principes du photovoltaique

Techniques de construction

Construction

Les principes de lnergie solaire photovoltaqueLnergie solaire photovoltaque est un thme au centre de lactualit depuis la prsentation du plan daction du Grenelle de lEnvironnement. Dans le cadre de sa stratgie de dveloppement durable, le gouvernement franais sest engag amliorer la performance nergtique des btiments neufs ou existants en favorisant les nergies renouvelables et en particulier lnergie solaire photovoltaque. Grce aux programmes nationaux offrant des incitations financires (telles que lobligation pour EDF de racheter llectricit des particuliers un tarif attractif), le march franais de la filire du photovoltaque a connu une progression estime 122 % entre 2005 et 2006. Dans le domaine du btiment, de plus en plus darchitectes choisissent le photovoltaque dans leur dmarche HQE. Cette tendance samplifiera probablement avec les progrs accomplis en architecture globale des systmes photovoltaques, savoir lintgration des systmes dans les produits du btiment (1). Lnergie solaire photovoltaque ne doit pas tre confondue avec lnergie solaire thermique (qui produit de la chaleur partir du rayonnement solaire infrarouge afin de chauffer de leau ou de lair). L nergie photovoltaque convertit directement lnergie lumineuse en nergie lectrique par le biais de modules photovoltaques composs de cellules solaires (photopiles). Selon les besoins, llectricit produite peut tre utilise pour lalimentation dun site isol ou revendue en tout ou partie au rseau de distribution. Le prsent document vise donner une information pratique et complte des aspects techniques du fonctionnement du photovoltaque afin de matriser la rentabilit dune installation. La premire partie explique les mcanismes de conversion de la lumire en lectricit. La seconde partie aborde les notions de conception de projet photovoltaque en soulignant les principaux paramtres prendre en compte lors de la mise en uvre de systmes photovoltaques.

> Sommaire1 Principe 2 Mise en uvre dun systme photovoltaque 3 Liste des sigles et abrviations 4 Liste des symboles 5 Bibliographie

1 Principe1.1 Gnralits

Les cellules photovoltaques sont composes de matriaux semiconducteurs qui produisent un courant lectrique sous leffet de photons lumineux. Les cellules photovoltaques sont raccordes entre elles pour former des modules photovoltaques pouvant convertir en lectricit environ 15 % de lnergie solaire reue. Un panneau de 1 m2 fournit une puissance de 100 W et produit de 80 150 kWh/an. Son impact sur lenvironnement est minime, avec un temps de retour nergtique faible : suivant la technologie utilise, un capteur photovoltaque met entre 1,5 3 ans pour produire lnergie ncessaire sa fabrication, ce qui est ngligeable par rapport sa dure de vie (2).(1) Tuiles, ardoises ou couvertures solaires , fentres de toit ou de faade semi-transparentes, et mme des composants multifonctionnels assurant simultanment une ou plusieurs fonctions telles que la rigidit mcanique du btiment, lisolation, la protection solaire, la climatisation, la communication, la captation de lnergie thermique et la production dlectricit photovoltaque. (2) Estime entre 25 et 35 ans selon les fabricants. www.editionsdumoniteur.com | 17

Sylvain BRIGANDIngnieur de formation. Directeur du ple Recherche et Dveloppement du bureau dtudes GAEA Groupe, spcialis dans le domaine de lenvironnement et notamment de lnergie renouvelable.COMPLMENT TECHNIQUE > Mars/Avril 2008

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Le courant continu fourni par les modules photovoltaques est transform en courant alternatif par un onduleur et transfr sur les rseaux du btiment et/ou du distributeur, ou alimente une batterie ( des fins de stockage dnergie). La quantit dnergie produite par linstallation photovoltaque dpend de sa surface, de lorientation et de linclinaison des panneaux, et de lintensit du rayonnement solaire.

1.1.1

Technologie utilise

Plusieurs technologies sont actuellement dveloppes pour raliser des cellules photovoltaques dont les degrs de maturit, de performance et de dure de vie sont trs diffrents. Les principales technologies industrialises en srie ce jour sont le silicium mono- ou polycristallin et le silicium en couche mince. Le silicium est actuellement le matriau le plus utilis pour fabriquer les cellules photovoltaques. Pour le rendre oprationnel, il doit subir au pralable une srie de traitements : un procd de raffinage permettant la rduction du silicium, procd dit mtallurgique pour le rendre pur 99 % ; suivi dune seconde purification chimique pour lui donner toutes les qualits lectroniques ncessaires. Silicium polycristallin

de conversion est faible (de 5 10 %) et les cellules ont tendance se dgrader plus rapidement sous la lumire. L avantage de cette technique est la possibilit dempiler diffrents types de couches de divers matriaux pour former des structures multijonctions de type Cellule tandem (couche mince de silicium amorphe sur silicium cristallin). Ces dernires augmentent davantage la tension de la cellule et diminuent les effets de la stabilisation. Il existe dautres technologies qui commencent tre commercialises et semblent tre une alternative la technologie cristalline : il sagit de la technique de la couche mince pour dautres matriaux que le silicium amorphe tels que le tellure de cadmium (CdTe) et les alliages base de cuivre, dindium et de slnium (CIS ou CIGS).

1.1.2

Application photovoltaque

Il existe deux types de mise en uvre dune installation photovoltaque selon quelle fonctionne de manire autonome ou quelle est raccorde un rseau public de distribution dlectricit. Installation photovoltaque autonome

Il est constitu de plusieurs monocristaux juxtaposs dans diffrentes orientations donnant la cellule un aspect mosaque. Le silicium polycristallin est la technologie la plus rpandue sur le march mondial en raison de son bon rendement (13 %) pour des cots de fabrication matriss. Il offre actuellement un bon rapport qualit/prix. Silicium monocristallin

L installation photovoltaque autonome (fig. 1) produit de llectricit pour un btiment ou un autre consommateur qui nest pas reli au rseau. La plupart de ces installations alimentent des sites loigns de tout rseau public (habitat difficile daccs en montagne ou sur une le par exemple) ou des instruments isols (comme des relais de tlcommunication, boues de signalisation maritime, signalisations autoroutires, etc.). Pour une utilisation en courant continu, un rgulateur lectronique assure la charge dune batterie daccumulateurs (gnralement en 12 V pour les petites installations). Il permet darrter la charge des batteries lorsque celles-ci sont compltement charges et de couper le courant dans le circuit de consommation avant que les batteries ne soient compltement dcharges.

Il est constitu dun seul cristal offrant la cellule un arrangement parfait des atomes. Il prsente un rendement lgrement suprieur au silicium polycristallin (15 %) ; nanmoins, il reste assez onreux en raison de son exigence de grande puret et de limportante quantit dnergie ncessaire sa fabrication. Silicium amorphe en couche mince

Le silicium est dpos en couche mince (spray) sur une plaque de verre ou un autre support ; ce support peut tre souple. Lorganisation irrgulire de ses atomes lui confre, en partie, une mauvaise semi-conduction. Les cellules amorphes sont utilises partout o une solution conomique est recherche ou lorsque trs peu dlectricit est ncessaire, par exemple pour lalimentation des montres, calculatrices, luminaires de secours. Elles se caractrisent par un fort coefficient dabsorption, ce qui autorise de trs faibles paisseurs, de lordre du micron ; a contrario, son rendement18 | www.editionsdumoniteur.com

Fig. 1. Installation photovoltaque autonome.

