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Défis technologiques >> Energie solaire pour la transition énergétique
6 proposition(s).

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Outils de diagnostic et de pronostic des onduleurs et modules PV par des approches machine-learning économes en moyens de calcul

Département des Technologies Solaires (LITEN)

Laboratoire des Systèmes PV Appliqués

mathématiques ou science de l'ingénieur

01-09-2021

SL-DRT-21-0347

sylvain.lespinats@cea.fr

Energie solaire pour la transition énergétique (.pdf)

Contexte : Dans le contexte actuel de dérèglement climatique, la question de l'énergie est centrale aussi bien d'un point de vue sociétal que d'un point de vue politique ou économique. La production solaire, qui est une alternative renouvelable aux énergies carbonées, croit exponentiellement et il extrêmement probable que cette montée en puissance se poursuive dans les années qui viennent. Un des meilleurs moyens de faire baisser le coût financier et environnemental des centrales solaires est le diagnostic automatique qui permet de détecter et corriger les défaillances des centrales et ainsi augmenter leur rendement. Schématiquement, les centrales photovoltaïques sont constituées d'un assemblage de modules reliés à un onduleur. Les modules produisent du courant continu qui est transformé en courant alternatif par l'onduleur pour être transporté sur le réseau de distribution. Les défaillances et le vieillissement de ces deux équipements forment la principale source de défaillances non triviales. Par exemple, la durée de vie d'une centrale est généralement estimée à 20 ou 30 ans, alors que la durée de vie des onduleurs est approximativement de 10 ans. Il est très classique que le courant et la tension en amont et en aval de l'onduleur soient mesurées et suivies. Ces données sont en général complétées par des mesures météorologiques (irradiance et température en particulier). L'ensemble de ces données est cependant bien souvent sous-exploité. Dans le cas du comportement des modules, c'est entre autre lié au fait que les performances dépendent de différents facteurs très fortement corrélés (phénomènes journalier et saisonniers, conditions météos, position relative du soleil, interactions non-linéaires entre les différents modules, vieillissement continue, casse, etc). Dans le cas des onduleurs les difficultés sont majoritairement dues à la forte dépendance aux des conditions de fonctionnement et au niveau de bruit de la mesure largement supérieur au signal recherché (à l'image des problématiques rencontrées dans le cadre de la détection des ondes gravitationnelles par le projet LIGO). Objectif : Nous souhaitons prendre appuis sur ces données pour assurer un suivi plus fin des centrales photovoltaïques, diagnostiquer les défaillances et les anticiper. Pour cela, nous souhaitons nous appuyer sur, d'une part la très grande quantité de données, ce qui peut contrer le problème de signal sur bruit, et sur le machine-learning d'autre part pour isoler les différentes composantes explicatives. Dans un premier temps, les modules et onduleurs seront considérés séparément. Dans un second temps, nous considèrerons le système dans son ensemble. Par le passé, les laboratoire LSPV (CEA) et LAMA UMR 5127 (Université Savoie Mont Blanc) ont collaboré au développement de méthodes de réduction de dimensions. Ces méthodes (probablement à adapter) permettent d'explorer les jeux de données pour en extraire des comportements qui pourront être reliés aux modes de fonctionnement et des vieillissements variées. Cette étape permettra de définir des classes servant ensuite à la mise en place de méthodes de régression/classification. Ce travail de machine-learning devra permettre de proposer des outils de diagnostic suffisamment légers en coût de calcul pour être déployable sur les centrales. Profil souhaité : Nous cherchons un(e) étudiant(e) en mathématiques intéressé(e) par les applications dans le domaine de l'énergie renouvelable et de l'électronique ou un(e) étudiant(e) en sciences de l'ingénieur passionné(e) par les mathématiques. Une expérience en électronique n'est pas nécessaire, mais le candidat pourra être amené à faire des mesures en laboratoire sous la supervision d'électroniciens et de photovoltaïciens pour produire des données ou confirmer des comportements. Les outils utilisés pourront inclurent les méthodes de réduction de dimension, les statistiques (descriptifs et tests), l'analyse de séries temporelles, les SVM, les réseaux de neurones ou les méthodes tensorielles.

