaires utilisent, contrairement aux autres méthodes de production d’énergie, le courant continu (DC). Par conséquent, la protection contre les surtensions dans les centrales solaires doit être spécifique aux systèmes à courant continu et doit être installée dans tous les systèmes pouvant être affectés par la foudre.

 

Composants des installations photovoltaïques qui doivent être protégés contre les surtensions

  •  Stations d’onduleurs dont l’objectif est de convertir le courant continu en courant alternatif. Il est obligatoire dans les centrales photovoltaïques de les connecter au réseau électrique.Tous les composants des stations d’onduleurs doivent être protégés contre les surtensions, y compris les boîtes de jonction et l'onduleur.
     
  • Systèmes de communication permettant de surveiller l’efficacité de l'installation photovoltaïque et de connaître en temps réel les dysfonctionnements des panneaux solaires.
     
  • Modules de télémaintenance préventive pour les panneaux photovoltaïques.

Il est également recommandé que tous les panneaux photovoltaïques soient équipés de câbles blindés afin que le courant partiel de la foudre puisse circuler par le blindage du câble sans endommager ses cellules solaires.

Protection externe contre la foudre pour éviter les dommages sur les parcs solaires

Pour éviter que la foudre ne frappe les modules des installations photovoltaïques, l'utilisation de paratonnerres est recommandée sur les stations des onduleurs et sur d'autres zones de l'installation.

Lors de la phase de conception, il est essentiel d’optimiser l’emplacement et le nombre de paratonnerres en faisant en sorte qu’il y ait le moins d’ombres possible sur les panneaux photovoltaïques, pour éviter ainsi leurs effets néfastes sur la production d’énergie.

Les ombres, qu'elles soient produites par le paratonnerre ou par un autre objet, peuvent être diffuses ou définies.

  • Ombres diffuses : elles apparaissent lorsque les paratonnerres ou d’autres objets ne se trouvent pas à proximité des panneaux solaires et n’affectent pas les panneaux solaires.
     
  • Ombres définies : elles apparaissent lorsque l'objet, dans ce cas un paratonnerre, est situé près du panneau solaire. Ils ont un double effet négatif : diminution de la production d’énergie et dégradation des panneaux photovoltaïques.

D'une part, ces ombres réduiront la production d'énergie du panneau solaire et, par conséquent, sa rentabilité. Cependant, l'effet le plus important est celui des ombres définies. Lorsque certaines des cellules solaires de la plaque sont ombragées, elles commencent à consommer de l'énergie, créant des points de surchauffe.

Pour éviter cela, des diodes de dérivation sont activées (by-pass), offrant un chemin alternatif au courant minimisant les dommages éventuels. Toutefois, en fonction de la qualité des diodes de dérivation et des cellules solaires, la protection des points de surchauffe peut ne pas être suffisante. Dans ce cas, les composants électroniques des plaques photovoltaïques peuvent se détériorer, voire se détruire. De plus, l'utilisation de ces diodes suppose une consommation d'énergie.

Il est donc essentiel d’optimiser le nombre et l’emplacement des paratonnerres. Dans ce sens, il est conseillé d’utiliser des dispositifs dotés d’une large zone de protection, tels que les paratonnerres à dispositif d’amorçage (PDA), car ils permettront d’utilisation moins de paratonnerres.

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Les Paratonnerres à Dispositif d’Amorçage (PDA), également appelés paratonnerres actifs, permettent une excellente couverture. Contrairement aux autres paratonnerres, les PDA émettent un traceur ascendant continu avec un temps d'avance, ce qui lui permet de capter le coup de foudre avant tout autre objet se trouvant dans son rayon de protection. Ce temps d’avance à l’amorçage détermine le rayon de protection du PDA : plus le temps d’avance est long, plus la zone de protection est grande et moins d’ombres apparaîtront.

L'un des avantages des Paratonnerres à Dispositif d'Amorçage DAT CONTROLER® d’Aplicaciones Tecnológicas, en comparaison à d'autres PDA, est qu'ils peuvent être entretenus à distance.

Systèmes de mise à la terre dans les installations photovoltaïques

Les systèmes de mise à la terre sont un élément fondamental de toutes installations électriques, y compris les systèmes photovoltaïques. Leur fonction est de dissiper les intensités de courant dans le sol, qu'elles soient dues à des décharges atmosphériques ou de défaut. De cette manière, les systèmes de mise à la terre permettent d'éviter que les différences de potentiel ne nuisent aux personnes ou aux installations.

Raccord de liaison dans la prise de terre

Les parcs photovoltaïques, ayant du courant continu (DC), doivent être connectés à la terre en un seul point, c'est-à-dire qu'ils ont une seule prise de terre. Sinon, les régulateurs de charge, les onduleurs et autres composants sensibles de l'installation solaire pourraient être endommagés.

La manière de le faire est d’unir toutes les prises de terre, en utilisant des connexions permanentes ou soudées qui assurent leur durabilité. La soudure exothermique, contrairement aux joints mécaniques, permet de réaliser des liaisons qui ne se dégradent pas et ne se détériorent pas au fil du temps.

Si le parc photovoltaïque est connecté directement au réseau électrique, le règlement espagnol sur la Basse Tension, stipule que la prise de terre du neutre de la société de distribution d'énergie doit être indépendante de celle de la centrale solaire.

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Résistance de la prise de terre

La résistance de la prise de terre est d'une grande importance dans toute installation électrique, car elle détermine la facilité de dissipation des courants. La résistivité du terrain dépend de son humidité et des matériaux qui le composent. Selon la norme internationale IEC 60364-4-4-442, la résistivité des sols des installations photovoltaïques doit être égale ou inférieure à 10Ω.

Pour atteindre cette valeur, il est recommandé d'utiliser des améliorateurs de terrain, tels que l'APLICEM®, ciment conducteur d’Aplicaciones Tecnológicas qui permet d'améliorer la mise à la terre.

Si vous souhaitez protéger votre installation photovoltaïque contre la foudre, n'hésitez pas à nous contacter.