Les batteries stockent lnergie produite par le champ photovoltaque pour la restituer la demande. Les batteries les plusCOMPLMENT TECHNIQUE > Mars/Avril 2008


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utilises sont au plomb, en raison de leur faible cot et de la simplicit de leur mise en uvre. Si les appareils lectriques utiliss sont prvus pour fonctionner avec du courant alternatif, un onduleur est ncessaire. Installation photovoltaque raccorde au rseau

Les panneaux solaires photovoltaques peuvent tre raccords au rseau de distribution lectrique (fig. 2). Ce raccordement ne peut se faire quaprs transformation, laide dun onduleur, du courant continu de tension variable fourni par les panneaux en courant alternatif adapt aux caractristiques du rseau. Ce systme est actuellement soutenu par les pouvoirs publics. Les installations photovoltaques raccordes au rseau et intgres au bti produisent de llectricit sur le lieu de consommation. Llectricit produite peut tre vendue en totalit ou en partie EDF. Lobligation dachat est un dispositif introduit par larticle 10 de la loi du 10 fvrier 2000 (3) rvis par larticle 36 de la loi de programme du 13 juillet 2005 (4) fixant les orientations de la politique nergtique, qui oblige EDF et les entreprises locales de distribution acheter, sous certaines conditions, llectricit produite par certaines filires de production. Le droit dobligation dachat concerne les installations photovoltaques, sous rserve que la puissance installe ne dpasse pas 12 MW. Larrt du 10 juillet 2006 (5) fixant les conditions dachat de llectricit produite par les installations utilisant lnergie radiative du soleil fixe de nouveaux tarifs

dachat de llectricit et instaure, en outre, une prime lintgration au bti. Cette prime vise faciliter le dveloppement de composants standard de la construction neuve intgrant la fonction de production dlectricit photovoltaque. En mtropole, lnergie produite par ces installations est facture EDF sur la base du tarif de 30 c HT/kWh, avec une production plafonne 1 500 h de production puissance crte ; au-del, lnergie produite est rmunre 5 c HT/kWh. Il existe galement une prime dintgration pour les quipements intgrs au btiment respectant les prescriptions de lannexe du 10 juillet 2006 (6) fixe 25 c HT/kWh, soit un tarif de rachat de 55 c HT/kWh.

1.2

Conversion photovoltaque

Le photovoltaque convertit directement lnergie lumineuse en nergie lectrique. Son principe de fonctionnement repose sur leffet photovoltaque. Ds que la lumire percute un matriau comme le silicium, la conversion dnergie fait intervenir trois phnomnes physiques intimement lis et simultans : labsorption de la lumire dans le matriau ; le transfert dnergie des photons aux champs lectriques ; la collecte des charges. Le silicium constitue un matriau photovoltaque performant : il prsente des proprits optiques et lectriques spcifiques pour assurer la conversion photovoltaque.

Fig. 2. Installation photovoltaque raccorde au rseau. (3) Loi n 2000-108 du 10 fvrier 2000 relative la modernisation et au dveloppement du service public de llectricit, JO du 11 fvrier 2000. (4) Loi n 2005-781 du 13 juillet 2005 de programme fixant les orientations de la politique nergtique, JO du 14 juillet 2005. (5) Arrt du 10 juillet 2006 fixant les conditions dachat de llectricit produite par les installations utilisant lnergie radiative du soleil telles que vises au 3 de larticle 2 du dcret n 2000-1196 du 6 dcembre 2000, JO du 26 juillet 2006.COMPLMENT TECHNIQUE > Mars/Avril 2008

(6) Cf. rf. en note 5. www.editionsdumoniteur.com | 19

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1.2.1

Proprits optiques

Un rayon lumineux form de photons entrant en contact sur un matriau solide subit trois manifestations optiques simultanes (fig. 3) : labsorption ; la rflexion ; la transmission.

une proprit de rflexion adapte (comme laluminium) qui pige la lumire dans le matriau par diffusion de la lumire rflchie sur laluminium. Rexion

La rduction de la rflexion de la lumire se fait en jouant sur les indices de rfraction des matriaux traverss, indices directement dpendants du taux de rflexion des matriaux (fig. 4).

Fig. 3. Les trois vnements optiques dun rayon lumineux.

Pour augmenter le rendement de la conversion photovoltaque, il faut optimiser labsorption du flux solaire tout en rduisant les pertes optiques par rflexion ou par transmission. Absorption

Fig. 4. Taux de rflexion.

Plus la diffrence des indices de rfraction est leve de part et dautre dune surface, plus elle est rflchissante. Par exemple, le silicium brut, dun indice de rfraction de 3,75, au contact direct avec lair (dun indice de rfraction de 1) rflchit 33 % de la lumire incidente, pourcentage trop lev pour assurer un rendement acceptable de la conversion photovoltaque. Le moyen de rduire ce taux de rflexion est dintercaler entre le silicium et lair un empilement optique constitu de matriaux indice de rfraction diffrente afin de diminuer le diffrentiel de rfraction entre lair et le silicium (fig. 5).

Seule la lumire absorbe est restitue sous forme dnergie lectrique. Le matriau photovoltaque utilise diffremment toutes les longueurs dondes du spectre solaire : il se caractrise par sa rponse spectrale, cest--dire lefficacit avec laquelle il transforme lnergie dun rayonnement dune longueur donde en nergie lectrique. Cette efficacit dpend essentiellement des caractristiques du matriau. Ainsi, la courbe dabsorption dune cellule photovoltaque au silicium ne concerne quune partie du rayonnement : celle comprise entre 0,35 et 1,1 m, savoir une partie du rayonnement ultraviolet (0,35 0,40 m), lessentiel du rayonnement visible (0,40 0,70 m) et une partie du rayonnement infrarouge (0,70 1,10 m). Transmission

Selon lpaisseur du matriau, la transmission de la lumire est plus ou moins importante : les cellules au silicium cristallin forte paisseur (0,2 m) ne transmettent pas de lumire, contrairement aux dispositifs en couche mince de type silicium amorphe (paisseur < 1 m) travers lesquels la transmission nest pas ngligeable. Pour diminuer cette transmission, il est possible dappliquer, larrire dun matriau rugueux , une lectrode prsentant20 | www.editionsdumoniteur.com

Fig. 5. Exemple dun empilement optique dune cellule cristalline.

L autre moyen de rduire le taux de rflexion est dajouter en surface un film antireflet qui diminue le renvoi de rayons lumineux vers latmosphre, et donc dabsorber une plus grande partie du flux lumineux. Selon ce principe, un laboratoireCOMPLMENT TECHNIQUE > Mars/Avril 2008


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dOsaka traite la surface des cellules pour obtenir des microcavits destines piger la lumire. Plus rcemment, un fabricant de revtements spciaux (STI) a dvelopp une solution de dioxyde de titane qui, lorsquelle est applique sur le substrat de verre des cellules photovoltaques, rduit la rflexion du substrat et gnre de nouveaux petits faisceaux lintrieur du revtement, augmentant ainsi le taux de conversion solaire de 3 5 %.

1.2.2

Proprits lectriques

Photoconductivit

Caractrise par la prsence de quatre lectrons sur sa couche priphrique (fig. 6), le silicium prsente toutes les proprits lectriques dun semi-conducteur permettant de convertir la lumire absorbe en lectricit. Ce transfert dnergie des photons aux charges lectriques sappelle la photoconductivit : il sexplique par la proprit que prsente le silicium contenir quatre lectrons relativement mobiles dots dune faible nergie de liaison. Dans lobscurit, les lectrons sont peu mobiles ; la lumire, les photons absorbs par le silicium apportent une telle nergie que la mobilit des lectrons du matriau sen trouve fortement accrue, ce qui se traduit par une augmentation de la conductivit du matriau. Le principe de ce photocourant est le suivant : les lectrons tournent autour du noyau sous leffet de la lumire ; lesFig. 6. Reprsentation dun atome de silicium et ses quatre lectrons de valence sur la couche priphrique.

lectrons de la couche priphrique des atomes sont arrachs sous laction du choc dun photon. Les lectrons dcrochs des atomes crent ainsi un courant continu directement utilisable aux bornes de la cellule photovoltaque, sous une tension lectrique continue (fig. 7). Pour arracher un lectron, il faut que le photon ait suffisamment dnergie. Le photon possde une nergie cintique (E) quil est possible de dtermin comme suit :

Fig. 7. Reprsentation dune photopile en silicium. Latome qui a perdu un lectron devient un ion positif : le trou ainsi form peut participer la formation dun courant lectrique en se dplaant.

