Champ photovoltaïque

Le champ photovoltaïque est l’ensemble des panneaux montés en série et en parallèle pour atteindre une tension et un courant plus grands.

Pour déterminer le nombre de panneaux à utiliser en série et en paral-lèle, on part de la tension nominale à atteindre que l’on divise par la tension au point de puissance maximale d’un panneau au NOCT. Le nombre de panneaux en parallèle sera fonction de la puissance dési-rée. Lorsque plusieurs panneaux sont connectés en série, il faut se rappeler que, même à éclairage faible, la tension ouverte atteint envi-ron 1.4 fois la tension au point de puissance maximale. Cette tension à vide multipliée par deux plus 1000 V est la valeur d’isolement pres-crite pour les installations reliées au réseau. Pour un système typique de 3 kW comportant 6 panneaux en série fonctionnant à 100 V, la ten-sion ouverte est d’environ 140 V et l’isolement prescrit de 1280 V.

Le montage d’un champ de panneaux photovoltaïques sur une struc-ture existante (toit, terrasse…) entraîne une charge pondérale sup-plémentaire de l’ordre de 15 kg / m² de module. Cette masse ne devrait pas dépasser 15 % de la charge maximale admise pour le toit ou la terrasse en question.

Les effets du vent sont également considérables surtout si les pan-neaux sont distants et non intégrés au bâtiment ; un calcul permet-tant le dimensionnement des structures porteuses est proposé au chapitre 5.

L’aspect esthétique du champ doit être estimé avant sa construction : on essayera de limiter au maximum l’impact visuel des panneaux qui reflètent la lumière par leur verre et de les intégrer le plus pos-sible dans la structure déjà construite. Par exemple, on évitera de monter des panneaux sur un toit avec un angle différent de celui du toit. On préférera des supports bas sur une terrasse, moins visibles qu’une structure haute.

3.5.1 Mise en série de modules, appairage

La mise en série des modules permet d’augmenter la tension du champ.

Pour déterminer le nombre de panneaux à connecter en série, il faut connaître la tension nominale nécessaire et la tension de fonction-nement des modules.

Pour des systèmes autonomes chargeant des batteries, la tension nominale est le plus souvent un multiple de 12 V, tension de charge prévue pour les panneaux ayant de 33 à 40 cellules. Le choix dans ce cas dépend de la température ambiante du site qui détermine le choix du module, les panneaux à grands nombre de cellules pour les pays chauds, à nombre de cellules plus faible pour les pays tempé-rés. Ensuite on connecte en série le même nombre de panneaux que de batteries 12 V en série.

Pour les installations reliées au réseau, la tension nominale du champ devra se trouver si possible au milieu de la plage de fonc-tionnement de l’onduleur. Cette plage de tension correspond aux limites de fonctionnement du MPT (Max Power Tracker) de l’ondu-leur (cf. chapitre 4). Par exemple, un ondul’ondu-leur fonctionnant entre

Installation réseau typique

80 et 120 V de tension d’entrée déterminera une tension nominale de 100 V. Ces 100 V de tension nominale devraient correspondre à la tension de puissance maximale des panneaux en série à NOCT, qui est proche de la valeur moyenne de fonctionnement sous nos latitudes. En prenant par exemple un panneau monocristallin de 36 cellules, dont on connaît le coefficient de température en tension (CT (V)) et les autres caractéristiques :

V (pmax) = 17.4 V à 25°C

NOCT = 47°C

CT (V) = – 73.5 mV / °C on obtient

V (pmax) = 15.8 V à NOCT

et en connectant 6 modules en série, on obtient une tension de puis-sance maximale de champ :

V (pmax) ch. = 94.8 V au NOC

Cette valeur est légèrement plus faible que l’optimum de 100 V mais elle devrait faire l’affaire.

On peut encore vérifier que, durant toute l’année, l’onduleur pourra fonctionner au point de puissance maximale du champ en estimant les températures extrêmes de l’hiver et de l’été.

