Base de connaissance

L’effet photoélectrique

La découverte de cet effet physique est ancienne, puisqu’il a été initialement découvert en 1839. Mais ce n’est qu’en 1905 qu’Albert Einstein (encore lui !) en proposa l’explication, ce qui lui valut le prix Nobel de physique en 1921.

De quoi s’agit-il ?

De manière très résumée, l’effet photoélectrique est un phénomène au cours duquel un matériau émet un électron lorsque celui-ci est soumis à un rayonnement électromagnétique. Cet effet est variable en fonction notamment du type de matériau soumis au rayonnement, et de l’intensité dudit rayonnement.

Rappelons par ailleurs que la particule qui porte les phénomènes électriques (statiques ou non) est l’électron.

C’est sur cet effet que se base la technologie des panneaux photovoltaïques.

Le panneau photovoltaïque

Le panneau photovoltaïque est une application directe de l’effet photoélectrique. Les premiers panneaux solaires à sortir de laboratoire, pour des applications spatiales, ont été fabriqués dans les années 50.

Mais ce n’est qu’au début du 21ème siècle que ceux-ci sont produits en masse. Ainsi, ce sont environ 100.000 MWc (mégawatts-crête, à ne pas confondre avec mégawatts « tout court », voir partie sur les panneaux) qui sont produits actuellement chaque année dans le monde (2019).

Son fonctionnement peut être grossièrement résumé comme suit :

L’unité fonctionnelle de base d’un panneau est la cellule photovoltaïque. Les cellules photovoltaïques actuelles sont essentiellement fabriquées à base de silicium, bien qu’il existe d’autres technologies, moins répandues.

L’objectif d’une cellule photovoltaïque est d’établir une différence de potentiel (= tension) continue entre deux couches aux propriétés électriques distinctes (principe du dopage P/N du silicium). C’est cette même différence de potentiel qui permettra l’établissement d’un courant continu lorsque la cellule sera soumise à un rayonnement électromagnétique.

La tension de fonctionnement de base d’une cellule photovoltaïque étant faible, plusieurs cellules sont posées en série au sein d’un panneau photovoltaïque, afin d’obtenir une tension de fonctionnement plus élevée, variant généralement entre 30 et 65V (en courant continu) pour les panneaux standards.

Lorsque le circuit est fermé (analogie avec un interrupteur classique qui permet d’allumer la lumière lorsque les contacts sont fermés), un courant électrique circulera entre les deux zones présentant une différence de potentiel. Ce courant électrique pourra dès lors être utilisé pour réaliser un travail.

Le lecteur souhaitant aller plus loin dans sa compréhension pourra consulter la page Wikipédia qui traite su sujet : https://fr.wikipedia.org/wiki/Cellule_photovolta%C3%AFque

L’onduleur photovoltaïque

Si les panneaux photovoltaïques permettent la conversion de l’énergie électromagnétique en énergie électrique continue, encore faut-il pouvoir recueillir cette énergie, et la transformer en une forme utilisable (c’est-à-dire en courant alternatif 50Hz / 230V chez nous).

Ce rôle est dévolu à l’onduleur, (et non ondulateur ou modulateur, comme on l’entend souvent 🙂 ), qui est le chef d’orchestre de l’installation.

Cet appareil réalise essentiellement deux applications :

  • Une fonction d’optimisation de la production solaire (le système « maximum power point tracker » ou MPPT en abrégé). Le MPPT est le cerveau électronique de l’onduleur. Celui-ci va constamment chercher à tirer un maximum d’énergie de la part des panneaux.
  • Une fonction de conversion du courant continu vers le courant alternatif (onduleur en tant que tel).

Les nouveaux appareils sont également souvent livrés avec un système de monitoring qui permet de suivre leur production sur Internet (Sunny Portal chez SMA, Solar-Web chez Fronius, entre autres).

Enfin, tout récemment apparaissent sur le marché des onduleurs dits « hybrides » qui permettent de stocker une partie de l’énergie excédentaire produite pendant la journée dans des batteries, afin de restituer cette énergie lorsque le soleil ne brille plus.

Ceci permet de soulager partiellement le réseau qui doit, en l’absence de ce dispositif, absorber toute la puissance qui dépasse les besoins de la maison (ces derniers étant directement alimentés par l’installation photovoltaïque).