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E = h. avec = C/ ; avec : E : nergie cintique (eV lectron-volt) ; h : constante de Planck (6,626.10-34 J.s) ; : frquence du rayonnement lie la longueur donde (Hz) ; ; C : clrit de la lumire dans le vide (3.108 m/s) ; : longueur donde de la lumire (m). Donc : E= Lnergie cintique (E) ncessaire larrachage des lectrons est donc inversement proportionnelle la longueur donde du photon (). Ainsi, pour quun lectron li son atome (bande de valence (7)) soit arrach pour participer la conduction du courant, il faut lui fournir une nergie minimale (seuil dnergie) afin quil puisse atteindre les niveaux nergtiques suprieurs (la bande de conduction) : cest lnergie du gap optique ou largeur de bande interdite Eg, exprime en eV. Cette valeur seuil est propre chaque matriau en raison de la structure lectronique diffrente de chaque type datomes. Elle est de 1,1 eV pour le silicium cristallin et de 1,7 eV pour le silicium amorphe. Dans le cas du silicium, lnergie minimale ncessaire correspond lnergie des photons ayant une longueur donde infrieure 1,1 m (fig. 8).

Fig. 8. Spectre solaire AM0

(9)

pour le silicium.

RemarqueLe photon ne cde sous forme lectrique quune fraction de son nergie cintique, savoir lnergie ncessaire la libration dun lectron, le reste tant dissip sous forme de chaleur. Ainsi, une part importante de lnergie des photons de courte longueur est perdue en chaleur dans la cellule photovoltaque. En quelque sorte, quelle que soit lnergie du photon, pourvu quelle soit suprieure Eg, chaque photon absorb ne cre quune seule paire dlectron-trou (8) dnergie Eg (g. 7). Collecte des charges

Une fois les charges lectriques libres (lectrons chargs ngativement et trous chargs positivement), il faut les sparer et les extraire hors du matriau semi-conducteur (silicium) dans le circuit lectrique. La mthode utilise pour crer ce champ lectrique est celle du dopage au moyen dimpurets ; le dopage dun matriau pur permet damener des charges lectriques excdentaires qui amliorent sa conductivit.(7) On appelle bande de valence la bande la plus leve en nergie occupe par les lectrons et la plus loigne du noyau. (8) Un lectron-trou (ou trou dlectron ou simplement trou) est labsence dun lectron dans la bande de valence.

Il existe deux types de dopage : le dopage de type n (ngatif) consiste introduire dans la matrice de silicium des atomes dimpurets pentavalentes tels que le phosphore P, qui ont la proprit de donner chacun un lectron excdentaire (charge ngative) libre de se mouvoir dans le cristal. Le matriau est donc potentiellement donneur dlectron disponible pour la conduction : le silicium est appel silicium de type n ; le dopage de type p (positif) utilise des atomes dimpurets trivalentes tel que le bore B, dont linsertion dans la structure cristalline du silicium donne un excdent de trous (charge positive). linverse du prcdent, le matriau est accepteur dlectron : le silicium est appel silicium de type p. Ds que les deux semi-conducteurs sont en contact, une jonction p-n se cre, au voisinage de laquelle apparat un champ lectrique interne provoqu par le dsquilibre des charges. Ce champ lectrique va ainsi contribuer collecter les lectrons dtachs par lnergie des photons. La collecte du courant se fait par des contacts mtalliques en forme de grilles sur chaque face. Si les lectrodes sont relies un circuit extrieur, un courant peut circuler.

(9) La dsignation AM0 correspond une masse dair nulle pour la lumire arrivant au-dessus de notre atmosphre incidence normale. Le titre AM1 correspond lui une mme lumire arrivant la surface terrestre. Lappellation AM1,5 dsigne la masse dair rencontre pour la lumire arrivant 48.2 sur la surface de la Terre, soit une lumire plus faible du fait que lpaisseur de la couche atmosphrique traverse est plus grande. De manire gnrale, lindice m associe la masse dair (AMm) est calcul comme suit : m 1/sin(A), A tant langle entre lincidence des rayons lumineux et lhorizontale la Terre. extrait de B. Brousse, Ralisation et caractrisation de cellules photovoltaques organiques obtenues par dpt physique, thse, universit de Limoges, facult des Sciences et Techniques, cole doctorale sciences technologie sant, Unit de microlectronique et optolectronique des polymres, 2004.COMPLMENT TECHNIQUE > Mars/Avril 2008

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Ce dispositif devient gnrateur lectrique sous leffet de la lumire. La jonction p-n a donc les caractristiques lectriques dune diode au silicium classique avec, sous illumination, lapparition dun photocourant indpendant quel que soit la tension, proportionnel au flux lumineux et la surface de la cellule (fig. 9). Courbe caractristique lectrique

Une cellule photovoltaque est dfinie par sa courbe caractristique lectrique (courant-tension). Elle indique la variation du courant quelle produit en fonction de la tension aux bornes de la cellule depuis le court-circuit jusquau circuit ouvert (fig. 10).

Fig. 10. Courbe lectrique courant-tension spcifique chaque type de cellule.

Daprs les caractristiques courant-tension, il est possible de dduire dautres paramtres lectriques spcifiques chaque matriau : le courant de court circuit (Icc) correspondant au courant dbit par la cellule quand la tension ses bornes est nulle (en pratique, ce courant est trs proche du photocourant Iph). ; la tension du circuit (Vco) correspondant la tension qui apparat aux bornes de la cellule quand le courant dbit est nul. Entre ces deux valeurs, il existe un optimum donnant la plus grande puissance Pm ou puissance crte caractrisant la performance de la cellule. Le facteur de forme FF indique le degr didalit de la caractristique correspondant au rapport suivant : FF =

Fig. 9. Schma de principe du champ lectrique interne. Lnergie des photons lumineux capts par les lectrons priphriques (couche n) leur permet de franchir la barrire de potentiel et dengendrer un courant lectrique continu. Pour effectuer la collecte de ce courant, des lectrodes sont dposes sur les deux couches de semi-conducteurs.



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avec : FF : facteur de forme qui indique le degr didalit de la caractristique ; Pm : puissance maximale mesure dans les conditions de rfrence (STC : Standard Test Condition), cest--dire sous lensoleillement de 1 000 W/m2, la temprature de 25 C sous un spectre AM 1,5 (10). Vco : tension du circuit correspondant la tension qui apparat aux bornes de la cellule quand le courant dbit est nul (V). Icc : courant de court circuit correspondant au courant dbit par la cellule quand la tension ses bornes est nulle (en pratique, ce courant est trs proche du photocourant Iph) (A) ; Cette courbe (fig. 10) est tablie dans des conditions de fonctionnement donnes (ensoleillement, temprature la surface de la cellule, etc.) et varie selon le type de cellule. Par exemple, une cellule en silicium amorphe a une tension plus leve quune cellule en silicium cristallin mais son courant est nettement plus faible, en raison de sa moins bonne collecte et de sa faible paisseur.

1.31.3.1

Rendement photovoltaqueCellule photovoltaque

Le rendement nergtique () dune cellule est dfini par le rapport entre la puissance maximale (Pm) et la puissance du rayonnement solaire qui arrive sur la cellule photovoltaque : = avec : : rendement nergtique ; E : clairement (W/m2) ; S : surface active de la cellule (m2) ; Pm : puissance maximale mesure dans les conditions de rfrence (STC : Standard Test Condition), cest--dire sous lensoleillement de 1 000 W/m2, la temprature de 25 C sous un spectre AM 1,5 .Tab. 1. Rendement nergtique des trois principales technologies.