La plage de température de modules correctement ventilés peut être estimée entre 0 et 60°C en plaine. Les valeurs de champ deviennent alors :

CT (V) ch = – 441 mV / °C V (pmax) = 115.5 V à 0°C V (pmax) = 89.1 V à 60°C

On remarque que les extrêmes sont bien à l’intérieur de la plage de fonctionnement de l’onduleur.

Un autre facteur est à considérer lorsqu’on connecte plusieurs modules en série : en première approximation, le courant obtenu sera limité par le courant du « plus mauvais panneau » de la chaîne.

Il est donc intéressant, avant de monter un champ, de trier les pan-neaux et de connecter en série ceux ayant des courants à la puis-sance maximale le plus proche possible. Certains constructeurs indi-quent les mesures détaillées de chaque panneau, ce qui facilite ce tri. Sinon, on peut trier les panneaux en les mesurant à l’aide d’une charge électronique à tension fixe, ou d’une batterie par beau temps.

L’appairage permet de gagner quelques pourcent de courant et il est particulièrement important lorsqu’on travaille à tension fixée (charge d’une batterie d’un système isolé). Le programme PVSYST permet d’estimer les gains de l’appairage.

3.5.2 Effets de l’ombre

On a vu que le courant d’un panneau ou d’un champ est limité par celui de la plus mauvaise cellule ou du plus mauvais panneau.

L’ombre va jouer le même effet : si une seule cellule de la chaîne est à l’ombre, le courant total sera limité par le courant de cette cellule.

Il est donc impératif d’éviter au maximum les ombres provoquées par les obstacles proches. Un piquet devant un champ photovol-taïque pourra considérablement réduire la puissance si son ombre balaie le champ durant la course du soleil.

Tension optimale

Un autre effet beaucoup plus insidieux apparaît lorsqu’une cellule est ombrée, le reste du panneau étant au soleil : cet effet est appelé Hot Spot (point chaud) et il peut entraîner la destruction de la cellule ombrée.

On a vu que la cellule solaire n’est ni une source de courant, ni une source de tension mais qu’elle peut jouer ces deux rôles suivant la charge qui lui est connectée : c’est-à-dire qu’elle va fonctionner au point de puissance donné par la charge. En reprenant l’exemple du panneau à 36 cellules, on peut essayer de chiffrer les dégâts à une température de cellule de 25°C en partant des hypothèses suivantes : – une cellule d’un panneau de la chaîne est ombrée par une feuille

très opaque laissant passer seulement 20 % de lumière ; – toutes les autres cellules sont sous irradiance maximale.

La figure 3.23 présente la caractéristique I-V d’un panneau dans ces conditions : on remarque que le point de fonctionnement de la chaîne est calculable par itération pour déterminer le courant. Pour chiffrer l’exemple, on fait l’hypothèse que la chaîne n’est pas seule mais que d’autres chaînes en parallèle imposent une tension de fonctionne-ment de 105 V (point typique à 25°C de cellule).

Pour commencer, essayons un courant de fonctionnement de 2 A, correspondant à une tension nulle pour le panneau ombré. Pour les autres panneaux au soleil, la tension correspondante est de :

V (2A) = 20 V

V (5 pan) = 100 V

La tension atteinte est trop faible, le courant doit alors être légère-ment plus faible. A 1.5 A, le panneau ombré fournit une tension de 4 V environ tandis que les panneaux au soleil atteignent :

V (1.5A) = 21 V V (5 pan) = 105 V

La tension totale atteint maintenant : V (chaîne) = 105 + 4 = 109 V

Cela signifie que le point de fonctionnement doit se trouver entre ces deux valeurs et que la cellule ombrée aura un point de fonctionne-ment donné par environ :

