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Performance des modules photovoltaïques

Puissance et rendement des modules

Puissance crête des modules

Dès qu'ils reçoivent une certaine quantité de lumière, les modules se mettent à produire de l'électricité sous forme de courant continu à une tension nominale (mesurée en Volts), dont l'intensité (mesurée en Ampères) augmente avec la quantité de lumière reçue, jusqu'à ce que la puissance délivrée (mesurée en Watts) atteigne son maximum.

La "puissance-crête" est une donnée normative utilisée pour caractériser les cellules et modules photovoltaïques. Elle est mesurée lors d'un test effectué en laboratoire, sous une irradiation de 1 000 W/m2 et à une température de 25°C, la lumière ayant le spectre attendu pour une pression atmosphérique de 1,5 atm.

Flash test d'un module photovoltaïqueFlash test d'un module photovoltaïque©Certisolis

Elle correspond à la puissance que peut délivrer une cellule, un module ou un champ photovoltaïque dans ces conditions standard ou STC. Pour un site donné en France, si on analyse la distribution de la puissance atteinte sur une année, on s'aperçoit que celle-ci dépasse rarement 80% de la puissance crête et que la contribution énergétique des puissances supérieures est très faible.

En pratique, la puissance délivrée par un module varie en fonction de l'énergie solaire reçue – qui dépend du jour, de l'heure, de la météo, de l'orientation du système, etc.- et de sa température (voir article Points clés pour une installation plus performante ). Généralement, la puissance maximale se situe aux alentours de la puissance nominale ou "puissance crête" mais dans des conditions exceptionnelles, par exemple en altitude, cette puissance maximale peut régulièrement dépasser la puissance crête.

Elements d'assemblage augementant la puissance

Diodes bypass

Photographies d'un hotspot (point chaud) sur une cellule photovoltaïque©Antoine FARCOT

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 produite 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, du fait de leur mise en série.

Défauts des modules

La durée de vie d'un module PV est la durée pendant laquelle celui-ci va remplir sa fonction, à savoir la production d'énergie, à un niveau satisfaisant pour le producteur.

Il est communément admis que les modules PV sont fonctionnels pendant 20 à 30 ans. Cette fonctionnalité s'accompagne toutefois d'un vieillissement prévisible et, dans de rares cas, de défaillances. Lorsqu'elles se présentent, celles-ci peuvent être précoces, c'est-à-dire dues au rodage, généralement détectées par l'homologation produit, ou liées à l'usure, et faisant l'objet de la garantie sur la puissance.

En ce qui concerne la dégradation lente des modules, elle est généralement due à une perte de courant de court-circuit liée à la décoloration et la délamination de l'encapsulant menant à une baisse moyenne de la puissance de 0,5 % par an (voir “Compendium of Photovoltaic Degradation Rates”, D.C. Jordan, et al, NREL, 2015).

Rendement des modules

Le rendement des modules varie entre 12 et 20%

Les performances des modules sont variables selon la technologie utilisée et les caractéristiques définies par le fabricant, mais les modules les plus courants délivrent une puissance nominale de quelques centaines de watts sous une tension d'une trentaine ou quarantaine de volts.

En juin 2018, le magazine Photon International définissait le module standard comme un module au silicium cristallin de 60 cellules de rendement 19% encapsulées par de l'EVA, avec du verre en face avant et un film de tedlar en face arrière, un cadre aluminium, d'environ 1 m x 1,6 m et d'une puissance de 280 watts-crête. Leur rendement surfacique ou rendement STC est leur puissance-crête par m2, soit environ 17,5% dans ce cas.

Plusieurs modules peuvent être connectés électriquement entre eux, en série ou en parallèle, de façon à délivrer la puissance et la tension désirée. La puissance totale d'un système photovoltaïque et donc l'énergie qu'il produira est directement proportionnelle au nombre de modules et à leur puissance individuelle.

Les modules qui forment ensemble une série doivent impérativement être installés dans un même plan (même inclinaison par rapport à l'horizontale et même orientation par rapport au Sud), faute de quoi la productivité de l'ensemble s'alignera à tout instant sur le moins ensoleillé des modules, occasionnant ainsi des pertes.

