RENDEMENT D'UNE INSTALLATION DE PANNEAUX PHOTOVOLTAÏQUES

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| Calculs théoriques | Influence d'un masque | Influence de la température |

| Calcul de la production réelle compte tenu de toutes les pertes |

| Tester les routines de calcul | Annexes |

 

On lit par exemple, que globalement, une installation de P Kwc ( Kwc = Kilowatt crête ) produira dans le Sud de la France une énergie E = 1.2 * P en Kwh et dans le Nord 0.9 *P Kwh.

Comprenons nous : si on pose dans le Sud des panneaux de 2900 Wc = 2.9 Kwc ils produiront E = 2900*1.2 = 3190 Kwh (Information confirmée sur un site de simulation, pour une orientation sud et une pente de 30° à 2800 Kwh )

Dans cette page, nous allons essayer d'identifier les paramètres qui jouent sur le rendement.

Qu'est-ce que le Kilowatt crête ( en abrégé KWc )?

C'est la puissance d'un panneau produisant 1 Kwh en 1 heure d'éclairement, dans des conditions idéales, avec les rayons solaires suivant la normale aux panneaux.

En clair, quand l'état autorise l'installation chez un les particulier de panneaux de puissance maximum 3 KWc, cela signifie que quelques jours de l'année ( et encore ceci dépend de la région ), à  une heure optimale, où le soleil éclairera les panneaux perpendiculairement à leur surface, s'il n'y avait aucune perte, il produiraient 3000 Wh pendant 1 heure.

Exemples :

1 - Vous habitez sur le méridien de Greenwich, à une latitude de 48°.5, le toit de votre installation de 2800 Wc ( 16 panneaux de 180 Watts ) pointe le sud et est incliné de 25°, vous n'aurez  les rayons du soleil perpendiculaires aux panneaux que le 21 juin à 14 h. Voici ce que donne le programme VOLTAIC1 pour une latitude de 48°.44, un toit incliné de 25° orienté sud

Nb : Ne soyez pas étonné de ne pas obtenir les 2800 Watts espérés. En effet la donnée constructeur 2800 Wc suppose un éclairement solaire de 1000 Watts/m² dans les conditions AM1.5. Dans notre cas, le Soleil, à 14 h a une hauteur de 65° et l'épaisseur atmosphérique traversée ne permet pas d'obtenir les 1000 Watts, il parvient seulement environ 900 W/m² sur les panneaux.

2 - Pour un lieu ( Hémisphère nord ) de latitude LAT, une pente de toit PENTE, orienté plein sud, vous ne pouvez avoir le soleil perpendiculaire à vos panneaux, que si

LAT <= PENTE + 23°.44

Vous obtiendrez la puissance maximum pendant une période d'autant plus longue que la latitude est petite.  

3 - Pour les mêmes données que ci-dessus, mais au solstice d'hiver, la puissance est nettement moindre.

I PRECISIONS SUR LE RENDEMENT ENERGETIQUE:

Le rendement global K du système inclus l’ensemble des pertes provoquées par ses composants, des modules jusqu’au point d’injection du courant alternatif sur le réseau de distribution.

Le calcul du rendement permet de rendre compte de la qualité de fonctionnement d’une installation, indépendamment d'autres paramètres qui sont imposés( latitude, orientation, inclinaison du toit ) ou technologie des panneaux ( mono cristallins ou poly cristallins … ) Il relie l'énergie produite à l'irradiation reçue

E = F x a x S x R

E énergie produite /an (KWh/an)

F    Irradiation annuelle reçue par les panneaux ( KWh/m²/an )

a  Rendement constructeur ( entre 12 et 18 % )

S surface des panneaux ( m² )

K rendement global

Il faut bien préciser les termes. Le résultat énergétique global d'une installation dépend de:

1 - La qualité du matériel, mais une fois installé, les performances ne varient plus sauf avec  le vieillissement. Par exemple un panneau de 1.3 m² délivre 180 W crête, alors qu'il reçoit 1300 W, donc a = 13.7 %. Ce rendement est verrouillé et ne baissera qu'avec l'âge de l'installation.

2 - L'orientation du plan de l'installation et la région, là encore la performance est verrouillée.

3 - Les conditions de montage et les paramètres physiques de fonctionnement, c'est ce dernier point qui est le plus intéressant et qui peut différentier 2 installations  identiques sur les points 1 et 2. Nous ne nous intéressons donc qu'à R.

1-           Le matériel :

Tirés de ADEM : http://www.ademe.fr/particuliers/Fiches/reseau/rub4.htm

Informez-vous sur le matériel : Les modules au silicium cristallin, les plus répandus, peuvent avoir une durée de vie d’une trentaine d’année.

Exigez la garantie du constructeur et la référence aux normes NF-CEI 61215 (silicium cristallin) et NF-CEI 61646 (couches minces). Les onduleurs récents sont eux aussi très fiables : ils sont censés tenir dix ans en moyenne avant la première panne.