V (cell) = –18 V I (cell) = 1.75 A

C’est l’effet Hot-Spot évoqué plus haut. A ce point, la cellule dépasse 100°C. Mais cet effet devient plus grave lorsque le panneau fonc-tionne à plus haute température. A NOCT, si le point de foncfonc-tionne- fonctionne-ment du champ est de 94.8 V (3.14), l’ensemble de la chaîne va tra-vailler à 2.2 A et le point de fonctionnement de la cellule ombrée passe à :

V (cell) = –22 V I (cell) = 2.2 A

La puissance a fortement augmenté dans une ambiance plus chaude : dans ce cas les connections à la cellule ombrée risquent de s’ouvrir et le panneau ne laissera plus passer de courant.

P (cell) = 48.4 W P (cell) = 31.5 W

Hot Spot

3.5.3 Protection par diode antiparallèle

Pour remédier à ce problème, on monte en parallèle avec chaque panneau, une ou deux diodes by-pass, en opposition, c’est-à-dire avec la cathode au + du panneau : la tension inverse du panneau ne peut alors pas dépasser la tension directe des diodes, soit environ 1 ou 2 V. La figure 3.24 présente la courbe I-V d’un panneau protégé par une diode by-pass.

On remarque qu’une cellule ombrée peut encore atteindre toute la tension directe des autres cellules du panneau et un courant de 2 A avant que la diode ne conduise. En reprenant les deux exemples ci-dessus, on remarque qu’à 25°C, la diode ne fonctionne pas, le pan-neau fournissant encore une légère tension positive ; mais à 47°C (NOCT), la protection de la diode agit et limite la puissance dissipée par la cellule ombrée à 41 W au lieu de 48.4 W sans diode.

Figure 3.23 Panneau ombré sans protection

Figure 3.24 Panneau et une diode by-pass Diode by-pass

Ces deux exemples montrent qu’une diode by-pass n’est pas une protection absolue et qu’une cellule ombrée peut tout de même atteindre un point de fonctionnement qui pourra l’endommager.

C’est pourquoi les normes européennes imposent des protections qui font appel à deux diodes by-pass. La figure 3.25 présente la courbe I-V d’un panneau ombré à deux diodes by-pass.

Dans ce cas, la puissance maximale que peut atteindre la cellule ombrée est de 11 W à 25° C, ce qui fait monter sa température à 61° C.

Ce niveau de température n’est maintenant plus destructeur et le panneau est efficacement protégé.

Figure 3.25

Panneau et 2 diodes by-pass

Ces courbes ont été tracées par le logiciel PVSYST qui permet de varier les données pour s’adapter à un cas de figure précis.

Le câblage de la chaîne de panneau est ainsi schématisé à la figure 3.26 où l’on montre le point milieu des panneaux où sont connectées les deux diodes by-pass.

La plupart des constructeurs font sortir ce point de la chaîne de cel-lules avec une seule connection, d’autres sortent deux câbles, ce qui permet d’éventuellement utiliser les panneaux à demi-tension en connectant chaque moitié en parallèle.

Un autre constructeur important groupe ses cellules en trois rangées, ce qui rend difficile la connexion du point milieu (au centre du pan-neau) : dans ce cas les deux diodes by-pass sont connectées en paral-lèle avec deux tiers du panneau, soit deux fois 24 cellules, ce qui donne une caractéristique ombrée tout à fait particulière si une cel-lule ombrée est au milieu du panneau.

3.5.4 Mise en parallèle de modules

La mise en parallèle des modules ne pose pas de problème particu-lier. Plusieurs panneaux connectés en parallèle vont travailler à la même tension, leurs courants respectifs s’additionnant.

Un champ de panneaux photovoltaïques alimentant un onduleur comporte le plus souvent plusieurs chaînes de modules connectées en parallèle : l’exemple habituel d’installation de 3 kW à 6 modules en série comporte en général 9 à 10 chaînes en parallèle.