Lnergie lectrique disponible aux bornes dune cellule photovoltaque dpend des caractristiques du type de rayonnement : rpartition spectrale (rponse spectrale), quantit dnergie, temprature, surface, surface de la cellule et de ses caractristiques dimensionnelles, forme de la cellule et conditions ambiantes de fonctionnement de la cellule (temprature extrieure, vitesse du vent, etc.). Le rendement dune cellule photovoltaque est gnralement assez faible (10 20 %). De meilleurs rendements peuvent tre obtenus laide de nouveaux matriaux (arsniure de gallium donne des rendements suprieurs 25 % en laboratoire) ou de techniques exprimentales (technologies multicouches) souvent difficiles et coteuses mettre en uvre. Cependant, le matriau photovoltaque le plus utilis est le silicium qui reprsente une solution conomique : son rendement nergtique ne dpasse pas les 15 %. Le tableau 1 indique le coefficient de performance des trois types de cellules les plus utilises. Ces faibles rendements sont dus : aux pertes (rflexion, pertes Joules, etc.) ; et au fait que la sensibilit de la cellule ne couvre pas la totalit du spectre du rayonnement solaire. L un des moyens damliorer le rendement consiste optimiser le couplage entre la lumire incidente et les matriaux photovoltaques constituant la cellule. Il existe deux voies possibles : la premire consiste minimiser la rflexion linterface air-cellule laide de traitement antireflet (couches minces ou surfaces structures) ; la seconde repose sur lingnierie du champ lectromagntique : il sagit de contrler la rpartition de lpaisseur de la cellule du champ lectromagntique cr par la lumire afin doptimiser lnergie dans la zone o a lieu la gnration des excitons (11). Le rendement dune cellule dpend galement de lclairement et de la temprature.

Type de cellule Coefficient de performance de la cellule (%)

Cellule base de silicium monocristallin 15 18

Cellule base de silicium polycristallin 13 15

Cellule base de silicium amorphe 58

(10) Voir note 6.

(11) Pseudoparticule constitue par lappariement dun lectron et dun trou (zone o un lectron est manquant et se comportant comme une particule de charge positive).COMPLMENT TECHNIQUE > Mars/Avril 2008



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1.3.2

Influence de lclairement

1.3.3

Influence de la temprature

Lnergie lectrique produite par une cellule dpend de lclairement quelle reoit sur sa surface. La figure 11 reprsente la caractristique courant-tension dune cellule en fonction de lclairement, une temprature et une vitesse de circulation de lair ambiant constantes : le courant est directement proportionnel au rayonnement, contrairement la tension qui ne varie que trs peu en fonction de lclairement (fig. 11).

L influence de la temprature est important et a des consquences pour la conception des panneaux et des systmes photovoltaques. La temprature est un paramtre essentiel puisque les cellules sont exposes aux rayonnements solaires, susceptibles de les chauffer. De plus, une partie du rayonnement absorb nest pas convertie en nergie lectrique : elle se dissipe sous forme de chaleur ; cest pourquoi la temprature de la cellule (Tc) est toujours plus leve que la temprature ambiante (Ta). Tc = Ta + (TUC 20)

avec : Tc : temprature de la cellule (C) ; Ta : temprature ambiante (C) ; Em : clairement moyen (W/m2) ; TUC : temprature dutilisation de la cellule (C). Le graphe de la figure 12 montre que la tension dune cellule baisse fortement avec la temprature. Plus la temprature augmente et moins la cellule est performante. En revanche, le courant augmente lgrement en intensit : cette augmentation reste nanmoins ngligeable au point de puissance maximale.

Fig. 11. Caractristique courant-tension dune cellule en fonction de lclairement.

RecommandationPour augmenter lclairage des cellules, il est conseill de les orienter de sorte que les rayons solaires frappent perpendiculairement la surface de la cellule : il est possible dutiliser des panneaux orientation et inclinaison xes, ou des panneaux inclinaison variable prsentant un rendement bien meilleur.

RemarqueIl arrive quune cellule soit occulte (prsence dune feuille morte, ombre, etc.) : dans ces conditions, elle ne peut dlivrer quun courant limit. Elle fonctionne donc inversement aux autres cellules non occultes du module qui dlivrent un courant suprieur ce courant limit. En fonctionnant ainsi, un chauffement de la cellule (appel hot spot) se produit : il peut provoquer des dgts irrversibles (dtrioration des contacts, de la couche antireet, etc.) visibles lil nu (apparition dune couleur brune au niveau de la cellule). Pour remdier ce phnomne, il suft de placer une diode by-pass (12) par srie de 18 cellules dans la bote de jonction en sortie du panneau. Fig. 12. Caractristique courant-tension dune cellule en fonction de la temprature.

Le comportement global de la cellule en temprature est une perte de 0,4 0,5 %/ C.

RecommandationAn de limiter cette baisse de production, une ventilation adapte des modules par larrire doit tre prvue pour viter laugmentation de la temprature durant les mois les plus ensoleills et souvent les plus chauds. Sur des systmes intgrs, le maintien de la ventilation devient plus dlicate.

(12) Circuit lectronique antiretour.COMPLMENT TECHNIQUE > Mars/Avril 2008


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Lors du calcul dune installation solaire, il faut garder lesprit que lclairement et la temprature varient simultanment et en permanence. Ce point est trs souvent nglig lors du dimensionnement de linstallation : il est donc recommand de bien connatre les conditions et la variation climatique du site choisi ds la conception du projet photovoltaque.

Pour un module de petite puissance (infrieure 75 Wc), la tension dusage est comprise entre 12 et 15 volts. Des modules dune puissance plus importante sont obtenus par laugmentation du nombre de cellules en srie et laugmentation du nombre de branches de cellules en parallle. La tension dusage peut tre de 24 volts ou plus selon la configuration du systme alimenter. Plusieurs modules interconnects constituent un panneau, et plusieurs panneaux assembls correspondent un champ photovoltaque. L assemblage des modules en srie et/ou en parallle permet de fixer diffrentes tensions et puissances.

1.3.4

Association des cellules photovoltaques

Dans les conditions standard (essai STC), la puissance maximale pour une cellule au silicium de 10 cm2 serait de lordre de 1,25 W. La cellule photovoltaque lmentaire constitue donc un gnrateur lectrique de trs faible puissance, insuffisante pour la plupart des applications domestiques ou industrielles. Les gnrateurs photovoltaques sont en fait raliss par association, en srie et/ou parallle, dun grand nombre de cellules lmentaires : ces groupements sont appels modules. Les connexions en srie de plusieurs cellules augmentent la tension pour un mme courant, tandis que la mise en parallle accrot le courant pour la mme tension. Ainsi, pour atteindre une tension dsire, il suffit de connecter en srie plusieurs cellules de mme courant : cest la notion dappairage. Lappairage est trs dlicat raliser, en raison des caractristiques diffrentes des cellules, du fait de la dispersion invitable des constructions mais aussi dun clairement et dune temprature non uniformes sur lensemble du rseau. Pour un module au silicium cristallin utilis pour une application en 12 V, il faut assembler en srie 36 cellules (en 4 rangs de 9), valeur extrmement courante concernant les panneaux commercialiss. Les cellules assembles sont ensuite protges sous un conditionnement confrant lensemble une bonne rsistance mcanique et une protection efficace aux agressions extrieures. Il sagit de lencapsulation : en face avant : revtement en verre ou en rsine (matriaux pouvant supporter de grandes chaleurs et garantir des coefficients de transmission levs) ; en face arrire : revtement en verre ou en plastique de type PVF (Tedlar). Lensemble des cellules est noy dans un matriau organique transparent, en gnral de la rsine EVA (thylne de vinyle dactate). Un joint latral en silicone assure ltanchit de lensemble et les deux extrmits du module sont ramenes vers une bote de connexion ncessaire au raccordement vers lutilisation, le tout tant souvent serti dun cadre de fixation. En pratique, un module photovoltaque se caractrise simplement par sa puissance nominale (exprime en watt crte Wc, selon les conditions de fonctionnement standard), qui dpend de sa surface et de lensoleillement incident. La tension dlivre par le module dpend du nombre de cellules connectes en srie.26 | www.editionsdumoniteur.com

2 Mise en uvre dun systmephotovoltaqueQuel que soit le mode dutilisation de lnergie photovoltaque tudi (installations autonomes ou connectes au rseau), les critres de dimensionnement respecter sont sensiblement identiques. Seule la rflexion diffre : pour une installation autonome, il faut trouver le meilleur compromis entre les besoins en lectricit et le cot dinvestissement ; pour une installation raccorde au rseau du type centrale destine la revente, le dimensionnement consiste produire le plus dnergie possible en fonction de la surface disponible et de la capacit dinvestissement du matre de louvrage. Dune manire gnrale, le dimensionnement dune installation a pour objectif de fixer les modalits de construction, en fonction de critres techniques (choix de la technologie, disposition dtaille du champ de capteurs, mode de montage, etc.), administratifs (contrats de raccordement, dachat, etc.) et financiers (investissement, demande de subventions, cot du kWh rsultant, etc.). Seules les tudes techniques sont traites dans ce chapitre : elles se limitent la conception et linstallation des gnrateurs solaires (cest--dire les panneaux photovoltaques). Nest pas tudi le dimensionnement des composants lectriques constituant le systme photovoltaque tels que les batteries, les rgulateurs, les onduleurs, la connectique et le cblage. Les outils daide au dimensionnement sont souvent des logiciels de simulation de systmes photovoltaques. Ils fournissent une estimation de lnergie produite et de sa distribution et quantifient les effets perturbateurs de manire identifier les points faibles du site et optimiser lensemble du systme photovoltaque. Ces logiciels calculent notamment le comportement du systme et lensemble des perturbations pour chaque heure deCOMPLMENT TECHNIQUE > Mars/Avril 2008


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fonctionnement, partir des donnes dentre prcises (donnes mtorologiques, environnementales, etc.) (13).

