Points clés pour une installation plus performante

La conception d’une installation photovoltaïque efficace nécessite la prise en compte de plusieurs points de détails ayant une influence directe sur le ratio de performance du système. Les aspects à considérer sont multiples. Certains concernent l’association des composants entre eux, d’autres la mise en oeuvre de l’installation et d’autres l’adaptation de la typologie du système aux contraintes du site. Nous allons passer en revue ces points clés pouvant devenir des sources de pertes si ils sont négligés.

Performances de l’onduleur Onduleur Transforme le courant continu produit par un champ photovoltaïque en courant alternatif identique à celui du réseau de distribution.

La performance de l’onduleur va être sa capacité à restituer l’énergie présentée à son entrée avec un minimum de perte. Au sein du système photovoltaïque, les pertes engendrées par l’onduleur dépendent de 4 facteurs :

• son rendement intrinsèque
• sa puissance nominale vis-a-vis de la puissance du champs photovoltaïque
• son adaptation à la plage de tension des modules, fortement dépendante de la température atteinte par ceux-ci
• sa température de fonctionnement

Rendement intrinsèque

Plusieurs valeurs de rendement sont données dans les fiches techniques des onduleurs. Bien que les valeurs élevées des rendements maximums soient séduisantes, ce sont les valeurs du rendement européen Rendement européen Rendement pondéré d’un onduleur pour différentes puissances d’entrée (ensoleillements). Cette grandeur, adoptée par les principaux fabricants, permet de comparer l’efficacité des onduleurs de marques différentes. Cette caractéristique est donnée par la formule :

ηeuro = 0,03 x η5% + 0,06 x η10% + 0,13 x η20% + 0,1 x η30% + 0,48 x η50% + 0,2 x η100%

avec ηXX% indiquant les rendements mesurés à XX% de la puissance nominale de l’onduleur. qui seront plus proches de la réalité du fonctionnement de l’élément. En effet, ces valeurs intègrent le fait que l’onduleur fonctionne à charge réduite une bonne partie du temps du fait des variations d’ensoleillement. A ce jour, les performances annoncées sont de l’ordre de 92 à 96% (onduleurs avec transformateurs). Toutefois, ces valeurs peuvent varier sensiblement avec la tension d’entrée considérée, et décroitre si l’onduleur fonctionne dans un milieu à température ambiante élevée. Si un isolement galvanique n’est pas requis, quelques points de rendements pourront être gagnés grâce à l’utilisation d’onduleurs sans transformateur.

Choix de la puissance onduleur

Un onduleur sera d’autant plus efficace s’il fonctionne à charge élevée. De plus, il sera moins couteux et moins lourd si sa puissance est moindre. Il s’agit donc de trouver l’optimum entre la capacité de transfert d’énergie sans écretage du composant et la puissance délivrée par le champs PV en fonctionnement. Cette dernière sera bien différente de la puissance crête Puissance crête Valeur de référence permettant de comparer les puissances des panneaux entre elles. La puissance crête est obtenue par des tests effectués en laboratoire, sous une irradiation de 1 000w/m², une température de 25°, la lumière ayant le spectre attendu pour une pression atmosphérique de 1,5 AM. (presque toujours inférieure sous nos latitudes) et proportionnelle à l’éclairement. Pour un site donné et pour une année, si on analyse la distribution de la puissance atteinte, on s’aperçoit que celle-ci dépasse rarement 80% de la puissance crête et que la contribution énergétique des puissances supérieures est très faible (inférieure à la contribution des basses irradiances) Pour prendre en compte ce phénomène, on pourra choisir un dimensionnement de l’onduleur compris entre 80% et 100% de la puissance crête de l’installation.

Plage de tension d’entrée

Les onduleurs présentant une plage de tension d’entrée limitée, celle-ci devra être compatible avec la tension des séries de modules quelque soit la température, le nombre de module en série et la technologie. Par temps froid et si le nombre de module est trop élevé, la tension des séries peut dépasser la limite supérieure de la plage d’entrée de l’onduleur et provoquer une destruction de celui-ci. Ceci arrivera par exemple lorsque l’onduleur est déconnecté du réseau (panne ou disjonction), la tension appliquée à l’onduleur sera alors la tension à vide (Voc) augmentée par la température. Pour des températures élevées et un nombre de module trop faible, la tension risque d’être trop basse et conduire à un régime de faible rendement ou un arrêt du système. On veillera donc à ce que la gamme de tension du champs photovoltaïque soit inclue dans la fenêtre d’entrée de l’onduleur et ce sur l’ensemble des températures atteignables (-10 à +70°C pour l’Allemagne). En plus de ces conditions minimales pour un fonctionnement correct de l’onduleur, on préfèrera des tensions d’entrée qui soient dans la plage de rendement maximum des onduleurs sélectionnés

Variation du rendement d’un onduleur en fonction de sa tension d’entrée et puissance en entrée

