Rendement d’un système photovoltaïque

Comme tout système de conversion d’énergie, une installation photovoltaïque est caractérisée entre autres par son rendement. Nous allons voir ici comment exprimer ce rendement indépendamment des diverses typologies de systèmes photovoltaïques rencontrées. Le calcul de ce rendement permet alors de rendre compte de la qualité de fonctionnement d’une installation.

Le fonctionnement d’une installation photovoltaïque est décrit par l’équation suivante :

• E [kWh/an] : Energie électrique produite en aval du système sur un an.
• Hi [kWh/m².an] : Irradiation globale reçue dans le plan des modules
• S [m²] : Surface du champs de module photovoltaïque
• η : rendement global du système

Le rendement global du système inclut l’ensemble des pertes provoquées par ses composants, des modules jusqu’au point d’injection du 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) sur le réseau de distribution. Il peut être séparé en deux si l’on souhaite extraire le rendement des modules en conditions de tests standard (STC, dans la littérature anglophone) :

avec

• ηstc : rendement des modules dans les conditions standard (1000 W/m² à 25°C).
• ηsystème : autres rendements caractérisants la typologie de l’installation (type d’intégration mais aussi onduleur Onduleur Transforme le courant continu produit par un champ photovoltaïque en courant alternatif identique à celui du réseau de distribution. , pertes dans les câbles). Ce rendement se situe entre 0,7 et 0,8 pour des installations classiques.
• Pc [Wc] : 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. du champ photovoltaïque
• Gstc [W/m²] : Valeur standard d’éclairement utilisée par les fabricants pour caractériser un module photovoltaïque lors de sa fabrication. Elle est égale à 1000 W/m².
• S [m²] : Surface du champ de module photovoltaïque

En synthétisant les équations et si on exprime la puissance en kWc plutôt qu’en Wc, on obtient l’équation :

La production photovoltaïque dépend donc de 3 composantes : l’irradiation reçue, la puissance crête et le rendement du système appelé aussi ratio de performance (PR, dans la littérature anglophone). C’est ce dernier coefficient qui peut être utilisé pour quantifier la performance d’un système. Son utilisation permet d’obtenir un indicateur de performance indépendant de la puissance crête du système, de sa localisation géographique et des orientation et inclinaison du champ. Le ratio de performance d’un système fonctionnant de manière satisfaisante se situe autour de 0,75. Les éléments dont dépend ce coefficient sont :

• le rendement de l’onduleur et son adaptation aux caractéristiques du champ photovoltaïque.
• la présence de masques (proche et lointain)
• les pertes dans les câbles
• la température de fonctionnement des modules
• la qualité d’appairage des modules selon leurs caractéristiques réelles (mismatch)
• la typologie de câblage des séries de modules tenant plus ou moins compte des masques proches
• la tolérance sur la puissance crête de l’installation (divergence entre puissance théorique nominale et puissance réellement installée)

Lors du dimensionnement d’un système, on s’attachera à maximiser ce coefficient, alors que les autres termes de la dernière équation (Hi et Pc) seront uniquement affectés par la localisation, l’inclinaison et l’orientation du champ, le type et la surface de modules employés.