2.1

Facteurs dterminants

Le dimensionnement des gnrateurs solaires exige une analyse prcise et rigoureuse de diffrents facteurs pouvant influencer le rendement du systme photovoltaque : donnes mtorologiques, environnementales et thoriques (besoin lectrique, estimation de lnergie produite, etc.). Pour un projet, cette analyse doit dfinir les diverses variantes de chaque groupe de paramtres, indispensables pour excuter la simulation de toute combinaison dsire.

2.1.1

Donnes mtorologiques

Gisement solaire

Le principal facteur climatique tudier est lnergie incidente, trs dpendante des caractristiques gographiques du site (latitude, longitude, altitude, fuseau horaire). Elle fait intervenir de nombreux paramtres tels que : le type de systme : fixe, suiveur un ou deux axes ou avec ajustement saisonnier ; lorientation du systme (inclinaison et azimut) ; le coefficient dalbdo (14) ; la hauteur dhorizon, pour les ombrages lointains. La connaissance des ressources solaires du site dimplantation est indispensable pour valuer le potentiel dlectricit solaire du projet photovoltaque. Les donnes densoleillement sont disponibles auprs des stations mtorologiques qui possdent de nombreuses statistiques de rayonnement solaire telles que les valeurs moyennes sur plusieurs annes du rayonnement solaire global et diffus, par temps clair ou en moyenne sur lensemble des journes (pour diffrentes orientations et inclinaisons). Laccs ces informations fournies par les stations est payant. Cependant, il existe des logiciels gratuits contenant

une bibliothque de donnes mtorologiques visualisables sous forme de tables statistiques et graphiques diverses (par exemple la carte densoleillement annuel de la France qui indiquent la quantit dnergie solaire directe moyenne potentiellement convertible en lectricit) (15). L irridiance permet lvaluation des installations solaires ; elle correspondant au flux dnergie incidente sur une surface donne par unit de temps et de surface, exprime en W/m2. Son intgration sur une dure dtermine est appele irradiation, exprime en kWh/m2. Dune manire gnrale, le dimensionnent est fond sur les moyennes mensuelles de lnergie solaire journalire du site, appele rayonnement global journalier. Il correspond lintgrale du rayonnement global (direct + diffus) sur une journe, soit le cumul de rayonnement en Wh/m2 et par jour. Ne sont retenues lors du dimensionnement que les 12 valeurs de rayonnement solaire, valeurs moyennes de lnergie solaire journalire, pour chaque mois de lanne, dans le plan des capteurs (mme inclinaison et mme orientation). Le rayonnement global journalier nest pas constant au cours dune journe densoleillement : il varie au passage dun nuage, selon les heures de la journe (fig. 13).

(13) Logiciel de simulation : RETScreen (canadien) : logiciel tlchargeable gratuit sur les donnes solaires, simulation de systmes photovoltaques ; PV Sol (allemand) : logiciel de simulation dinstallations photovoltaques ; PV SYST (suisse) : logiciel de lUniversit de Genve, programme de simulation de systmes photovoltaques ; Site de Tecsol (franais) : propose un logiciel de calculs des systmes photovoltaque raccord au rseau (www.tecsol.fr) ; PVF-CHART (USA) : logiciel tlchargeable de simulation de systmes photovoltaques ; Archelios (franais) : programme de calculs dirradiation solaire et de simulation de systmes photovoltaques. (14) Lalbdo est la fraction du rayonnement solaire directement renvoy vers lespace (rflexion ou diffusion) par la surface terrestre ou par latmosphre. Une valeur dalbdo de 1,0 signifie que 100 % sont rflchis et une valeur de zro signifie que la rflexion est nulle.COMPLMENT TECHNIQUE > Mars/Avril 2008

Fig. 13. Variation journalire du rayonnement global et diffus sous un ciel sans nuage.

Il est utile de connatre la production du systme heure par heure ds que le site est en prsence dobstacles au voisinage des panneaux, susceptibles de provoquer des ombres pendant plusieurs heures certaines priodes de lanne. L exploitation des donnes horaires permet ainsi de quantifier les pertes dues ces ombrages.(15) Sites proposant une carte densoleillement : http://www.ademe.fr/midi-pyrenees/a_2_04.html ; http://iamest.jrc.it/pvgis/apps/pvreg.php?lang=fr&map=europe ; http://www.tecsol.fr. www.editionsdumoniteur.com | 27

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Variations du rayonnement global

Lintensit du rayonnement est directement lie la latitude qui elle-mme influe sur la rpartition saisonnire du rayonnement. Lensoleillement diminue quand la latitude sloigne de lquateur. Il chute assez rapidement au-del du 45 parallle (aux latitudes suprieures 45 Nord).

ExempleLe rayonnement global journalier, au mois de janvier (pour une orientation Sud et une inclinaison de 60 par rapport lhorizontale) est de 300 Wh/m2.j Bergen (Norvge) situ sous une latitude de 60,2 Nord, alors quil est de 3 540 Wh/m2.j Nice sous une latitude de 43,7 Nord.

le dimensionnement repose sur le choix de lorientation et de linclinaison des panneaux pour une latitude donne. L orientation idale des panneaux photovoltaques est plein Sud dans lhmisphre Nord. Un cart de 15 lEst ou lOuest peut tre accept puisque le rendement du systme diminue trs sensiblement. En revanche, sont exclues toutes les orientations Nord, Nord-Est et Nord-Ouest, trop dfavorables. Le tableau 2 indique le rendement dun systme photovoltaque en fonction de lorientation et de linclinaison dans la rgion Midi-Pyrnes.Tab. 2. Facteur de correction appliquer la production attendue du systme photovoltaque en fonction de son orientation et de son inclinaison (sous une latitude donne).

La latitude influence galement la rpartition saisonnire du rayonnement : sous de faibles latitudes (entre 15 Sud et 15 Nord), lensoleillement varie trs peu au cours de lanne ; en revanche, le contraste t/hiver saccentue avec laugmentation des latitudes (fig. 14).

Rendement/Inclinaison Orientation 0 Est Sud-est Sud Sud-ouest Ouest 0,93 30 0,90 0,96 1,00 0,96 0,90 60 0,78 0,88 0,91 0,88 0,78 90 0,55 0,66 0,68 0,66 0,55

Fig. 14. Influence de la latitude sur lensoleillement.

