Détermination des conditions nominales de température et d’humidité 116

Le module S constitue une tentative de caractérisation de l’environnement des assemblages CPV. Les données expérimentales obtenues servent à alimenter différents modèles de productible, de mana-gement thermique ou encore d’optique des modules CPV hautes concentrations.

Pour les travaux de thèse, le module S doit aider à la définition des profils de température et d’humi-dité que subit un assemblage CPV dans des applications sous haute concentration. Ces profils serviront de base pour la spécification des conditions d’essais de qualification TC, DH et HF.

La figure III.11 montre les résultats obtenus sur une journée très ensoleillée comme en témoigne la mesure du DNI sur la figure III.11-1. Les relevés de température par les thermocouples (ThC) sont identifiés par ThC-X-YoùXcorrespond au numéro d’assemblage (compris entre 1 et 6) etYau numéro

FIGUREIII.11 – Résultats dumodule S. 1) Mesure du DNI pour la journée considérée. 2)Température à la base des OS et à la surface des DBC avec un cas anormal dû à un dépointage. 3) Température au sommet des OS. 4) Température au cœur du spreader. Les notations ThC-X-Y renvoi àX numéro d’assemblage (1<X<6) etY numéro de thermocouple (1<Y<6)

de thermocouple (compris entre 1 et 6). Les courbes de température données sur la figure III.11 ont été acquises entre 11 :30 et 14 :00, période durant laquelle le DNI est à son maximum. Durant les derniers préparatifs, le module est couvert puis, une fois le tracker aligné, le cache est enlevé créant ainsi une très forte montée en température.

Les thermocouples ThC-X-5, dont les mesures sont reportées sur la figure III.11-2, sont situés à la base de l’optique secondaire des assemblages 1, 3, 4, et 5 et sur le DBC des assemblages 2 et 6. Les températures mesurées au niveaux des DBC sont nettement plus faibles (max. 55˚C) que celles aux pieds des OS avec une température record de 135˚C mesurée sur l’assemblage 1. Une telle température ne peut être due qu’au désalignement du tracker ayant entrainé une focalisation du flux solaire sur la base de l’OS, à l’aplomb du thermocouple. Les ThC-3-5, ThC-4-5 et ThC-5-5 sont quant à eux dans une fenêtre de 10˚C, centrée sur 75˚C environ.

Sur la figure III.11-3 sont présentées les températures mesurées par les ThC-X-6 situés au sommet des OS de chacun des sous-ensembles. Une grande dispersion est présente de par l’emplacement des ThC qui n’est pas exactement le même. Le mauvais alignement des OS et des optiques primaires fait également varier la température maximale que les OS peuvent atteindre. Le maximum de température est alors obtenu sur l’assemblage 4 avec 110˚C en moyenne.

Les profils de températures reportés sur la figure III.11-4 montrent les températures mesurées par les ThC-X-4 localisés à l’intérieur du spreader, sous la cellule. Le thermocouple de l’assemblage 5 a été endommagé et n’est pas présent. Ici, la dispersion est plus faible que pour les autres relevés de

tem-pérature avec un maximum mesuré à 52˚C. Cette temtem-pérature reste sous-estimée car les thermocouples sont insérés dans le spreader sans pâte thermique.

Les données des thermocouples d’ambiance ainsi que des capteurs de la station météorologique indiquent une température maximale de 32˚C le jour de la mesure pour une température moyenne de 12˚C. Les températures dans le fond du module varient entre 26-30˚C comme pour ses parois. La tem-pérature maximale mesurée au niveau du parquet de lentilles de Fresnel est de 26˚C. Les parois du module sont donc proche de la température ambiante.

La figure III.12 présente le profil de température extérieure au module sur le site d’exposition du-rant cinq jours. La première montée en température correspond au début de la journée considérée sur la figure III.11. Le profil d’humidité interne au module est également montré sur la figure III.12 ainsi que la pression y régnant.

Sans surprise, l’humidité pénètre et s’accumule dans le module durant la nuit atteignant 85%, pé-riode durant laquelle la température ambiante est basse et la pression interne du module redescend vers la pression atmosphérique. Lorsque le soleil se lève, la température ambiante augmente (i.e. celle du module), l’humidité est évacuée du module et celui-ci entre en surpression ; surpression qui tend à di-minuer au fil des jours d’exposition.

FIGUREIII.12 – Profil d’humidité et de pression à l’intérieur du module et profil de température exté-rieure sur cinq jours de mesure.