L’ensemble des conditions techniques garantissant la qualité et la pérennité d’une installation photovoltaïque est contenu dans l’ouvrage : "Générateurs photovoltaïques raccordés au réseau. Guide de rédaction du cahier des charges techniques de consultations à destination du maître d'ouvrage" (n°5047 - disponible fin Mai 2004 - ADEME Editions - Angers).

On distingue les panneaux mono cristallins pouvant atteindre 18%, des poly cristallins avec 16%. Il faut comprendre que c'est l'énergie maximum produite avec un panneau face au soleil, qui fournit 1000 watts/m² et donc le panneau recueille au maximum 160/m² en poly cristallin. La réalité est plus proche de 14 que de 16 % pour les 2 types.

2-           Le montage :

Illustrons la chaîne de production énergétique, en partant de l'énergie que le soleil nous envoie gratuitement, avec naturellement les précautions liées aux paramètres variables qui l'influencent

NB :Chaque niveau de calcul est traité par des routines de plus en plus complètes, pour rendre compte de la réalité des transformations de l'énergie fournie par le soleil. Vous les trouverez dans les paragraphes qui suivent.  

PROBLEME IMPORTANT :

Ce qui n'est pratiquement jamais signalé par les installateurs ou les démarcheurs, c'est le rôle négatif très important des ombres. 

Ne pas confondre ombres et masques. On appelle masque, un écran ( verdure, immeuble, angle de maison ) relativement important qui "intercepte" la lumière du soleil et réduit la puissance à 0.

Une ombre est un obstacle mineur, arbre, pylône etc... qui n'intercepte qu'une partie très limitée du rayonnement solaire avec une grande partie de l'installation pleinement éclairée et un ou deux panneaux peu éclairés. 

Les panneaux sont en général groupés en série  ( par exemple les 16 panneaux sont répartis en 2 groupes de 8 panneaux en série) et en parallèle ( par exemple les 2 groupes précédents sont reliés en parallèles . Donc pour fixer les idées si un panneau fonctionne en 30 Volts, le groupe de 8 donnera 240 volts et le montage parallèle conservera cette tension 240 V, en multipliant par 2 l'intensité.

Le problème est qu'en série, tous les éléments sont traversés par la même intensité, donc si l'un d'eux "NE PRODUIT PAS" ( il s'oppose au passage du courant ), c'est tout le groupe de 8 qui ne produit pas.

Donc une ombre même légère est catastrophique, d'autant plus si elle se "promène" sur l'installation. 

I NOTIONS ASSOCIEES AU RENDEMENT INSTANTANE :

L'important pour un propriétaire d'une installation photovoltaïque est de prévoir l'énergie réelle que l'on peut espérer, énergie qui résulte de la puissance.

Ainsi, pour une puissance instantanée Pth ( théorique ) effectivement captée par les panneaux, c'est à dire en conditions idéales, en ne tenant compte que de l'angle d'incidence), le compteur de vente à EDF, indiquera une puissance Pr réelle moindre.

On appelle donc rendement instantané le nombre K ( à ne pas confondre avec R ) :

 

Bien évidemment K n'est pas une constante, ce qui complique les calculs de production à l'année.

III FACTEURS INFLUANT SUR LE RENDEMENT K:

Tiré du site http://www.photovoltaique.info/Rendement-d-un-systeme.html, le rendement dépend de

·           le rendement de l’onduleur et son adaptation aux caractéristiques du champ photovoltaïque.

·           la présence de masques (proche et lointain)

·           les pertes dans les câbles

·           la température de fonctionnement des modules

·           la qualité d’appairage des modules selon leurs caractéristiques réelles (mismatch)

·           la typologie de câblage des séries de modules tenant plus ou moins compte des masques proches.

·           la tolérance sur la puissance crête de l’installation (divergence entre puissance théorique nominale et puissance réellement installée)  

·           l'épaisseur d'atmosphère traversée par les rayons lumineux qui joue sur l'absorption et la diffusion de la lumière et de certaines longueurs d'onde, suivant les composants atmosphériques.

Voir la notion de coefficient AIR-MASSE

a)    Les conditions de fonctionnement des équipements :

Comme tout système physique, les caractéristiques  du système sont fournies dans un cadre très strict.

Par exemple le constructeur donne une puissance nominale de 180 Watts/panneau ( à + ou  - 3% )  sous les contraintes suivantes:

à Ciel parfaitement dégagé, sans nébulosité, avec un Soleil délivrant perpendiculairement au panneau 1000 W/m² ( constante solaire au sol avec les conditions AM1.5 ( voir annexes ) )

à Température de fonctionnement de 25°C. Si la température des panneaux croît, l'énergie fournie décroît.

En moyenne la perte est évaluée à environ 0.4 % /°C

Les fabricants de panneaux fournissent ces données, dans les caractéristiques du matériel.

