Projet de parc solaire à panneaux plats
Financé par le gouvernement américain et dirigé par le Jet Propulsion Laboratory (JPL) de 1975 à 1986, le projet FSA marque la naissance du marché de l'énergie solaire terrestre.
La durée de vie opérationnelle des modules photovoltaïques (PV), qui se mesure en décennies, témoigne de l’innovation technologique et de la rigueur des programmes d’essais. Dans le premier volet d’une série d’articles consacrés aux étapes majeures des essais de fiabilité et de durabilité des modules PV, le RETC revient sur les travaux pionniers menés par le JPL dans le cadre du projet « Flat-Plate Solar Array » (FSA).
Les travaux menés par le JPL dans le cadre du projet FSA ont joué un rôle fondamental dans l'élaboration des essais de durabilité et des normes de performance qui permettent aux modules photovoltaïques de résister à plusieurs décennies d'exposition sur le terrain. En analysant les modes de défaillance probabilistes, les ingénieurs du projet ont défini des essais de qualification de conception qui sont encore utilisés aujourd'hui. De plus, les études menées par les prestataires ont conduit à l'élaboration de normes modernes en matière de sécurité des produits et de sécurité électrique.
RAPPORTER LA TECHNOLOGIE DE L'ÈRE SPATIALE SUR TERRE
Pour décrire le contexte historique de l'époque, les auteurs d'un rapport de 1986 rédigé par un prestataire ont noté : « Au début des années 1970, les pressions liées à la demande croissante en énergie électrique, combinées à l’incertitude concernant les sources de combustible et à la hausse constante des prix du pétrole, ont conduit le gouvernement américain à lancer un projet de recherche et développement (R&D) sur le photovoltaïque terrestre. L’objectif était de réduire le coût de fabrication des cellules et des modules solaires. »
En 1975, des travaux financés par le gouvernement américain ont véritablement démarré afin de produire des modules photovoltaïques à des coûts compétitifs, capables de soutenir un marché solaire terrestre à grande échelle. À l’époque, les modules photovoltaïques de pointe, qui coûtaient plus de 200 dollars/watt (en dollars de 2022), affichaient un rendement de conversion de 5 % à 6 % et une durée de vie opérationnelle de 1 à 2 ans. À titre de comparaison, les modules photovoltaïques commerciaux hautement performants d’aujourd’hui, qui coûtent moins de 0,40 par watt, affichent un rendement de conversion de 22 % à 23 % et une durée de vie utile estimée entre 30 et 40 ans.
Ces améliorations spectaculaires des prix des modules photovoltaïques (baisse de plus de 99,8 %), de leurs performances (hausse de plus de 267 %) et de leur durée de vie (augmentation de plus de 1 400 %) ne sont pas simplement le fruit des progrès technologiques constants liés aux technologies des cellules et à la fabrication des modules. Parallèlement, les acteurs du secteur ont utilisé des approches analytiques mises au point par le JPL pour identifier les modes de défaillance sur le terrain et quantifier le risque lié à la garantie avant la commercialisation à grande échelle.
Une décennie après que le JPL eut déployé pour la première fois des panneaux photovoltaïques sur la Lune, ses scientifiques ont dirigé les efforts américains visant à rendre les panneaux solaires plans rentables dans le cadre d'applications terrestres. [Voir NASA.]
PROGRÈS EN SCIENCES DE L'INGÉNIERIE ET EN FIABILITÉ
Afin de faciliter le développement de modules photovoltaïques à longue durée de vie offrant un bon rapport coût-efficacité dans les futures applications de production d'électricité à grande échelle, le JPL a quantifié les contraintes environnementales associées à deux ou trois décennies d'exposition sur le terrain. Des experts en la matière ont également défini des exigences fonctionnelles détaillées spécifiques à chaque application pour ces modules et ont examiné les aspects liés à l'exploitation et à la maintenance (O&M) à long terme.