La défaillance précoce du module S, notamment l’intrusion d’eau liquide, n’est pas un échec total mais survient à un stade avancé des travaux de thèse et renforce le choix de ne travailler que sur les assemblages CPV. Le manque de maturité des modules et le manque de recul scientifique sur les as-semblages CPV SMI ont poussé l’auteur à s’orienter vers des essais de qualification comme méthode de vieillissement accéléré ; choix également conditionné par la nécessité d’obtention de la certification IEC 62108 pour leur commercialisation.

III.4.2.3 Définition des essais de qualification par la spécification environnementale

La courte durée d’utilisation du module S n’aura pas permis de remplir tous les objectifs définis lors de sa conception. Néanmoins, cette expérience aide à définir les spécifications des essais de quali-fication mis en place dans la suite des travaux de thèse.

Comme dit précédemment, la température ambiante moyenne de la journée de mesure est de 12˚C. Sous les latitudes où les systèmes CPV sont censés être exploités, comme l’Afrique du Nord, la tem-pérature ambiante moyenne atteint 35˚C en été avec des pics de chaleur supérieur à 45˚C. Grâce aux résultats dumodule S, nous pouvons prévoir les températures de fonctionnement des assemblages dans ces conditions.

En se plaçant dans les pires conditions d’utilisation, soit une température ambiante d’au moins 45˚C et en considérant que les mesures de température obtenues sur lemodule Ssont légèrement sous-estimées8, des températures proches de 100˚C peuvent facilement être obtenues à la base des OS.

Cette projection, accompagnée de la mesure de températures supérieures à 110˚C au sommet des OS, et à la base des OS en cas de dépointage, nous ont poussé vers l’otpion TCA-1 de l’essai de cycle thermique (TC) de la norme IEC 62108. Dans cette option, la température maximale imposée à la cel-lule est de 110˚C, et la température minimale de -40˚C. Si les assemblages CPV, soumis à ce profil d’essai, ne présentent pas de défaillances catalectiques, ils seront alors jugés comme acceptables et pourront être commercialisés.

Par un raisonnement similaire nous choisissons l’option la plus dure en terme de température pour l’essai d’humidité-gel (HF). C’est donc l’option HFC-1 de l’essai d’humidité-gel de la norme IEC 62108 qui est retenue. Dans cette option, les assemblages CPV sont soumis à des cycles de tempé-ratures compris entre -40˚C et +85˚C. Le taux d’humidité imposé à 85% lorsque la température de l’assemblage est supérieure à 0˚C est cohérente avec les mesures d’humidité dumodule S.

Le taux d’humidité de 85% n’est cependant jamais rencontré pour des températures, à l’intérieur du module, supérieures à 15˚C. Nous nous plaçons une fois de plus dans le pire cas pour choisir parmi les options de l’essai de chaleur humide (DH) qui imposent une température de 65˚C ou 85˚C pour un taux d’humidité de 85%.

Nous avons déjà abordé les problèmes d’étanchéité des modules CPV. Ils n’est pas rare d’observer de la condensation à l’intérieur du module, sur le parquet de lentilles en général. Si les évents, chargés de faire évacuer cette condensation, se retrouvent bouchés ou fonctionnent mal, l’humidité s’accu-mulera indéfiniment à l’intérieur du module. Il sera donc possible, dans ce pire cas, d’observer une humidité supérieure à 85% lorsque le module sera en plein soleil et que la température des assemblages sera élevée.

Dans cette hypothèse, nous définissons l’essai de chaleur humide de la norme IEC 62108 avec une température constante de 85˚C et une humidité relative de 85%.

En résumé, parmi les options préconisées par la norme IEC 62108, et de par les résultats de l’expé-8. Les thermocouples ne sont pas toujours en parfait contact thermique avec les surfaces d’intérêt

riencemodule S, les essais de TC, HF et DH ont été définis comme suit :

– Cycle thermique (TC) : option TCA-1. 500 cycles en température entre -40˚C et +110˚C avec injection de courant à 1,25 I_SClorsque la température de la cellule est supérieure à 25˚C. La fréquence des cycles est de 18 par jour (80 minutes par cycles).

– Humidité-gel (HF): option HFC-1. 20 cycles en température entre -40˚C et +85˚C avec humidité relative contrôlée à 85% lorsque la température de la cellule est supérieure à 0˚C, sans application de courant. Un cycle dure 24 heures.

– Chaleur humide (DH) : par défaut. 1000 heures de maintien à 85˚C sous une humidité relative de 85%.