Les panneaux ou capteurs solaires photovoltaïques :
Fonctionnement, Informations techniques : Comment ça marche ?
Les panneaux solaires photovoltaïques regroupent des cellules
photovoltaïques reliées entre elles en série et en parallèle.
Ils peuvent s'installer sur des supports fixes au sol ou sur des
systèmes mobiles de poursuite du soleil appelés trackers ou héliostats,
dans ce dernier cas la production électrique augmente d'environ 30 % par
rapport à une installation fixe. La plupart des installations fixes se
font actuellement plutôt sur les toits des logements ou des bâtiments,
soit en intégration de toiture, soit en surimposition. En ville, on
commence à poser des panneaux verticaux en façade d'immeuble, cette
inclinaison n'est pas optimum pour la production d'électricité, mais
comme ces panneaux remplacent le revêtement de façade, l'économie
réalisée sur le revêtement compense une production plus faible.
Qu'est ce qu'un Module solaire photovoltaïque ?
Un module solaire photovoltaïque (ou panneau solaire photovoltaïque) est
un générateur électrique de courant continu constitué d'un ensemble de
cellules photovoltaïques reliées entre elles électriquement, qui sert de
module de base pour les installations photovoltaïque et notamment les
Centrales solaires photovoltaïques.
Caractéristiques
Les panneaux sont généralement des parallélépipèdes rectangles rigides
minces (quelques centimètres d'épaisseur), dont la longueur et la
largeur sont de l'ordre du mètre, pour une surface de l'ordre du m², et
une masse de l'ordre de la dizaine de kg. Divers éléments (branchements
électriques, fixations, éventuellement cadre pour assurer une
étanchéité) sont inclus.
Il existe également des modules sous forme de membranes souples et
résistantes, ainsi que des panneaux à concentration, plus complexes mais
exploitant mieux l'élément le plus cher du panneau (la cellule
photovoltaïque).
Leur rendement est un peu moindre que celui des cellules qui les
constituent, du fait des pertes électrique internes et des surfaces non
couvertes, mais reste d'environ 10 à 15%. La puissance "crête" d'un
panneau photovoltaïque est de l'ordre de 100 à 200 watts par mètre carré
(soit un rendement de 10 à 20%, les fabricants annonçant environ 15 %
pour leurs meilleurs panneaux), ce qui donne une puissance crête de 50 à
250 W par panneau, selon sa taille et ses autres caractéristiques. Cette
puissance est livrée sous forme de courant continu, ce qui est parfait
pour un branchement sur une batterie et pour de nombreuses applications,
mais implique une transformation en courant alternatif par un onduleur
s'il s'agit de l'injecter dans un réseau de distribution. La tension
dépend du type des panneaux et du branchement des cellules, elle est de
l'ordre de 10 à 100 volts.
Outre sa puissance et sa surface, un panneau a trois caractéristiques
importantes
> l'écart à la puissance nominale, de l'ordre de +/-
5%
> la variation de puissance avec la température
(plus de détails dans le paragraphe Pertes de production)
> la stabilité dans le temps des performances (les
fabricants garantissent généralement au moins 80% de la puissance de
départ au bout de 20 à 25 ans)
L'énergie réellement captée par un module dépend, de la surface et de la
puissance nominale du panneau mais aussi de l'ensoleillement, variable
selon la latitude, la saison, l'heure de la journée, la météo, le
masquage subi, etc. En Europe, chaque W c (watt crête) permet la
production d'environ 1kWh d'énergie sur l'année, le double dans des
zones bien ensoleillées et avec un héliostat.
Un module photovoltaïque ne génère aucun déchet en fonctionnement, son
coût de démantèlement est très faible et ses coûts d'exploitation sont
quasi nuls. Étanche, il peut servir de couverture à un toit, sous
réserve de bien maîtriser l'écoulement d'eau aux bords avec un montage
adapté. La durée de vie d'un tel module est supérieure à 20 ans.
3 technologies différentes
Ce sont les cellules à base de silicium qui sont actuellement les plus
utilisées, les autres types étant encore soit en phase de
recherche/développement, soit trop chers et réservés à des usages où
leur prix n'est pas un obstacle. On distingue en outre, en fonction des
technologies utilisées :
Silicium monocristallin : les capteurs photovoltaïques sont à
base de cristaux de silicium encapsulés dans une enveloppe plastique.