On a vu que l’appairage des panneaux mis en série est avantageux pour optimiser la puissance : pour optimiser la mise en parallèle, il faut si possible après appairage des courants essayer d’obtenir des sommes de tensions les plus homogènes possible entre chaînes et ajouter une diode en série avec chaque chaîne de panneaux.

La diode série assure qu’aucun courant ne peut circuler d’une chaîne dans l’autre : par exemple, si une chaîne comporte des panneaux moins performants (résistance shunt plus faible), elle ne pourra pas absorber de courant provenant des autres chaînes. Ce phénomène est surtout important aux faibles niveaux d’irradiance ou lorsqu’un panneau d’une chaîne subit un ombrage. La présence de la diode série permet également de mesurer une chaîne de panneaux (par exemple courant de court-circuit) sans ouvrir le câblage.

Enfin, on groupera les modules de façon à ce qu’une ombre impor-tante touche si possible tous les panneaux d’une même chaîne et non pas un panneau de chaque chaîne. Ceci est particulièrement important pour les modules montés sur une terrasse en sheds.

Figure 3.26

Chaîne de panneaux protégés Conditions NOCT

Diode de blocage

Upmax out = 94.8 V

Ipmax out = 3.06 A

Pmax out = 290 W Panneaux 53 W

Upmax 15.8 V

Diodes by-pass

Diode série (de blocage)

L’ombre du premier shed en hiver va commencer tout en bas du shed suivant : il faut si possible connecter les panneaux en séries hori-zontales de manière à ce que l’ombre horizontale touche tous les pan-neaux des mêmes chaînes. Dans ce cas la diode de blocage série par chaîne va empêcher un courant inverse vers la chaîne ombrée.

Il n’est pas utile d’effectuer des liaisons parallèles supplémentaires autres qu’aux extrémités de chaînes. Ceci pourrait être dangereux en cas d’ombre partielle, le courant inverse pouvant devenir important si plusieurs panneaux en parallèle peuvent le fournir. Dans le cas des panneaux de puissance comportant plusieurs cellules en parallèle, les diodes by-pass sont dimensionnées pour supporter la somme des courants pouvant provenir des cellules. On montre à la figure 3.27 un champ de panneaux typique.

Figure 3.27

Champ photovoltaïque

3.5.5 Dimensionnement du champ photovoltaïque

Ce point sera développé en détail au chapitre 8 ; cependant on peut remarquer que la majorité des petits systèmes de 3 kW installés en Suisse ces dernières années ont été systématiquement dimension-nés selon la règle puissance continue (panneaux) = puissance alter-native (onduleur) sans s’intéresser au coût final de l’énergie qui en résultait. Un étude publiée en juin 1994 [4] montre que cette manière de faire est un peu naïve et que le surdimensionnement du champ de panneaux permet de produire du kWh photovoltaïque à meilleur coût.

Conditions NOCT

Upmax out = 94.8 V

Ipmax out = 9.18 A

Pmax out = 870 W Panneaux 53 W

Ombre horizontale

Dans cette étude, deux installations sont mesurées et dans les deux cas, la puissance installée était surestimée par le fabricant (9 et 12 %) ; ceci a souvent été confirmé lorsque des installations en Suisse ont été mesurées par des laboratoires indépendants.

Courants parasites

Il est recommandé avant de commander des panneaux solaires d’obtenir une garantie de puissance du fournisseur et de préci-ser toutes les modalités de cette garantie : par exemple qui endosse la garantie, le fabricant ou l’importateur, où est le for juridique, etc.

Cette remarque est également valable pour la garantie de durée de vie des panneaux. Si l’on veut dimensionner le champ photovol-taïque de manière à optimiser le coût de l’énergie produite, on verra que ce champ sera plus puissant que l’onduleur, ce qui nous impose de demander de la part du fabricant d’onduleurs une garantie spé-ciale :

L’onduleur doit pouvoir fonctionner continuellement à sa puis-sance maximale même si le champ de panneaux peut fournir une puissance plus importante.