Ainsi, en France, le dimensionnement pour une utilisation annuelle tient compte de cette irrgularit densoleillement entre lt et lhiver, en choisissant comme base de calcul la valeur la plus faible de la priode de fonctionnement, savoir celle du mois de dcembre. Il est possible dattnuer ce dsquilibre t-hiver en faisant varier lorientation et linclinaison des panneaux. En partant du principe que lnergie disponible la surface des panneaux dpend de langle dincidence des rayons solaires (plus les rayons sont proches de la perpendiculaire au plan du capteur, plus la quantit dnergie disponible est importante),28 | www.editionsdumoniteur.com

L inclinaison des panneaux dpend de la latitude et de la priodicit de lutilisation de lnergie photovoltaque : pour une application autonome consommant une nergie presque constante tout au long de lanne, linclinaison optimale pour maximiser lnergie annuelle produite est gale la latitude du lieu laquelle on ajoute 10 (pour une orientation au Sud). En France, elle correspond une inclinaison 60 par rapport lhorizontale (tab. 3) ; pour une application estivale (centrale photovoltaque connecte au rseau public), linclinaison optimale se situe entre 20 et 30, toujours sous nos latitudes et pour une orientation au Sud ; pour une utilisation hivernale (cas des sites montagneux et recevant beaucoup de neige), les panneaux sont davantage inclins. Cette forte inclinaison sert galement faciliter le glissement de la neige. L optimum annuel est peu marqu et laisse, pour les capteurs, une large marge dinclinaisons (15 45) et dorientations (Sud 30) sans pertes notoires. Les panneaux installs en faade sont videmment moins favorables et ne conservent quune efficacit relative de 65 % au sud, se dgradant rapidement de part et dautre de ce point cardinal.



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Tab. 3. Relation entre la latitude et linclinaison des panneaux pour une utilisation annuelle.

dtermination de lorientation, de linclinaison optimale, de la bonne exposition solaire. En complment de cette tude environnementale, le concepteur doit raliser une tude de masque afin de mesurer avec prcision les pertes de rendement lies aux ombrages. Mme partielle, une ombre affecte significativement la production dun systme photovoltaque (lorsquune seule cellule est ombre, cest le courant de toute la chane de cellules en srie qui est limit). Il existe deux types dombrage considrer lors de cette tude : lombrage lointain, appel effet dhorizon : il correspond la disparition du soleil derrire la ligne dhorizon. L effet de ce type dombre fonctionne selon la loi du tout ou rien , cest-dire qu un instant t, lensemble du systme photovoltaque est dans lombre. Le traitement des ombrages lointains est simple raliser : il suffit dannuler la contribution du rayonnement direct ds que le soleil passe sous lhorizon, tout en conservant celle du diffus et de lalbdo ; lombrage proche : il correspond aux ombres projetes par les obstacles environnants entre la course du soleil et le plan dinclinaison des capteurs. L tude doit recenser lensemble des ombres potentielles sur la dure de vie du systme photovoltaque : la vgtation ; le relief montagneux ; lombre porte des immeubles adjacents, chemines, mats, cbles du rseau lectrique, etc. ; lombre porte des ranges de modules adjacents, appele galement ombrage mutuel de sheds. Le traitement des ombrages proches est dlicat puisquil est quasi impossible dapprhender intuitivement ces pertes de rendement. Il ncessite de reconstruire la gomtrie exacte du systme et son environnement, en trois dimensions, afin de dfinir le facteur dombrage valuer tout instant de lanne, heure par heure. Ce traitement de donnes devient rapidement fastidieux et ncessite lutilisation de logiciels spcifiques effectuant de nombreuses simulations. Ils permettent en particulier de visualiser le masque des ombres partir dun diagramme hauteur/azimut (course solaire) (fig. 15). L tude de masque permet de localiser, sur lensemble du systme photovoltaque, les zones dombres effectives pour lesquelles la productivit de la partie ombre est considre comme nulle. Le concepteur prend en compte la configuration de la gomtrie des ombres lors de lappairage des modules photovoltaques. Dans le cas particulier des sheds des centrales photovoltaques en terrasse ou champ libre, linclinaison des modules et la distance entre les ranges doivent tre calcules de manire limiter leffet des ombres portes des ranges de modules adjacents. La figure 16 illustre la relation entre langle limite dombrage et la surface occupe par lombre.www.editionsdumoniteur.com | 29

Latitude () < 10 10 < < 30 30 < < 40 > 40 Rverbration du sol

Inclinaison () = 10 = = + 10 = + 15

La rflectivit du sol, caractrise par le coefficient dalbdo (16), doit tre galement pris en compte lors de la conception, surtout pour des panneaux inclins, a fortiori verticaux. chaque type denvironnement qui entoure les panneaux photovoltaques (ville, herbe, neige, etc.) correspond un type dalbdo. Son coefficient, qui varie selon la nature du sol, influe dune manire importante sur le rendement solaire.

ExempleEn prsence de neige frache, le systme photovoltaque dun site montagneux voit son rendement nergtique augmenter signicativement sous leffet de lalbdo de la neige. Autres facteurs

Lors du dimensionnement, il est recommand de raliser une analyse statistique de la temprature extrieure du site dimplantation, ncessaire pour optimiser le systme de ventilation des panneaux. Une augmentation de la temprature extrieure peut diminuer la performance des panneaux photovoltaques et une diminution de la temprature peut laugmenter. Il nest pas rare de constater que le record de puissance dun systme photovoltaque soit atteint durant les mois dhiver, par une belle journe ensoleille. Les autres facteurs non matrisables et difficilement quantifiables sont les alas climatiques (vent, prcipitation, brume, orage). Par exemple, la nbulosit influe sur lintensit du rayonnement : plus la couverture nuageuse est paisse, plus le rendement diminue. En gnral, la nbulosit a tendance diminuer avec laltitude.

2.1.2

Donnes environnementales

Une tude environnementale du lieu dimplantation est indispensable afin de dfinir les diffrents lments du systme en fonction de larchitecture du btiment, des impratifs du courant continu basse tension, du type dapplication, de la

(16) Voir note 14.COMPLMENT TECHNIQUE > Mars/Avril 2008

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Fig. 15. Diagramme de masque dombre.

Dans ses calculs de production, le concepteur prend en compte les pertes de rendement lies ces effets dombrage survenant par soleil rasant (fig. 16).

Calcul du besoin en nergie

Fig. 16. Relation entre angle limite dombrage et surface de limage de lombre.

2.1.3

Donnes thoriques

La puissance photovoltaque requise est la puissance que doit fournir lensemble des panneaux photovoltaques pour couvrir le besoin en nergie lectrique de lapplication, quelles que soient les conditions. Elle est calcule sur la base de la consommation lectrique totale, de lensoleillement journalier et de lefficacit des composants du systme (batterie, panneau PV, onduleur, cblage, etc.).

Il est indispensable de connatre prcisment le besoin en nergie dune installation autonome afin de concevoir un systme photovoltaque adapt. Au vu du cot encore lev du watt solaire, il est souhaitable dviter de surdimensionner le systme photovoltaque. La puissance photovoltaque du gnrateur installer est dduite du calcul de la consommation de lapplication. Il prend en compte la puissance, la tension des appareils ainsi que les dures dutilisation. Tous les consommateurs disponibles (lampes, radio, tlviseurs, rfrigrateur, ordinateur, etc.) sont lists en prcisant leur tension, leur puissance et leur dure dutilisation par jour. La consommation journalire (Wh/j) est dfinie, pour chaque consommateur, partir de la puissance (W) et de la dure dutilisation (h/j), afin den dduire la consommation totale journalire et mensuelle. Cette dernire est ensuite rajuste en fonction du taux doccupation de lhabitat au cour dune anne (week-end, vacances, etc.). partir de cette valeur, il est possible de calculer la puissance photovoltaque (pour en dduire le nombre de panneaux installer) et de dimensionner le stockage (calcul de la capacit de la batterie et de la profondeur de dcharge), le rgulateur et le cblage.