Silicium polycristallin : Les capteurs photovoltaïques sont à
base de polycristaux de silicium, notablement moins coûteux à fabriquer
que le silicium monocristallin, mais qui ont aussi un rendement un peu
plus faible. Ces polycristaux sont obtenus par fusion des rebuts du
silicium de qualité électronique.
Silicium amorphe : les panneaux « étalés » sont réalisés avec du
silicium amorphe au fort pouvoir énergisant et présentés en bandes
souples permettant une parfaite intégration architecturale.
Production électrique : données météorologiques
Une surface exposée au soleil reçoit, à un instant donné, un rayonnement
solaire en W/m², qui est un flux, une puissance par unité de
surface. Ce flux varie au passage d'un nuage, selon les heures de la
journée, etc. Au bout d'une journée, ce flux a produit une énergie
journalière ou rayonnement solaire intégré, en Wh/m² par jour.
Grâce aux stations météorologiques, il est possible de connaître le
rayonnement solaire intégré en kWh/ m² .jour ; mais la
connaissance de la production d'un panneau solaire par heure n'est
finalement pas vraiment nécessaire car nous pouvons déjà réaliser un
dimensionnement assez précis avec 12 valeurs de rayonnement solaire
seulement : les valeurs moyennes de l'énergie solaire journalière, pour
chaque mois de l'année, dans le plan des modules photovoltaïque. Pour un
dimensionnement plus rapide, on se servira de la valeur la plus faible
de la période de fonctionnement de l'application.
Production électrique : méthodes et formules de calculs
Un module photovoltaïque se caractérise avant tout par sa puissance
maximale ou puissance crête P max (W).
Cette valeur de puissance correspond à la valeur obtenue dans les
conditions STC* (1000 W/m² à 25°C), si le module est
exposé dans ces conditions STC, il va produire, à un instant donné, une
puissance électrique égale à cette puissance crête.
Si cela dure N heures, il aura produit pendant ce laps de temps une
énergie électrique E elec égale à N x P max
*STC est l’acronyme de Standard Tests Conditions en anglais
(Conditions standard de test)
Le rayonnement n'étant jamais constant pendant une journée
d'ensoleillement, il n’est donc pas exact d’appliquer strictement cette
formule.
Le calcul suivant, couramment répandu et utilisé pour simplifier la
méthode de calcul n’est donc pas exact :
P max = 50 Watts
Durée d’une journée = 10 heures
Production obtenue = 50 (W) * 10 (h) = 500Wh d’énergie
En effet, ce calcul ne tient absolument pas compte d’une donnée
essentielle : le rayonnement au cours de cette journée est loin
d'être égal à 1000 W/m² en permanence.
Rappelons en effet qu'à cette valeur normalisée de 1000 W/m²
correspond un rayonnement solaire intense.
Afin de calculer quelle est la production d’un module photovoltaïque
pendant une journée d'ensoleillement caractérisée par un facteur
d'ensoleillement en Wh/m² .jour, nous allons assimiler cette
énergie solaire (E sol) au produit du rayonnement instantanée
1000 Wh/m² par un certain nombre d'heures que l'on appelle nombre
d'heures équivalentes : E sol = N * 1000
Donc, pour obtenir la production du module photovoltaïque pendant une
journée, nous allons multiplier la puissance crête ou puissance max du
panneau par le nombre d'heures équivalentes de cette journée :
E elec est la quantité d’énergie électrique produite dans la
journée (exprimée en Wh/jour)
N e est le nombre d'heures équivalentes (heures/jour)
P max est la puissance maximale ou puissance crête (Watts)
Cependant, ce calcul n'est vrai que pour un panneau isolé, exposé dans
des conditions idéales. Il ne tient pas compte des pertes inévitables
d'un système complet dans les conditions réelles. Il convient donc
d'ajouter un coefficient de pertes C p celui-ci varie entre
0,65 et 0,9 selon les cas.