Sur la base de ces recherches, l’équipe dirigée par le JPL a notamment défini les probabilités d’impact de grêle sur les modules, les températures de fonctionnement des cellules et des modules, les niveaux d’humidité et d’encrassement, l’exposition aux rayons ultraviolets et les charges dues à la pression du vent. Si les données empiriques et de terrain à long terme faisaient défaut, la rigueur scientifique, elle, était bien présente. Après tout, les scientifiques du JPL ont également été les pionniers de l’utilisation des satellites et des engins d’exploration pour l’exploration spatiale.
En s'appuyant sur les principes de la physique de la fiabilité, le projet FSA a défini des normes de conception types et des méthodes d'essai analytiques qui sont encore utilisées aujourd'hui. Les domaines d'étude prioritaires comprenaient notamment : la fatigue des interconnexions ; l'encrassement des surfaces optiques ; la résistance aux impacts de grêle ; la résistance à la rupture du verre et des cellules ; la résistance des cellules et des modules à la température et à l'humidité ; l'échauffement des points chauds ; la fiabilité des diodes de dérivation ; la rupture de l'isolation électrique ; et l'érosion électrochimique.
Le projet FSA est à l'origine des séquences de tests de résistance encore utilisées aujourd'hui. [Voir JPL.]
PROGRÈS EN MATIÈRE DE CODES ET DE NORMES TYPES
Parallèlement aux travaux fondamentaux menés par le JPL sur la fiabilité et la durabilité des modules photovoltaïques, des experts en la matière ont évalué l’adéquation des codes de construction, de la sécurité électrique, des normes de sécurité des produits et des pratiques de construction courantes. Ayant identifié des lacunes liées au fonctionnement continu et à la limitation de courant des dispositifs photovoltaïques, l’équipe a fait appel à Underwriters Laboratories (UL) pour élaborer des exigences de sécurité des produits dans le domaine de la construction ainsi que des concepts de conception détaillés visant à garantir la sécurité des systèmes.
Les études menées par UL ont abouti à la publication de codes et de normes types qui restent d’actualité aujourd’hui. Sur la base des recherches d’UL, l’édition de 1984 du Code national de l’électricité a introduit l’article 690, intitulé « Systèmes solaires photovoltaïques ». À la fin de la période contractuelle, UL a également publié le document 1703, qui détaille les exigences relatives à la certification des modules photovoltaïques en matière de sécurité électrique.
La conception de modules et l'utilisation de matériaux résistants au feu sont issues du projet FSA. [Voir JPL.]
ENSEIGNEMENTS TIRÉS DU PROJET FSA
L'élan donné au projet FSA trouvera un écho chez tous ceux qui lisent aujourd'hui les gros titres avec inquiétude. Une cinquantaine d'années se sont peut-être écoulées, mais les préoccupations liées à la sécurité énergétique face à l'instabilité mondiale restent au cœur des préoccupations. À l'époque, comme aujourd'hui, le potentiel stratégique d'une adoption généralisée de l'énergie solaire apparaissait comme une voie prometteuse vers un avenir meilleur. Cependant, ce qui pouvait sembler relever de la science-fiction dans les années 1970 est désormais une réalité scientifique.
L'ère de la parité réseau est arrivée. Les scientifiques du JPL ont lancé le premier satellite américain, réalisé le premier alunissage et ont été les premiers à survoler ou à mettre en orbite d’autres planètes du système solaire. Ils ont également estimé les réductions de coûts des modules solaires nécessaires pour favoriser leur adoption massive dans les applications terrestres et supplanter les autres sources de production d’électricité.