Dernière Mise à jour : 08/02/2019
Article suivant Elements d'assemblage augementant la puissance

verres

L'incidence des rayons lumineux sur les modules photovoltaïques ne permet pas de recueillir l'intégralité de l'énergie: une partie du rayon est réfléchie. Pour diminuer cette "perte", certains modules photovoltaïques sont équipés en face avant de verres spéciaux avec un traitement permettant de retenir (par réfraction) les rayons lumineux .

Sur certains modules, notamment les panneaux photovoltaïques à concentration, on pousse le concept jusqu'à son maximum.

Dernière Mise à jour : 08/02/2019
Article précédent Puissance et rendement des modules
Article suivant Défauts des modules

On retrouve les différents phénomènes entraînant ces défaillances sur l'illustration suivante :

Typologie_défauts_module_IEAPVPS_T13_2017Typologie des défauts module sur leur durée de vie©IEA PVPS T13

Quel que soit le défaut, on observe une modification visuelle du module (décoloration, délamination, taches brunes, cloquage de la face arrière, verre brisé…). Ce constat a incité les experts de la tâche 13 de l'IEA PVPS à élaborer une méthode d'inspection visuelle permettant de corréler ou non des modifications d'aspect à des défauts certains sans passer par des diagnostics coûteux, comme l'électroluminescence, le flash-test ou plus simplement le traceur IV.

Le graphe ci-dessous illustre les différentes défaillances que peut connaître un module PV, avec en haut celles liées à l'usure et en bas celles liées à l'environnement.

IEA PVPS T13Occurrence des défaillances module sur 20 ans d'exploitation

Il convient de préciser que toutes les modifications d'aspect ne sont pas corrélées à une baisse de la puissance. En particulier, la décoloration de l'EVA qui est un phénomène continu (en jaune vif sur le graphe ci-dessus) ne commence à affecter la puissance du module qu'au bout de trois ans et ce, de manière conséquente, qu'après dix-huit ans d'exploitation.

Cette précision faite, on peut constater que les défauts se déclenchent en grande majorité les sept premières années d'exploitation. Parmi ceux-ci, les fissures de cellules sont les plus fréquentes durant les deux premières années. Les défaillances liées au phénomène de PID surviennent dans les trois ou quatre premières années. Le sectionnement des interconnexions a lieu après quatre ans et continue de se produire sur toute la durée de vie du module. Les défauts liés aux diodes by-pass sont révélés durant les dix premières années

Dernière Mise à jour : 08/02/2019
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Performance des modules photovoltaïques

Puissance et rendement des modules

Puissance crête des modules

Dès qu'ils reçoivent une certaine quantité de lumière, les modules se mettent à produire de l'électricité sous forme de courant continu à une tension nominale (mesurée en Volts), dont l'intensité (mesurée en Ampères) augmente avec la quantité de lumière reçue, jusqu'à ce que la puissance délivrée (mesurée en Watts) atteigne son maximum.

La "puissance-crête" est une donnée normative utilisée pour caractériser les cellules et modules photovoltaïques. Elle est mesurée lors d'un test effectué en laboratoire, sous une irradiation de 1 000 W/m2 et à une température de 25°C, la lumière ayant le spectre attendu pour une pression atmosphérique de 1,5 atm.

Flash test d'un module photovoltaïqueFlash test d'un module photovoltaïque©Certisolis

Elle correspond à la puissance que peut délivrer une cellule, un module ou un champ photovoltaïque dans ces conditions standard ou STC. Pour un site donné en France, si on analyse la distribution de la puissance atteinte sur une année, on s'aperçoit que celle-ci dépasse rarement 80% de la puissance crête et que la contribution énergétique des puissances supérieures est très faible.

En pratique, la puissance délivrée par un module varie en fonction de l'énergie solaire reçue – qui dépend du jour, de l'heure, de la météo, de l'orientation du système, etc.- et de sa température (voir article Points clés pour une installation plus performante ). Généralement, la puissance maximale se situe aux alentours de la puissance nominale ou "puissance crête" mais dans des conditions exceptionnelles, par exemple en altitude, cette puissance maximale peut régulièrement dépasser la puissance crête.

Rendement des modules

Le rendement des modules varie entre 12 et 20%

Les performances des modules sont variables selon la technologie utilisée et les caractéristiques définies par le fabricant, mais les modules les plus courants délivrent une puissance nominale de quelques centaines de watts sous une tension d'une trentaine ou quarantaine de volts.

