Development of an operational power model for concentrated photovoltaic systems (CPV)

La production d’électricité par conversion photovoltaïque est aujourd’hui bien connue ; l’utilisation de cellules multi-jonction à haute performance est encore peu répandue et relève encore d’un marché de niche. Ces cellules, composées pour la plupart de trois jonctions photovoltaïques à base de matériaux appartenant aux troisième et cinquième colonnes du tableau de Mendeleïev, permettent d’atteindre des rendements supérieurs à 45%. Du fait de leur coût élevé, ces cellules sont fabriquées en très petite taille (allant de quelques cm² à quelques centaines de μm²) et alignées à des éléments optiques pour concentrer plusieurs centaines de fois le rayonnement solaire direct incident. Les modules fabriqués à base de ces cellules sont montés sur un tracker solaire très précis. La modélisation du fonctionnement de ces systèmes est très complexe ; de nombreux paramètres météorologiques tels que l’éclairement solaire direct, la température ambiante, la masse optique atmosphérique et les caractéristiques spectrales du rayonnement entrent en jeu dans le processus de conversion ; ces paramètres sont difficiles à mesurer, nécessitent une couteuse instrumentation et une maintenance contraignante. L’objectif de ces travaux est de développer un modèle opérationnel de puissance électrique utilisant des grandeurs d’entrée souvent mesurées et disponibles aisément pour l’exploitant de la centrale CPV. Il pourra être utilisé comme un outil d’aide à la décision pour l’investisseur en lui fournissant une estimation précise de l’énergie productible sur le site d’installation envisagé. Trois sites d’expérimentation ont été retenus : Le Bourget du Lac, Ajaccio et Aigaliers, sur chacun est installé un système CPV de technologie légèrement différente. Les mesures réalisées sur ces systèmes ont été filtrées et validées, de nombreuses défaillances techniques ayant été constatées notamment liées au fonctionnement du tracker. De nombreux modèles inspirés de la littérature, différents par leur forme, par le nombre et le type de variables d’entrée, ont été testés et ont montré des performances proches en termes d’erreur quadratique. Un modèle a été retenu du fait de ses performances, de sa simplicité et du faible nombre d’entrées (3 : rayonnement solaire direct, température ambiante et masse d’air atmosphérique). Ce modèle établi à partir de données mesurées sur le système CPV d’Ajaccio permet d’estimer la puissance produite avec une erreur quadratique de l’ordre de 5% sur les 2 sites d’Ajaccio et du Bourget du Lac, valeur satisfaisante pour ce type de systèmes. Ce modèle présente l’avantage d’être aisément utilisable et transposable à d’autres systèmes de technologie semblable et de ne pas nécessiter la mesure de variables liées au fonctionnement du système. Il pourrait être introduit au sein de logiciels de dimensionnement et d’estimation de la production photovoltaïque.The electrical production by photovoltaic conversion is well known today. The utilization of high efficiency multi-junction cells is still not very widespread and again at a niche market level. These PV cells, mostly composed by three III-V semiconductor material layers, allow to reach a high efficiency exceeding 45%. As its cost is high, their size is reduced (ranging from few cm² to few hundred μm²) and aligned to optical elements to concentrate few hundred times the incident solar radiation; the PV modules based on these cells are then mounted on a high accuracy dual axis solar tracker. Modelling the operation of such systems is complex; numerous meteorological parameters such as beam solar irradiance, ambient temperature, air mass as well as spectral characteristics of the solar radiation are involved in the conversion process; these parameters are difficult to measure, need costly equipment and a binding maintenance. The objectives of this work is to develop an operational model of electrical power using easily measured inputs that are available for a solar CPV plant operator. It could be used as a decision-making tool for investors in providing an accurate estimation of the CPV plant energy production capacity on a future implantation site. Three experimental sites were used: Le Bourget du Lac, Ajaccio and Aigaliers, each site being equipped with a CPV system based on a slightly different technology. The measurements carried out have been filtered and validated, numerous technical failures being observed mainly due to the tracker operation. Several power models inspired from literature, different by their form, by the number and type of input variables, have been tested and shown close performances in terms of root mean square error. One model was selected for its performances, simplicity and the low number of needed inputs (three: beam solar irradiance, ambient temperature and air mass). This model established on the basis of data measured in Ajaccio allows to estimate the produced power with a root mean square error of about 5% on two locations which are Ajaccio and Le Bourget du Lac, a satisfying uncertainty for such a system. This model offers the advantages of being easily usable, transferrable to other systems based on similar technology and requiring no system related input variables. It could be integrated into a PV plant sizing and production estimating tool