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 œuvre de l’installation et d’autres l’adaptation de la typologie du système aux contraintes du site.
Sommaire :
Performances de l’onduleur
La performance de l’onduleur est 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-à-vis de la puissance du champ 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 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 93 à 97% (onduleurs avec transformateur). Toutefois, ces valeurs peuvent varier sensiblement avec la tension d’entrée considérée, et décroître 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.
Pour en savoir plus, voir article :le rendement des onduleurs.
Choix de la puissance onduleur
D’une manière générale, un onduleur sera d’autant plus efficace qu’il fonctionne à charge élevée. De plus, il sera moins coûteux et moins lourd si sa puissance est moindre. Il s’agit donc de trouver l’optimum entre la capacité de transfert d’énergie sans écrêtage du composant et la puissance délivrée par le champ photovoltaïque en fonctionnement. Cette dernière sera bien différente de la puissance crête (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 choisira un dimensionnement de la puissance 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 modules en série et la technologie. Par temps froid et si le nombre de modules 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 modules 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 champ photovoltaïque soit inclue dans la fenêtre d’entrée de l’onduleur et ce sur l’ensemble des températures atteignables (-10 à +70°C généralement). 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.
Pour en savoir plus, voir article :Points clés de performance des onduleurs.
- 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 NF C15-100 accepte des chutes de tension dans les câbles de 3% pour des installations de consommation en basse tension, pour la production photovoltaïque, on limitera cette valeur à 1%, que ce soit du côté modules (courant continu) ou en aval de l’onduleur (courant alternatif). Cette valeur est d’ailleurs adoptée par le guide UTE C15-712-1.
Influences des masques
Les masques, lointains ou proches, créent un ombrage et diminuent ainsi le rayonnement direct incident sur le champ photovoltaïque . 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, appelés "relevés de masques" (voir article sur l’estimation de la production).
- La règle des 18°
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 modules dans une zone dont le périmètre correspond 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. Ce type d’appareil, de part son coût, est réservé aux professionnels.
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 d’élévation. 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 des caractéristiques différentes (même très peu) pouvant créer des déséquilibres lors de leur association au sein d’un champ photovoltaïque. On appelle cette différence de performance entre modules d’une branche ou entre branches mises en parallèles le "mismatch". Ces déséquilibres dégradent le MPP (point de performance maximal) des séries de modules 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 sont triés selon leur courant de MPP dès que la tolérance de puissance individuelle des modules dépasse 8%. Ce tri s’effectue 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 permet de minimiser la perte engendrée par les masques. En effet, on cherchera à 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 utiles
Liens internes :
- Le rendement des onduleurs
- Points clés de performance des onduleurs
- Estimation de la production, utilisation des relevés de masques
http://www.photovoltaique.info/Points-cles-pour-une-installation.html#Tempraturedesmodules
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