Le calcul pratique de la production d'un module photovoltaïque devient
donc en terme de courant :
E elec = E sol x I mp x C p
E elec est la quantité d’énergie électrique produite dans la
journée (exprimée en Ah/jour)
E sol est l’ensoleillement journalier (exprimé en KWh/m² .jour)
I mp est le courant (ou intensité) mesuré à la puissance maximale
STC du module photovoltaïque (exprimé en Ampères)
C p est le coefficient de pertes en courant.
Exemple da calcul pour une station de 650W située au Maroc
Un site qui demande une puissance de 650 W, aura un besoin journalier
(24h) en énergie (Wh) égale à :
En termes d'Ah, la consommation (C), si l’on considère que la tension du
dispositif est de 48V, sera égale à :
Pour calculer la charge électrique produite par un panneau solaire
pendant une journée on aura besoin de l'ensoleillement et du coefficient
de pertes ; supposons que l'ensoleillement le plus défavorable au Maroc
est de 4.129 kWh/m 2 .jour, et que le coefficient de perte est de 0.95 :
E elec = 4,129*7,39*0,95 = 28,99 Ah
Il nous faudra donc calculer le nombre de panneaux solaires à coupler en
parallèle (puisque c'est l'Ah) égale à N = E(325/28,99) + 1, soit
un nombre de panneaux solaires de N = 12.
Sachant que chaque panneau solaire délivre une tension de 12V, nous
aurons donc besoin de quatre panneaux pour chaque série afin d’obtenir
une tension de 48V : le total des panneaux solaires nécessaires est donc
: 4*12 = 48 panneaux solaires
A partir de là, il est possible d'estimer une productivité électrique
annuelle. Les valeurs qui suivent sont indicatives et approximatives,
car ce type de mesure est très sensible aux conditions et conventions
adoptées : avec ou sans héliostat (tracker), avec ou sans les pertes de
l'onduleur, en moyenne sur une région ou sur un lieu-dit
particulièrement propice, etc. en kWh/Wc/an et pour une surface inclinée
de façon optimale.
Sources de pertes énergétiques
Les principales sources de pertes énergétiques sont :
> Pertes par ombrage : L'environnement d'un module
photovoltaïque peut inclure des arbres, montagnes, murs, bâtiments, etc.
Il peut provoquer des ombrages sur le module ce qui affecte directement
l'énergie collectée.
> Pertes par "poussière ou saletés" : Leur dépôt
occasionne une réduction du courant et de la tension produite par le
générateur photovoltaïque (~3-6%)
> Pertes par dispersion de puissance nominale : les
modules photovoltaïques issus du processus de fabrication industrielle
ne sont pas tous identiques. Les fabricants garantissent des déviations
inférieures de 3% à 10% autour de la puissance nominale.
> Pertes de connexions : La connexion entre modules
de puissance légèrement différentes occasionne un fonctionnement à
puissance légèrement réduite. Elles augmentent avec le nombre de modules
en série et en parallèle (~3%)
> Pertes angulaires ou spectrales : Les modules
photovoltaïques sont spectralement sélectifs, la variation du spectre
solaire affecte le courant généré par ceux-ci. Les pertes angulaires
augmentent avec l'angle d'incidence des rayons et le degré de saleté de
la surface.
> Pertes par chutes ohmiques : Les chutes ohmiques
se caractérisent par les chutes de tensions dues au passage du courant
dans un conducteur de matériau et de section donnés. Ces pertes peuvent
être minimisées avec un dimensionnement correct de ces paramètres.
> Pertes par température : En général, les modules
perdent 0,4 % par degré supérieur à sa température standard (25ºC en
conditions standard de mesures STC). La température d'opération des
modules dépend de l'irradiation incidente, la température ambiante et la
vitesse du vent (5% a 14%)
> Pertes par rendement DC/AC de l'onduleur :
L'onduleur peut se caractériser par une courbe de rendement en fonction
de la puissance d'opération (~6%)
> Pertes par suivi du point de puissance maximum :
L'onduleur dispose d'un dispositif électronique qui calcule en temps
réel le point de fonctionnement de puissance maximum (3%)
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aides financières proposées par l'état ? Les
panneaux solaires, comment ça marche ?