Des solutions de ce type sont disponibles chez notre partenaire Watt-u-need https://www.wattuneed.com/fr/

L’étude d’un projet photovoltaïque

Dans l’optique d’étudier la pertinence d’un projet photovoltaïque sur un site, il convient d’analyser plusieurs aspects :

  • Les besoins énergétiques ;
  • L’orientation, l’inclinaison de la toiture et ses dimensions ;
  • L’ombrage fixe / diffus ;
  • Le type de toiture et son état ;
  • Le dimensionnement du couple panneaux/onduleur
  • La capacité d’investissement et le retour sur investissement.

a) Les besoins énergétiques

L’analyse (précise et correcte !) du besoin énergétique est primordiale au développement du projet photovoltaïque. C’est en effet cet élément qui va définir le reste du projet. La méthode principale pour procéder à cette analyse est de consulter une facture de décompte récente.

Attention toutefois aux pièges classiques, comme une modification récente ou à venir de la consommation électrique (boiler électrique, pompe à chaleur, climatiseur, voiture électrique, modification de la composition de la famille, etc.), qui peuvent rendre caduque l’analyse initiale. Ainsi, il sera parfois nécessaire d’extrapoler la consommation future, à la hausse ou à la baisse.

A titre d’exemple, prenons le cas d’une famille qui souhaite acquérir en second véhicule une voiture électrique. Imaginons que ce véhicule consomme 15kWh pour 100km, ce qui est une valeur moyenne. La distance annuelle estimée parcourue par ce véhicule électrique est de 15.000km par an. La consommation supplémentaire en provenance du véhicule électrique sera donc de 15*150, soit 2.250kWh. Cela représente environ 8 panneaux de 300Wc supplémentaires.

Par ailleurs, en l’absence de taxe sur la réinjection de l’excédent de production dans le réseau, il est à priori préférable d’ajouter 2-3 panneaux supplémentaires en toiture, « dans le doute ». Celui qui ne souhaite pas prendre de risques par rapport à la probable future taxe sur la puissance installée ajoutera des panneaux sans augmenter la puissance de son onduleur, au risque d’avoir un peu de perte à la belle saison.

b) L’orientation, l’inclinaison de la toiture et ses dimensions.

Une fois les besoins énergétiques définis, il convient de définir le potentiel de la toiture, ou, autrement dit, le rendement des panneaux qui seront posés sur le toit. Il est certain que des panneaux exposés au nord produiront nettement moins que des panneaux exposés au sud. En Belgique, 1000 watts en puissance crête de panneaux photovoltaïque (STC, voir chapitre sur la fiche technique des panneaux) produiront dans des conditions idéales environ 950Kwh. Les conditions idéales sous notre latitude sont une exposition plein sud, une pente de toit de 30-35% et des panneaux de qualité (notamment au niveau du coefficient de température, voir la partie sur les panneaux).

A partir de ces conditions idéales, nous pouvons définir le rendement d’autres expositions :

Inclinaison par rapport à l’horizontale
 

 

Orientation

15° 25° 35° 50° 70° 90°
EST 88% 87% 85% 83% 77% 65% 50%
S-EST 88% 93% 95% 95% 92% 81% 64%
SUD 88% 96% 99% 100% 98% 87% 68%
S-OUEST 88% 93% 95% 95% 92% 81% 64%
OUEST 88% 87% 85% 82% 76% 65% 50%

 

Ce que ce tableau nous apprend, c’est que si l’orientation est fortement déviée vers l’est ou l’ouest, il est préférable d’avoir une pente de toit FAIBLE. Dans tous les cas, si l’orientation et/ou l’inclinaison est sous-optimale, il faudra placer plus de panneaux photovoltaïques (ou des panneaux plus puissants) pour compenser le facteur de rendement.

On sera peut-être étonné de remarquer que des panneaux posés à plat gardent un rendement correct de 88%. C’est vrai, mais la pose à plat pose d’autres questions, notamment l’accumulation de crasse (dépôt sous forme de poussière qui, à la longue, s’accroche au verre – comme sur un vélux) et qui s’évacue mal, ainsi que la résistance face à la grêle.