En juin 2018, le magazine Photon International définissait le module standard comme un module au silicium cristallin de 60 cellules de rendement 19% encapsulées par de l'EVA, avec du verre en face avant et un film de tedlar en face arrière, un cadre aluminium, d'environ 1 m x 1,6 m et d'une puissance de 280 watts-crête. Leur rendement surfacique ou rendement STC est leur puissance-crête par m2, soit environ 17,5% dans ce cas.

Plusieurs modules peuvent être connectés électriquement entre eux, en série ou en parallèle, de façon à délivrer la puissance et la tension désirée. La puissance totale d'un système photovoltaïque et donc l'énergie qu'il produira est directement proportionnelle au nombre de modules et à leur puissance individuelle.

Les modules qui forment ensemble une série doivent impérativement être installés dans un même plan (même inclinaison par rapport à l'horizontale et même orientation par rapport au Sud), faute de quoi la productivité de l'ensemble s'alignera à tout instant sur le moins ensoleillé des modules, occasionnant ainsi des pertes.

Elements d'assemblage augementant la puissance

Diodes bypass

Photographies d'un hotspot (point chaud) sur une cellule photovoltaïque©Antoine FARCOT

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 produite 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, du fait de leur mise en série.

verres

L'incidence des rayons lumineux sur les modules photovoltaïques ne permet pas de recueillir l'intégralité de l'énergie: une partie du rayon est réfléchie. Pour diminuer cette "perte", certains modules photovoltaïques sont équipés en face avant de verres spéciaux avec un traitement permettant de retenir (par réfraction) les rayons lumineux .

Sur certains modules, notamment les panneaux photovoltaïques à concentration, on pousse le concept jusqu'à son maximum.

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Défauts des modules

La durée de vie d'un module PV est la durée pendant laquelle celui-ci va remplir sa fonction, à savoir la production d'énergie, à un niveau satisfaisant pour le producteur.

Il est communément admis que les modules PV sont fonctionnels pendant 20 à 30 ans. Cette fonctionnalité s'accompagne toutefois d'un vieillissement prévisible et, dans de rares cas, de défaillances. Lorsqu'elles se présentent, celles-ci peuvent être précoces, c'est-à-dire dues au rodage, généralement détectées par l'homologation produit, ou liées à l'usure, et faisant l'objet de la garantie sur la puissance.

En ce qui concerne la dégradation lente des modules, elle est généralement due à une perte de courant de court-circuit liée à la décoloration et la délamination de l'encapsulant menant à une baisse moyenne de la puissance de 0,5 % par an (voir “Compendium of Photovoltaic Degradation Rates”, D.C. Jordan, et al, NREL, 2015).

On retrouve les différents phénomènes entraînant ces défaillances sur l'illustration suivante :

Typologie_défauts_module_IEAPVPS_T13_2017Typologie des défauts module sur leur durée de vie©IEA PVPS T13

Quel que soit le défaut, on observe une modification visuelle du module (décoloration, délamination, taches brunes, cloquage de la face arrière, verre brisé…). Ce constat a incité les experts de la tâche 13 de l'IEA PVPS à élaborer une méthode d'inspection visuelle permettant de corréler ou non des modifications d'aspect à des défauts certains sans passer par des diagnostics coûteux, comme l'électroluminescence, le flash-test ou plus simplement le traceur IV.

Le graphe ci-dessous illustre les différentes défaillances que peut connaître un module PV, avec en haut celles liées à l'usure et en bas celles liées à l'environnement.

IEA PVPS T13Occurrence des défaillances module sur 20 ans d'exploitation

Il convient de préciser que toutes les modifications d'aspect ne sont pas corrélées à une baisse de la puissance. En particulier, la décoloration de l'EVA qui est un phénomène continu (en jaune vif sur le graphe ci-dessus) ne commence à affecter la puissance du module qu'au bout de trois ans et ce, de manière conséquente, qu'après dix-huit ans d'exploitation.

Cette précision faite, on peut constater que les défauts se déclenchent en grande majorité les sept premières années d'exploitation. Parmi ceux-ci, les fissures de cellules sont les plus fréquentes durant les deux premières années. Les défaillances liées au phénomène de PID surviennent dans les trois ou quatre premières années. Le sectionnement des interconnexions a lieu après quatre ans et continue de se produire sur toute la durée de vie du module. Les défauts liés aux diodes by-pass sont révélés durant les dix premières années

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