Exemple pour un onduleur SMA d’après Baumgartner 2005

Pertes dans les câbles

Alors que la norme NFC 1500 accepte des chutes de tension dans les câbles de 3% pour des installations de consommation en basse tension, pour la production, on limitera cette valeur à 1% dans le cas du photovoltaïque, que ce soit du côté modules (courant continu Courant continu Courant électrique dû au mouvement de charges électriques qui circulent toujours dans une même direction ) ou en aval de l’onduleur (courant alternatif Courant alternatif ou AC (alternative courant en Anglais). C’est un courant périodique représenté par une sinusoïdale et dont le sens change régulièrement. Il est caractérisé par sa fréquence exprimée en hertz (Hz) ). Cette valeur est d’ailleurs adoptée par le guide UTE 15712

Influences des masques

Les masques, lointains ou proches, ont une influence sur un champ photovoltaïque en occultant tout ou partie du rayonnement direct incident. En plus de la perte d’énergie engendrée par la moindre irradiation, le photovoltaïque réagit de manière sensible aux ombrages. En effet, lorsqu’une cellule est ombragée, elle devient équivalente à une résistance et absorbe à ce titre l’énergie débitée par les cellules voisines non ombragées. Cette énergie se transforme alors en chaleur et risque de dégrader la cellule masquée (effet point chaud) Afin de lutter contre ce phénomène, les modules intègrent des diodes de by-pass placées en parallèle des cellules et dont le rôle est de détourner le courant provenant des autres cellules. Cet effet qui se produit au niveau d’une cellule peut aussi se retrouver de la même manière à l’échelle d’une série de modules. Lors de la planification d’un système , il est donc important de prendre en compte tout obstacle susceptible d’ombrager le champ photovoltaïque et d’en écarter les surfaces actives autant que possible.

Les masques lointains sont définis comme étant ceux générés par les bâtiments et autres obstacles bordant la parcelle (constructions, montagnes, végétation…) Les masques proches sont ceux créés par les éléments du bâtiment lui-même (cheminées, tourelles de ventilation, acrotères…) situés à proximité du champ photovoltaïque. L’ombrage mutuel des séries de capteurs lorsqu’elles sont trop proches les unes des autres est aussi considéré comme masque proche. Pour quantifier les masques lointains, on utilisera des relevés sur sites reportés sur des diagrammes de courses du soleil (voir article sur l’estimation de la production). En ce qui concerne les masques proches on utilisera une modélisation en 3 dimensions (longueur, largeur et élévation des obstacles) de l’environnement proche des modules lors de la simulation de production. De manière plus intuitive, on pourra utiliser aussi la règle des 18°. Cette règle consiste à interdire la pose de module dans une zone dont le périmètre correspondant à 3 fois (tan 18°) la hauteur de l’obstacle autour de celui-ci. La perte d’énergie engendrée sera alors négligeable car l’ombre se produira uniquement lorsque le rayonnement solaire marquera un angle inférieur à 18° avec l’horizontal.

Une troisième solution pour caractériser les masques consiste en l’utilisation d’appareils dédiés dotés d’une lentille « œil de poisson » venant à l’emplacement futur des modules et retranscrivant les masques « perçus » par les capteurs. Cette solution convient à la fois pour des masques lointains et proches si l’installation n’est pas trop grande.

Température des modules

La température de fonctionnement a une influence très nette sur la performance des modules. Les caractéristiques données par les constructeurs annoncent des valeurs de dégradation de puissance de l’ordre de 0,4 % par °C. Les températures atteintes vont dépendre bien sûr de la rigueur du climat mais aussi du mode d’intégration favorisant ou non la ventilation du module lors de son fonctionnement. On favorisera les solutions bien ventilées pour obtenir une meilleure production.

Mesure de l’influence de la température sur la puissance d’un système de 12,7 kWc

D’après Hespul - Soleil marguerite

Appairage des modules

Les modules présentent naturellement une dispersion dans leur caractéristiques pouvant créer des déséquilibres lors de leur association au sein d’un champ photovoltaïque (mismatch). Ces déséquilibres dégradent le MPP Point de puissance maximum (PPM ou MPP en anglais - "maximum peak power") Pour un éclairement donné, c’est le régime de fonctionnement pour lequel un module PV ou une série de modules fournit le maximum de puissance (point sur la caractéristique U-I). Les onduleurs disposent d’un dispositif de suivi de ce point (MPP tracker en anglais) pour maximiser la quantité d’énergie produite. des séries de module et conduisent à une baisse d’énergie exploitable. Afin de limiter ce phénomène, on triera les modules associés afin d’avoir des courants les plus homogènes possibles. En fonction de la tolérance sur les puissances, cette pratique pourra réduire les pertes par mismatch de 1,5% à 0,4% pour une dispersion de 10%. En pratique, les modules seront triés selon leur courant de MPP dès que la tolérance de puissance dépassera 8% (source Herrmann 2005). Ce tri s’effectuera à partir des caractéristiques mesurées en sortie d’usine par les fabricants (flash test)

Câblage des séries

Un câblage judicieux des séries de module en fonction des ombrages sur l’installation permettra de minimiser la perte engendrée par les masques. En effet, on cherchera a éviter au maximum les différences d’éclairement au sein d’une même série. C’est pourquoi on associera autant que possible les modules ombragés en même temps au sein d’une même série.

Liens internes :

• Estimation de la production, utilisation des relevés de masques