Les dimensions de la toiture sont également des facteurs primordiaux dans le cas ou celles-ci sont limitantes. Quatre cas peuvent se présenter :

  • La toiture est suffisamment grande pour accueillir tous les panneaux nécessaires au projet tel que défini dans le souhait du client (généralement, compenser l’intégralité de la consommation).
  • La toiture est de dimensions limitées, et nécessite de travailler avec des panneaux haut rendement. La consommation est ainsi compensée mais l’installation coûtera plus cher car ces panneaux sont plus coûteux. Le rendement financier du projet sera plus faible.
  • La toiture est de dimensions limitées et malgré l’emploi de panneaux à haut rendement, ne permet pas de compenser l’intégralité de la consommation. Il faudra dès lors se contenter d’une compensation partielle de la consommation OU réaliser des travaux d’économie d’énergie dans la maison (LED, boiler pompe à chaleur à la place d’un boiler électrique simple, remplacement d’électroménager énergivore etc.).
  • La toiture est de dimensions suffisantes mais présente des zones d’ombres. Il faudra ici analyser les pertes dues à l’ombrage. Il s’agit d’une analyse au cas par cas.

c) L’ombrage fixe / diffus

Une toiture peut-être parfaitement orientée, si elle est constamment dans l’ombre (grand arbre, bâtiment, une ou plusieurs cheminées de grande taille, etc.), elle ne sera pas très productive.

Il convient à ce jour de nuancer cette affirmation. En effet, si une toiture qui est constamment à l’ombre sera improductive, ce n’est pas (plus) le cas des toitures partiellement à l’ombre. Le cas classique est celui d’une cheminée implantée en bas de la toiture et au milieu. À L’instar de l’ombre projetée par la tige d’un cadran solaire, l’ombre d’une telle cheminée balaiera la toiture en fonction de l’heure et donc de la position du soleil.

Par le passé, l’algorithme d’optimisation des onduleurs ne prenait pas, ou mal, en charge la présence d’ombre(s) sur un ou plusieurs panneaux, ce qui entrainait des pertes conséquentes dans la production des panneaux. A ce jour, ce problème est résolu chez certaines marques qui ont optimisé cet algorithme.

Dans le cas où l’ombrage est diffus et important en même temps, il est cependant préférable de travailler avec des optimiseurs ou des micro-onduleurs. Attention toutefois à l’aspect fiabilité sur le long terme, ainsi qu’aux conditions d’intervention en cas de panne! En effet, une intervention en toiture coûte rapidement cher en main d’œuvre et cet aspect n’est généralement pas pris en charge par la garantie de ces appareils.

La meilleure des solutions restera toujours d’éviter autant que possible de placer des panneaux à un endroit ombragé de manière récurrente, surtout de mars à septembre. L’ombrage sur les panneaux en période hivernale est moins grave car moins impactant sur la production annuelle.

Il est possible de modéliser l’ombrage sur une toiture avec certains logiciels, SketchUp par exemple : https://www.sketchup.com/fr/plans-and-pricing/sketchup-free

d) Le type de toiture et son état

Pour assurer la sécurité et la longévité d’une installation photovoltaïque, certaines règles sont à respecter, notamment au niveau de l’état de la toiture.

Dans le cas d’une toiture neuve (moins de 20 ans), les normes en vigueur et l’âge des tuiles ou des ardoises permet d’envisager une pose sans complication. Ce n’est pas le cas des toitures plus anciennes, dont la structure pourrait être insuffisamment renforcée, ou l’élément de couverture (tuile, ardoise, etc.) trop fragile, voire inadéquat (couverture en asbeste-ciment avec amiante par exemple).

Lorsqu’un doute subsiste, il est préférable de faire les travaux nécessaires avant la pose. Cela est logique dans la mesure où une installation est prévue pour durer environ 25 ans. Si la toiture est déjà au terme de sa durée de vie lors de la pose, elle risque fort de ne pas tenir 25 ans de plus. Et dans ce cas, s’il faut intervenir, cela impliquera de démonter l’intégralité des panneaux, de procéder à la réfection de la toiture, puis de réinstaller les panneaux. De gros frais inutiles en perspective…

e) Le dimensionnement du couple « panneaux / onduleur »

Lorsque les besoins en énergie sont établis, et l’implantation et le choix de panneaux réalisés, il convient de sélectionner l’onduleur adéquat. Pour ce faire, plusieurs aspects seront à prendre en compte :

La puissance totale crête des panneaux photovoltaïques, à pondérer par l’orientation et l’inclinaison des panneaux.