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Conception multiphysique de modules à semiconducteurs de puissance haute tension pour la conversion des énergies renouvelables

Département des Technologies Solaires (LITEN)

Laboratoire Systèmes PV

Electronique de puissance, physique de matériaux diélectrique, simulation multiphysique

01-09-2021

SL-DRT-21-0387

jeremy.martin@cea.fr

Energie solaire pour la transition énergétique (.pdf)

La recherche et développement autour des semiconducteurs de puissance en carbure de silicium (SiC) a permis de développer des composants capable de bloquer des tensions jusqu'à 15 kV. Ces dispositifs permettent en outre des commutations à des vitesses très élevées (ex : 120 kV/µs pour un MOSFET SiC 10 kV ou encore 180 kV/µs pour un IGBT SiC 15 kV). Les performances de ces semiconducteurs sont exceptionnelles et permettent de réduire drastiquement les pertes par commutation par rapport à des équivalents en Silicium. La mise en ?uvre des ces interrupteurs est en revanche très délicate et fait appel à des méthodologies de conception multiphysique dans champs disciplinaires transversaux. De nombreux verrous scientifiques et technologiques restent toutefois à lever : - Minimisation des inductances parasites des modules de puissance (<5 nH) - Intégration de blindage CEM pour collecter les courant impulsionnels perturbateurs - Refroidissement des puces SiC donc la taille est très réduite par rapport à des équivalent en Si - Gestion des décharges partielles et matériaux diélectriques - Influence des dV/dt sur le vieillissement des matériaux (en DC à 50Hz, et en impulsionnel) - Phénomènes de réflexion (onde électromagnétique) ... Le travail proposé consiste à étudier et à développer une architecture de module de puissance innovante permettant la mise en ?uvre de puces SiC pour des systèmes pouvant atteindre 10 kV. Une équipe du CEA à Toulouse spécialistes du packaging 3D en forte puissance apporteront leurs compétences en technologies d'assemblage pour la réalisation de modules de puissance complexes. Les équipes du CEA sur le campus INES (Institut National de l'Energie Solaire) au Bourget du Lac (73) mettront à disposition leurs moyens de mesure et prototypage en haute tension ainsi que leurs connaissances en conception de module de puissance (simulation par éléments finis). Les chercheurs du laboratoire G2ELAB (Grenoble INP) spécialistes en refroidissement de modules de puissance et en science des diélectriques mettront à profit leur connaissances ainsi que leurs plateformes expérimentales.

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Matériaux Pérovskites: influence des procédés de nanocristallisation sur les performances des cellules PK pour une integration tandem

Département des Technologies Solaires (LITEN)

Laboratoire des Cellules Tandem

Caractérisations avancées des matériaux (DRX), photovoltaïque, chimie inorganique

01-10-2021

SL-DRT-21-0526

noella.lemaitre@cea.fr

Energie solaire pour la transition énergétique (.pdf)

Après plusieurs décennies de développement, les cellules PV à base de silicium cristallin (Si) présentent un degré de maturité élevé et leurs performances tendent maintenant vers leur limite pratique. Une stratégie permettant de dépasser cette limite consiste à réaliser des cellules multi-jonctions en associant une sous-cellule silicium avec une sous-cellule à plus large bande interdite (1,6 - 1,7 eV vs 1.12 eV pour le silicium) présentant des performances élevées. La famille des pérovskites hybrides halogénées à base de plomb (Structure de type ABX3) peut satisfaire ces caractéristiques. Ce type de matériaux peut être intégré par voie solvant à basse température dans des dispositifs photovoltaïques et conduire à des rendements potentiels dépassant les 30% en configuration tandem avec une cellule silicium. Pour cela, le contrôle de la cristallisation de la pérovskite à partir de la formulation de précurseurs est évidemment crucial. Par ailleurs, le développement de méthode de mise en ?uvre de cette pérovskite pouvant être mise à l'échelle est un verrou majeur vers un déploiement de cette technologie. Une stratégie développée au CEA consiste à initier la cristallisation par une trempe avec un flux de gaz. L'objectif de la thèse est donc d'étudier les mécanismes de nano cristallisation des couches pérovskites mises en ?uvre via ce procédé, avec pour but une intégration efficace dans les dispositifs tandems.