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Calcul de la puissance des modules photovoltaques

Le calcul de la puissance des modules photovoltaques ncessite la matrise des principaux paramtres suivants : nombre dheures quivalentes, priode densoleillement, pertes lectriques, technologie des modules. Notion du nombre dheures quivalentes

Le module photovoltaque est caractris par sa puissance crte (Pc) dans des conditions STC spcifiques (sous lensoleillement de 1 000 W/m2, la temprature de 25 C sous un spectre AM 1,5) : le module expos un ensoleillement maximal produit une nergie (Wh) gale la puissance crte durant un certain temps. Or, dans les conditions relles de fonctionnement, cet ensoleillement maximal ne se produit que durant quelques heures de la journe, en raison de la fluctuation journalire du rayonnement solaire. Ces heures optimales sont appeles heures quivalentes. Ainsi, lillumination solaire reu (Esol) quivaut au produit du rayonnement de 1 000 W/m2 par le nombre dheures quivalentes (Ne) : Esol = Ne.1 000 avec : Esol : illumination solaire reu (Wh/m2/j) ; Ne : nombre dheures quivalentes (h/j). Priode densoleillement

panneaux qui entrane une modification non ngligeable du courant, la tension restant constante, perte lie au rendement de charge de la batterie (rapport entre lnergie restitue et lnergie fournie) ; pertes en tension : pertes lies aux caractristiques des divers composants lectriques constituant le gnrateur photovoltaque : il existe des pertes en tension aux bornes des diodes srie, des rgulateurs, des onduleurs, etc., pertes ohmiques lies aux caractristiques du cblage (longueur, section, amprage vhicul) ; ces pertes, qui se produisent lors du fonctionnement dans un conducteur reliant deux composants, sont gales au produit de la rsistance du conducteur par le courant au carr traversant le conducteur : .L Ppertes = R.I2 o R = S avec : : rsistivit du matriau conducteur (.m soit 10-6.m) ; L : longueur du conducteur (m) ; S : section du conducteur (mm2) ; R : rsitance () ; I : intensit (A). Il importe de bien choisir et de dimensionner correctement la section des conducteurs lectriques, de manire limiter la baisse de tension entre les diffrents composants moins de 5%; perte thermique : sous leffet de labsorption du rayonnement solaire, il se produit un chauffement des cellules se traduisant par une diminution du rendement nergtique (- 0,5 %/C), pertes de dispersion des caractristiques des panneaux (par mauvais appairage) ; autres pertes : perte de rflexion (perte par incidence) : en gnral, elle est incluse dans lefficacit du panneau ; elle a tendance augmenter ds que les rayons lumineux sinclinent. Gnralement, pour remdier lensemble des pertes en tension, il est recommand de choisir des panneaux de tension plus leve que celle demande par lapplication.

Compte tenu de lirrgularit de lensoleillement entre lt et lhiver, le choix de la priode densoleillement utilise lors du calcul de la puissance dpend du mode dutilisation de lnergie photovoltaque. Dans le cadre du dimensionnement dune installation autonome et pour une utilisation domestique, il est recommand de choisir les conditions densoleillement les plus dfavorables pour tre certain que la puissance de linstallation soit suffisante en toute saison : sous nos latitudes, lnergie solaire journalire du mois de dcembre est souvent choisie pour le dimensionnement. Pertes lectriques

ExemplePour une tension demande de 12 V les modules photovoltaques doivent , avoir une tension au point de puissance maximale gale 16 V, soit une rserve en tension de 4 V Pour une tension de 24 V la rserve admise . , est de 8 V .

Les pertes sont inhrentes tout processus de conversion dnergie. Les systmes photovoltaques doivent fournir lnergie ncessaire et compenser les pertes prvisibles. Ces pertes ont plusieurs origines et affectent certains paramtres du systme. Le calcul de la puissance installer doit donc intgrer lensemble des pertes. On distingue les types de pertes suivants : pertes en courant : perte par salissure : la prsence de salissures, de neige, de sable ou de particules issues de la pollution urbaine sur lesCOMPLMENT TECHNIQUE > Mars/Avril 2008

Concernant les pertes en courant, le concepteur les assimile un coefficient de perte lors du calcul de la puissance photovoltaque : ainsi, le coefficient de perte li la salissure varie en gnral de 0,9 (pour des panneaux lhorizontale et non nettoys) 0,95 (pour des panneaux rgulirement nettoys) ; le coefficient de perte li lefficacit de la batterie varie de 0,8 0,9 selon ses caractristiques.www.editionsdumoniteur.com | 31

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Technologie des modules

Le choix de la technologie des modules dpend de la puissance fournir mais galement du contexte densoleillement du site, du cot dinvestissement. La technologie doit sadapter lapplication du systme. Les modules en silicium amorphe prsentent un rendement optimal pour des installations de faible puissance (infrieure 10 Wc), alors que les modules en silicium cristallin ont un rendement optimal pour des installations de grande puissance. Selon le contexte densoleillement, une technologie prsentant un faible rendement solaire peut tre choisie au dtriment dune autre prsentant un rendement plus lev. Par exemple, en prsence dun site sujet de frquents ombrages partiels, la technologie choisie est de type amorphe en raison de leur performance aux faibles ensoleillements, et ce malgr un rendement solaire plus faible que celui de type cristallin (7 % contre 13 %). Une fois la technologie dtermine, il faut choisir le panneau en fonction de ses caractristiques, savoir : puissance maximale ou crte ; tension maximale ; courant maximal ; temprature NOCT (17) ; coefficient de temprature : certaines fiches mentionnent le coefficient de temprature (Pm) qui indique la perte de puissance du panneau en fonction de laugmentation de la temprature (valeur moyenne : - 0,50 %/C par cellule) ; garantie et certification : trs souvent, les panneaux vendus ont une garantie minimale de 20 ans ; il accuse une rduction de leur puissance maximale de sortie de 10 % sur 20 ans ; la certification du panneau (normes CEI 12-15, IEEE-4262, 503-CEC-JRC) garantit sa qualit. Exemple de calcul de lnergie produite par une installation au cours dune journe en prenant en compte les paramtres prcits

Pour connatre la puissance en Wh, il suffit de la multiplier par la valeur de la tension de lapplication. partir de lnergie nergtique consomme journellement par lapplication (Qcons - Ah/j), il est possible de dterminer le courant la puissance maximale dans les conditions STC du module afin de calculer le nombre de panneaux installer. Im = Le dimensionnement du champ photovoltaque saccompagne dune parfaite adquation avec les caractristiques des composants lectriques annexes tels que londuleur, le rgulateur, la batterie, etc. Sans cette compatibilit, le rendement du gnrateur photovoltaque diminue, mme si le champ photovoltaque est bien dimensionn.

2.2

Pose des modules photovoltaques

Les modules photovoltaques (lamins ou encadrs) sont conus pour tre placs lextrieur, sans protection, de sorte quil suffit de leur fournir un support qui rsiste toutes les conditions mtorologiques. Les facteurs prendre en considration, au moment du montage du champ photovoltaque, sont : lorientation des panneaux, les exigences de scurit, la fiabilit des supports, les normes et prescriptions applicables relatives au montage et lutilisation des panneaux photovoltaques. Un montage inappropri peut non seulement tre lorigine de lendommagement ou de la destruction du panneau photovoltaque, mais galement causer des dommages corporels.

2.2.1

Types de support

Soit : Qprod = Esol.Im.Cp ; Qprod : nergie produite dans la journe (Ah/j) ; Esol : nergie solaire journalire (kWh/m2.j) avec Esol = Ne . 1 000 ; Cp : coefficient de perte en courant ; Im : courant de la puissance maximale STC du module.(17)Certaines fiches techniques indiquent la temprature de fonctionnement de la cellule, la NOCT (Nominal Operating Cell Temperature) ou temprature quatteint la cellule lintrieur du panneau en circuit ouvert sous une puissance solaire de 800 W/m2, une temprature ambiante de 25 C et un vent de 1 m/s. Une NOCT trop leve diminue lefficacit du panneau. Les valeurs standard sont comprises entre 40 et 50 C. Au-del de ces valeurs, la cellule PV perd de son rendement. Afin dviter cette perte de rendement, il est recommand de maintenir une bonne ventilation et dapposer une couleur claire en arrire du panneau.