Il n’est pas nécessaire d’avoir un onduleur dont la puissance de sortie côté courant alternatif est égale à la puissance maximale d’entrée côté courant continu. D’une part parce que l’onduleur présente des pertes internes, d’autre part parce que les panneaux ne donnent pratiquement jamais leur puissance crête en fonctionnement « normal ». En effet, la puissance crête, dite puissance STC est une puissance obtenue en usine dans des conditions bien spécifiques. En pratique, pour une installation plein SUD et 30° de pente de toit, 125% de surdimensionnement est acceptable, tandis que plein Est/Ouest, 130% convient. Ces valeurs sont conservatoires. Quelques % supplémentaires ne devraient pas poser problème. Afin de s’en assurer, l’excellent programme « sunny design web » du fabricant SMA permet de réaliser des simulations. https://www.sunnydesignweb.com/sdweb/#/

La répartition des panneaux sur une ou plusieurs chaînes de panneaux (une chaine de panneaux est une succession de panneaux au sein de laquelle la tension de ceux-ci s’additionne).

Lors de la pose des panneaux photovoltaïques, ceux-ci seront raccordés en série ou en parallèle. Dans le cas d’un raccordement en série, la tension s’additionne, dans le cas d’un raccordement en parallèle, c’est l’intensité qui s’additionne. Il faut donc que les caractéristiques des chaînes de panneaux au niveau de l’intensité et de la tension correspondent aux caractéristiques de fonctionnement des onduleurs. Dans le cas contraire, l’onduleur pourrait se mettre en sécurité, fonctionner avec un mauvais rendement, ou être simplement détruit (surtension ou surintensité). Les onduleurs actuellement sur le marché sont toutefois beaucoup plus tolérants qu’auparavant. Cela permet de fonctionner avec une grande variabilité de tension et d’intensité.

-La tension en circuit ouvert des différentes chaînes de panneaux

Deux aspects sont à prendre en considération : l’aspect légal, qui impose des maximums de 750V courant continu en domestique, et 1.000V courant continu en industriel, et l’aspect technique, c’est-à-dire la tolérance technique du matériel tel que le câble solaire, généralement 1.000V courant continu et l’onduleur, variable en fonction des modèles. Attention à prendre en compte la variation de la tension maximale en fonction de la température. En effet, plus la température est basse, plus la tension est haute (et inversement).

-La présence ou non d’ombre(s) et l’impact de celle(s)-ci.

Si l’installation est fortement ombragée, il peut être utile d’envisager une scission de l’installation entre plusieurs onduleurs (ou sur plusieurs entrées d’un même onduleur), afin d’éviter un impact de l’ombrage sur tous les panneaux. Une autre possibilité est d’opter pour des micro-onduleurs ou optimiseurs (appareils qui s’installent au dos de chaque panneau pour une gestion individuelle de ceux-ci). Attention toutefois dans ce dernier cas à l’aspect de la garantie, avec la question de la prise en charge de la main d’œuvre pour aller remplacer ces appareils en toiture en cas de défaillance (coûteux !).

Une fois ces différentes données établies, il suffira de sélectionner l’onduleur le plus approprié parmi ceux disponibles sur le marché. Chaque situation étant différente, il importe de faire appel à un professionnel pour réaliser une analyse technique correcte. Méfiez-vous d’un « professionnel » qui ne regarde pas votre toit, ou votre installation électrique !

f) La capacité d’investissement et le retour sur investissement

Si l’installation est techniquement réalisable, encore faut-il qu’elle soit rentable. En d’autres termes, que les revenus provenant de la production d’énergie suffisent à rembourser le coût de l’investissement, et de l’entretien sur la durée de vie de l’installation. Si la rentabilité est évidente sur une grande installation, orientée plein sud, et une couverture en tuile, elle serait plus complexe à justifier dans le cas de petites installations, nécessitant des panneaux haut rendement, en présence d’ombre et/ou avec une orientation plein Est/Ouest voire Nord. Ici aussi, l’analyse aura lieu au cas par cas.

N’oublions toutefois pas dans nos projections financières que le prix de l’énergie est amené à augmenter fortement dans les années à venir.