à NB : Pour moi il est possible que les 3% d'écart  proviennent des variations de la distance Terre-Soleil qui augmente environ de 1.5% à l'apogée ( En janvier ) et diminue environ de 1.5% au périgée ( en juillet ), variations par rapport à la distance moyenne ( 1 UA = 149.6 millions de Km ).

Comme le flux lumineux varie en raison de l'inverse du carré de la distance et que ces variations sont petites, tout esprit physicien retrouvera un écart de 3% dur l'énergie reçue.

Donc dans un calcul rigoureux, cette quantité ne fait pas vraiment partie du rendement, puisque c'est une variation maîtrisée par le calcul exact ( tenant compte de la date et de l'heure ).

b)    Les facteurs du rendement:

Ils sont multiples et liés à l'installation:

1 - La température de fonctionnement des panneaux ( Certainement plus importante que la température ambiante extérieure ) est de loin le facteur le plus important. Généralement les caractéristiques constructeurs sont données à 25°C

Les variations de voltage sont de - 0.04 V/°C et celle d'intensité de - 0.38 A/°C

On peut facilement imaginer une température de 60°C l'été soit un diifférentiel DT = 35°C par rapport à 25°C, ce qui donne, par un calcul de différentielle logarithmique, sur P = U * I en continu:

DP/P = dV/V + dI/I = - [0 .04 + 0.38 ] x 35 = 14.7 % disons - 15% . C'est cette perte qui justifie qu'en Belgique où la température est moins élevée que dans le midi de la France et le flux solaire plus faible, le rendement n'est guère plus faible que dans le midi où la température monte très haut et le flux solaire est plus grand.

2 - La présence d'un masque :

Ce peut être des arbres ou des bâtiments qui à certaines heures de la journée et certainement plus fréquemment en hiver qu'en été, privent les panneaux de lumière. Bien évidemment, il m'est impossible de chiffrer les pertes. Cependant, dans les routines que j'ai développées, vous pourrez tester et calculer en grandeur nature et pour le masque éventuel qui vous concerne ou vous intéresse, les pertes.

3 - Le câblage et l'onduleur :

Voir à Excellent exposé scientifique, réalisé par des ingénieurs: http://labs.ti.bfh.ch/fileadmin/user_upload/lab1/pv/me_05.pdf

Les pertes dans les raccordements dépendent bien sûr de leur longueur et du dimensionnement, les spécialistes avancent le chiffre d'une perte de 0.5%, ce qui est faible.

Quant à l'onduleur, le problème est beaucoup plus complexe, car ses performances dépendent de sa technologie et de son aptitude à travailler au point optimal.

Une valeur raisonnable des pertes est de l'ordre de 3 à 5%.

Bien évidemment K n'est pas une constante, ce qui complique les calculs de production à l'année.

IV CALCULS REELS DE PRODUCTION :

Il est clair que je ne peux pas connaître la météorologie du lieu où habite un visiteur de mon site.

Pour simuler la production réelle, en sortie de l'onduleur, c'est à dire pour connaître l'énergie revendue à EDF, vous pouvez lancer le programme PRODUCT.EXE qui vous demandera :

Vos coordonnées géographiques

Les caractéristiques de votre installation, inclinaison de toit et son orientation, nombre de panneaux et puissance de chacun

Les masques éventuels en créneaux horaires

Les températures caractéristiques dans la journée et celle estimée des panneaux solaires, à partir desquelles on modélise le comportement en température et rendement du système complet.

La date

Le rendement de l'onduleur, si vous le connaissez, sinon donnez 0.965 ( par exemple pour 96.5% )  

Le rendement du câblage, si vous le connaissez, sinon prenez 0.99

Lancer PRODUCT.EXE  

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Annexes:

Constante solaire en fonction du nombre air masse :d'après l'excellent site

http://www.cythelia.fr/images/file/Convertisseurs%20photovoltaiques_Alain%20Ricaud_Nov-07.pdf 

En provenance de http://www.smf.asso.fr/Ressources/Bessemoulinbis31.pdf

Le rayonnement hors atmosphère

Quelques liens :

Calcul puissance rayonnement

http://f5zv.pagesperso-orange.fr/RADIO/RM/RM23/RM23e/RM23e03.html

http://chimix.com/an10/concours10/general03.html

http://www.ines-solaire.com/solpv/page15.html

http://sti.ac-dijon.fr/IMG/presentation_PV.pdf très bien

http://www.caue71.fr/doc/169_lation-solaire-photovolta-que-collectivit-s-v2.pdf

http://www.smf.asso.fr/Ressources/Bessemoulinbis31.pdf excellent 

Modèle excellent de rapport très détaillé

 http://www.archelios.fr/images/1003/Rapport_Maison_Zen_1003.pdf

-------   Revu le 18 novembre 2010   ------