Les fabricants proposent une grande varit de supports autorisant pratiquement toutes les variantes de montage, de la tuile solaire sur toit en pente jusquau montage sur toit plat sans percer la toiture. Les supports des modules photovoltaques doivent respecter certaines caractristiques : avoir une longvit importante, grce lutilisation de matriaux de haute qualit (comme laluminium et lacier inoxydable) ; tre dun montage simple et rapide ; avoir une rsistance adapte aux charges statiques (poids des modules et surcharge de neige) et dynamiques (forces du vent) en cas de surimposition pour toiture-terrasse ou au sol ; faire office de couverture et tre tanche en cas dintgration au bti.COMPLMENT TECHNIQUE > Mars/Avril 2008



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Les modules doivent tre monts de manire bnficier dun ensoleillement maximal. Les supports peuvent tre fixes ou mobiles. Supports xes

Les supports fixes sont installs au sol, en faade ou en toiture, intgrs ou non. Langle dinclinaison des modules intgrs au btiment dpend de la forme de la structure du btiment sur laquelle sont fixs les supports : linclinaison de panneaux fixs sur une toiture incline est en gnral de 30, celle dune faade est de 90. Dans dautres configurations (au sol ou en toiture-terrasse), langle dinclinaison est dfini par langle du plan de fixation des modules au chssis. Cet angle est fixe (angle droit avec le soleil du midi) ou peut tre rgl manuellement chaque saison en fonction de linclinaison du soleil. Supports mobiles ou suiveurs du soleil

Installations rapportes sur toiture-terrasse. Les modules doivent souvent tre protgs contre les effets du vent qui risque de les emporter, sans pour autant que ltanchit de la toiture soit modifie. Les modules sont solidement fixs laide de supports en aluminium ou en plastique, lests de plaques de bton, avec du gravier ou des supports rigides en bton. Ce type de support ne peut tre utilis que si la structure du toit peut supporter le poids de linstallation.

RemarqueCertains fabricants proposent des systmes applicables sur des terrasses ne pouvant pas supporter de charge importante (terrasse de type industriel) (g. 17).

Le support mobile sur lequel est fix le panneau suit automatiquement le soleil tout au long de la journe. Suivre le soleil permet daugmenter considrablement la production dnergiement. L augmentation des performances des panneaux mobiles compares celles des panneaux fixes est de lordre de 40 %, principal avantage des installations photovoltaques mobiles. Ce systme est propos pour de grandes centrales photovoltaques (au sol ou en toiture-terrasse). Il sapplique en majorit dans le cadre de la revente dlectricit au rseau. Il optimise la production dnergie solaire et lamortissement de linstallation photovoltaque. Types dquipements

Fig. 17. Installation sur chssis pour toiture plate ou terrain.

On distingue deux grands types dquipements : les modules dits surimposs , concernant les panneaux poss sur la toiture ou installs au sol sur des chssis ; les modules dits intgrs au bti , qui font partie de lhabitat. quipement en surimposition

Installations surimposes un btiment. Les modules sont fixs sur une couverture existante au moyen de supports laissant un espace entre les modules et la couverture, favorisant ainsi une ventilation naturelle. Ces ralisations en surimposition ne participent pas aux fonctions clos et couvert (fig. 18). Les diffrentes possibilits de surimposition sont : sur toiture incline couverte en lments discontinus ; fixation sur un mur isol ou non isol par lextrieur ; fixation sur une faade lgre ; sous la forme de visire de balcon ou brise-soleil ; sous la forme de garde-corps de balcon. quipement en intgration

Ce mode de pose est le plus courant et le plus simple : les modules sont placs par dessus une couverture existante. Ce ne sont pas des lments de lenveloppe du btiment. Installations au sol. Les modules sont fixs par groupe de 4 8 sur des cadres ou des profils eux-mmes fixs sur des chssis assurant la fixation et la bonne orientation des modules. Les chssis sont fixs au sol sur une dalle de bton ou laide de plots en bton. Les modules muni dun cadre sont gnralement fixs par boulonnage ; ceux sans cadre sont fixs par des profils ad hoc ou colls ou fixs par boulons traversant.COMPLMENT TECHNIQUE > Mars/Avril 2008

Les modules intgrs au btiment viennent en lieu et place de la toiture ou de la faade. Selon lannexe du 10 juillet 2006, lquipement photovoltaque intgr doit produire de llectricit et assurer une fonction technique ou architecturale essentielle lacte de construction. Il doit remplir au moins lune de ces fonctions lorsquil participe : la tenue mcanique ; la protection ou la rgulation thermique ;www.editionsdumoniteur.com | 33

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Fig. 18. Installation surimpose sur toiture incline.

Fig. 19. quipement intgr la toiture.

la protection physique des biens ou des personnes ; la recherche dune esthtique architecturale particulire. Lintgration au btiment impose ventilation arrire adquate, pour viter une surchauffe et une diminution du rendement des modules. Pour remdier ce risque dchauffement, il est prconis de raliser des sorties dair chaud au sommet de la toiture ou de la faade et des entres dair froid en bas des modules, afin de crer une circulation dair larrire de lquipement photovoltaque (fig. 19). Les possibilits dintgration au btiment sont trs varies : lment de paroi dans toute lpaisseur dune partie de faade ; lment de bardage devant un mur en bton ; lment verrier extrieur dun vitrage isolant ; lment dune partie ou de la totalit de la toiture. Depuis la mise en place de la prime lintgration au bti, les installations intgres deviennent les applications de plus en plus frquentes du photovoltaque en France. Tandis que les solutions en toiture plate restent encore financirement les plus avantageuses, les recherches se poursuivent dans le but de rduire le prix de revient des solutions qui sintgrent dans le btiment. Puisquil existe dsormais une srie de systmes de montage pour le btiment, les efforts se portent de plus en plus sur le module solaire lui-mme.

4 Liste des symboles C Cp E E Em Esol FF H I Icc longueur donde de la lumire rendement nergtique frquence du rayonnement lie la longueur donde clrit de la lumire dans le vide coefficient de perte en courant nergie cintique clairement clairement moyen nergie solaire journalire facteur de forme qui indique le degr didalit de la caractristique constante de Planck intensit courant de court circuit dbit par la cellule quand la tension ses bornes est nulle courant de la puissance maximale STC du module longueur du conducteur rsistivit du matriau conducteur nergie produite dans la journe rsitance m % Hz 3.108 m/s su eV lectronvolt W/m2 W/m2 kWh/m2.j su 6,626.10-34 J.s A A A m .m Ah/j COMPLMENT TECHNIQUE > Mars/Avril 2008

3 Liste des sigles et abrviationsIm EDF CdTe AM PVF EVA NOCT lectricit de France Tellure de cadmium Air Mass Polyvinyl-fluoride thylne de vinyle dactate Nominal Operating Cell Temperature L Qprod R



Construction

S Tc Ta TUC

Vco

surface active de la cellule temprature de la cellule temprature ambiante temprature dutilisation de la cellule tension du circuit qui apparat aux bornes de la cellule quand le courant dbit est nul

m2 C C C

Ademe, Fabrice Juquois, Guide de rdaction du cahier des charges techniques des gnrateurs photovoltaques connects au rseau.

En savoir plus Anne Labouret, Michel Villoz, nergie solaire photovoltaque, 3e dition, ditions du Moniteur Dunod, 2006. Falk Antony, Christian Drschner, Karl Heinz Remmers, Le photovoltaque pour tous : Conception et ralisation, ditions du Moniteur, 2006. Guide Bonhomme de la matrise des projets de btiment : dossier V .101 : Caractristiques thermiques des btiments neufs ; dossier V .101 : dispositions applicables aux btiments existants ; dossier V .103 : Calcul des consommations conventionnelles dnergie (coefcients C et Crf) Guide Veritas des technique de la construction, che 65.1i : Installations solaires Entretien, rnovation, rhabilitation des btiment, che 20.171 : Arrt du 15 septembre 2006 (JO du 28-9-2006) - Mthodes et procdures applicables au diagnostic de performance nergtique pour les btiments existants.

V

5 Bibliographie Arrt du 10 juillet 2006 fixant les conditions dachat de llectricit produite par les installations utilisant lnergie radiative du soleil telles que vises au 3 de larticle 2 du dcret n 2000-1196 du 6 dcembre 2000, JO du 26 juillet 2006. DGEMP, Dideme, Critres dligibilit des quipements de production dlectricit photovoltaque pour le bnfice de la prime dintgration au bti, Ministre de lconomie, des finances et de lindustrie, version du 17 avril 2007.

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principes du photovoltaique

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