Analyse d’une fiche technique de panneau

Comment lire une fiche technique de panneaux ?

Plusieurs types de données sont généralement présentées concernant un panneau solaire. Les données électriques STC, les données électriques NOCT et les coefficients de température sont les plus intéressants.

STC « standard test condition ».

Il s’agit de conditions de fonctionnement quasi optimales, répondant à des critères précis. Plus précisément, il s’agit de l’irradiation du panneau par une puissance de 1000W/m², avec un angle d’incidence de 41.8° par rapport à l’horizontale, un spectre électromagnétique (composition de la lumière au niveau des longueurs d’ondes) «  AM 1.5 » et une température de cellule de 25°, entre autres. Ces conditions ne sont qu’exceptionnellement rencontrées dans nos pays.

Les éléments significatifs sont :

  • La puissance crête : la puissance de sortie du panneau sous condition STC (en Watts).
  • La tolérance de puissance de sortie : la variation tolérée autour de la puissance crête annoncée (en Watts).
  • La tension à puissance maximale : la tension de sortie d’un panneau sous condition STC en production, donc en circuit fermé (en Volts).
  • L’intensité à puissance maximale : l’intensité de sortie d’un panneau sous condition STC en production, donc en circuit fermé (en Ampères).
  • La tension de circuit ouvert : la tension de sortie d’un panneau sous condition STC en circuit ouvert donc hors production (en Volts).
  • L’intensité de court-circuit : l’intensité de sortie d’un panneau sous condition STC quand les pôles + et – sont en court-circuit (en Ampères)
  • Le rendement du module : pourcentage de conversion de l’énergie électromagnétique irradiée sur le module en énergie électrique effectivement restituée par le panneau (en pourcentage).

 

NOCT « normal operating temperature cell ».

Cette norme correspond à une situation plus proche du fonctionnement en conditions réelles du panneau, soit 800W/m². Elle est plus pratique pour comparer deux panneaux entre eux.

Les éléments significatifs sont :

  • La puissance crête : la puissance de sortie du panneau sous condition NOCT, en Watts.
  • La tension à puissance maximale : la tension de sortie d’un panneau sous condition NOCT en production, donc en circuit fermé (en Volts).
  • L’intensité à puissance maximale : l’intensité de sortie d’un panneau sous condition NOCT en production, donc en circuit fermé (en Ampères).
  • La tension de circuit ouvert : la tension de sortie d’un panneau sous condition NOCT en circuit ouvert donc hors production (en Volts).
  • L’intensité de court-circuit : l’intensité de sortie d’un panneau sous condition NOCT quand les pôles + et – sont en court-circuit (en Ampères).
  • Les coefficients de température.
  • Température nominale de cellule : la température de la cellule dans les conditions de test NOCT (en Kelvin)
  • Coefficient de température de PMAX : la variation de puissance de sortie (en pourcent) du panneau selon la température de la cellule (en Kelvin). Quand la température monte, la puissance diminue.
  • Coefficient de température de VOC (open circuit voltage) : la variation de tension (en pourcent) du panneau en circuit ouvert par degré supplémentaire (En Kelvin). Quand la température monte, la tension diminue.

Que retenir?

En résumé, un panneau perd de la puissance lorsque la température augmente. Donc, pour donner la puissance la plus élevée, un panneau photovoltaïque a besoin d’une bonne irradiance, MAIS aussi d’une température basse. C’est la raison pour laquelle la norme NOCT est plus adéquate pour juger de la puissance réelle d’un panneau.

Malheureusement, certains fabricants, sachant que leur panneau manque de performance à haute température (grosse perte de tension lorsque la cellule chauffe) ne mentionnent pas les valeurs NOCT. Méfiance dans ce cas…

Un bon coefficient de température de puissance maximal se situe aux alentours de 0.3%, c’est le cas du Sunpower Maxeon par exemple. Un coefficient standard se situe vers 0.4%.

En fonctionnement, avec des panneaux qui peuvent monter vers 70-80°, la différence entre un bon panneau et un panneau standard au niveau de la variation de puissance selon la température de la cellule, peut atteindre 3-4%. Ce n’est donc pas anodin, si on rapporte la différence sur une année complète, surtout sous les climats chauds.

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