Selon les auteurs du rapport du sous-traitant du JPL : « [En] 1975, les coûts étaient encore bien trop élevés pour permettre une utilisation généralisée sur Terre. Il fallait diviser par environ 100 [c'est nous qui soulignons] les coûts de fabrication des cellules solaires pour qu'elles puissent constituer une source d'énergie terrestre pratique et largement utilisée. »
Après ajustement en fonction de l’inflation, le coût des modules photovoltaïques s’élevait à 200 dollars/watt en 1975. En 2012, le coût des modules photovoltaïques aux États-Unis est passé sous la barre des 2 dollars/watt dans tous les segments de marché. Au niveau des installations, les coûts des projets solaires à grande échelle et commerciaux sont inférieurs à 2 dollars/watt depuis 2014 et 2016, respectivement. Aujourd’hui, le solaire est la principale source de nouvelle capacité de production d’électricité aux États-Unis.
Les essais en laboratoire améliorent la fiabilité sur le terrain. Pour concevoir des modules photovoltaïques hautement fiables et dotés d’une longue durée de vie, il est indispensable de s’appuyer fortement sur des séquences d’essais approfondies menées en laboratoire. En identifiant systématiquement les mécanismes de défaillance, les séquences d’essais de contrainte accélérés et les niveaux de défaillance admissibles, l’équipe du JPL a pu améliorer progressivement la durée de vie des modules photovoltaïques en silicium cristallin (c-Si) tout au long du projet FSA.
En 1975, les garanties sur les modules photovoltaïques n’existaient pas ; bien que les fabricants conçoivent ces modules pour une durée de vie de 5 ans, beaucoup tombaient en panne prématurément après seulement un ou deux ans d’exposition sur site. En 1985, la plupart des modules photovoltaïques bénéficiaient d’une garantie de 10 ans et bon nombre d’entre eux fonctionnaient sans problème sur site pendant 20 ans ou plus. S'appuyant sur les travaux pionniers du projet FSA, les modules photovoltaïques actuels ont une durée de vie utile de 30 à 40 ans et sont garantis en conséquence par les fabricants.
Le JPL a eu recours à des essais de vieillissement accéléré pour identifier les faiblesses de conception des modules photovoltaïques. [Voir JPL.]
Les essais de fiabilité doivent être rentables. L'une des conclusions finales tirées des travaux pionniers du projet FSA sur les essais des modules photovoltaïques a été la reconnaissance de la nécessité de mettre en place des programmes d'essais optimisés en termes de coûts. D'une part, les essais jusqu'à la défaillance sont trop coûteux et trop longs pour répondre aux besoins d'un marché caractérisé par une croissance rapide et des innovations technologiques. D'autre part, les essais de qualification et de sécurité, bien que très rentables, ne permettent d'évaluer que la durabilité initiale à court terme.
Dans un article présenté lors de la conférence IEEE PV Specialists Conference de 2013, Gerald Ross a fait le point sur les enseignements tirés du projet FSA du JPL : « [Les essais de durée de vie à long terme] doivent généralement être menés de manière systématique dans le cadre d’un effort de recherche intégré, plutôt que de s’inscrire dans un cycle de développement de produit. L’un des principaux avantages de ce type d’essais est qu’ils fournissent des données permettant d’étayer les prévisions de durée de vie. » Ils ne répondent toutefois pas aux besoins en temps réel des maîtres d’ouvrage et des assureurs.
Dans ses remarques de synthèse, Ross a conclu avec clairvoyance que, bien que les modules photovoltaïques en silicium cristallin (cSi) actuels aient beaucoup en commun avec leurs prédécesseurs des années 1980, « les nouveaux matériaux et procédés utilisés pour la fabrication des modules nécessiteront un programme de fiabilité rigoureux comprenant l'évaluation, les essais et le développement de nouvelles techniques adaptées aux caractéristiques et aux particularités des technologies actuelles ».
Dans prochain volet de cette série d’articles, le RETC se penche sur une autre étape importante dans les essais de fiabilité photovoltaïque : le développement du protocole d’essai « Thresher », la toute première norme commerciale d’essais de fiabilité et de durabilité pour les modules en silicium cristallin (c-Si).
Construite en 1980, la Carlisle House, représentée ici sur une illustration d'artiste, a été la première résidence américaine équipée d'un système photovoltaïque connecté au réseau. [Voir DOE.]