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Cellules et modules silicium pour l'environnement spatial : compréhension des mécanismes de dégradation et optimisation des performances

Département des Technologies Solaires (LITEN)

Laboratoire des applications modules

Master 2 matériaux

01-10-2021

SL-DRT-21-0879

romain.cariou@cea.fr

Energie solaire pour la transition énergétique (.pdf)

La thèse s'effectuera à l'interface de plusieurs laboratoires du Département des Technologies Solaire (DTS) du CEA situé au Bourget du Lac sur le campus de l'Institut National pour l'Energie Solaire (INES). L'objectif de cette thèse est d'améliorer la tenue aux conditions environnementales (radiations, e/H+, UV, cyclage thermique) des générateurs solaires spatiaux à base de cellules solaires silicium, et de mieux comprendre les mécanismes de dégradations cellules/matériaux associés. En contrôlant finement la fabrication des cellules (dopage, impureté, architecture, etc.) et des modules (Matériaux, épaisseur, architecture, piégeage optique, etc.), il est possible d'améliorer la performance des modules Silicium en fin de vie tout en conservant un prix (?/W) compétitif, inférieur de 1 à 3 ordre de grandeur à des modules III-V spatiaux.

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Vers une amélioration de la fiabilité des modules Photovoltaïques par des approches couplées expérimentale et numérique

Département des Technologies Solaires (LITEN)

Laboratoire des applications modules

compétences en mécanique des matériaux, modélisation numérique

01-09-2021

SL-DRT-21-0913

bertrand.chambion@cea.fr

Energie solaire pour la transition énergétique (.pdf)

La performance et la durée de vie des modules photovoltaïques (PV) dépendent en partie de leur capacité à résister à différentes contraintes environnementales, dont celles liées aux phénomènes thermomécaniques. Si ce constat est vrai pour les modules dits « classiques », installés en centrale PV, il est amplifié pour des centrales installées dans des zones géographiques à climat spécifique, et devient dimensionnant et critique pour le développement de modules innovants pour des applications à environnements sévères. L'objectif du travail de recherche est d'améliorer la fiabilité et la durée de vie des modules photovoltaïques par la simulation thermomécanique, en anticipant l'évolution des niveaux de contraintes internes aux cours de la vie des modules PV. Pour une application donnée, cette compréhension permettra d'ajuster l'état thermomécanique initial d'un module après fabrication, pour optimiser sa durée de vie. Pour cela, un premier travail consistera à intégrer les travaux existants au sein des équipes, particulièrement sur les modèles thermomécaniques liés à la fabrication des modules PV (initial à t0), mais également sur les outils moyens de caractérisation matériaux disponibles, pour déterminer l'évolution des caractéristiques matériaux au cours des vieillissements. Dans un second temps, un modèle thermomécanique sera construit, vérifié par des essais expérimentaux et permettra d'intégrer l'évolution des propriétés matériaux au cours de la vie du module PV. Enfin la prise de recul scientifique sur ces deux premières phases de travail, aboutira à un outil capable de prédire l'état thermomécanique optimal d'un module à t0 (via le procédé de fabrication), permettant d'optimiser la durée de vie de celui-ci pour une application donnée.

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Interconnexion limitant ou supprimant l'utilisation de matériaux critiques pour diminuer l'empreinte environnementale du photovoltaïque

Département des Technologies Solaires (LITEN)

Laboratoire des applications modules

Génie des Procédés / Matériaux et caractérisation / Interfaces / Electronique

01-10-2021

SL-DRT-21-0966

vincent.barth@cea.fr

Energie solaire pour la transition énergétique (.pdf)

L'industrie photovoltaïque (PV) consomme à elle seule près de 10% de la production mondiale d'argent (donnée 2019) et sa croissance continue et rapide risque de créer un problème à court terme. L'argent est principalement utilisé lors de l'interconnexion des cellules photovoltaïques, notamment pour leur métallisation. Les cellules à hétérojonction permettent aujourd'hui d'obtenir les plus hauts rendements et de meilleures performances en température. Ces caractéristiques permettent d'obtenir un très faible coût de l'énergie électrique produite. Toutefois elles nécessitent l'utilisation de pâte d'argent basse température qui sont moins conductrices et qui ne peuvent pas facilement être brasées. De ce fait, il est nécessaire d'en déposer plus et la problématique de la consommation d'argent est encore amplifiée. Différentes approches peuvent être envisagées pour résoudre ce problème. L'augmentation du nombre de fils, la découpe des cellules ou l'utilisation de méthode de brasage basse température sont de premières solutions. Le remplacement de l'argent par d'autres particules conductrices constituent une autre voie. La thèse se propose d'explorer les différentes approches et après une analyse LCA (Analyse du Cycle de Vie), de développer la plus intéressante pour un développement durable du PV.

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