Performances de deux installations photovoltaïques

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Performances de deux installations photovoltaïques

SCHAUB, Patrick, MERMOUD, André, GUISAN, Olivier

Abstract

L'étude détaillée de systèmes photovoltaïques nous a permis de mettre en évidence les principales sources de pertes qui les affectent et d'expliquer comment on passe, pour un système, d'une efficacité nominale des panneaux photovoltaïques de 12.4 % à une efficacité réelle du système de 8 %. Les effets spectraux sont significatifs, mais non quantifiables dans ce contexte. Les autres effets sont explicités en fonction de l'ensoleillement, défauts de caractéristiques et onduleurs jouant un rôle prépondérant.

SCHAUB, Patrick, MERMOUD, André, GUISAN, Olivier. Performances de deux installations photovoltaïques. In: CISBAT': [Conférence internationale Energie solaire et bâtiment]. Lausanne : EPFL, 1993. p. 281-286

Available at:

http://archive-ouverte.unige.ch/unige:115561

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PERFORMANCES DE DEUX INSTALLATIONS PHOTOVOLTAÏQUES

...

RESUME

. alaii6, A. Mermoud, 0. Guisan GAP/CUEPE Université de Genève

4, chemin de Conches 1231 Conches

Tel : (022) 789 13 11, Fax (022) 789 25 38

L'étude détaillée de systèmes PV nous a permis de mettre en évidence les principales sources de pertes qui les affectent et d'expliquer comment on passe, pour un système, d'une efficacité nominale des panneaux PV de 12.4 % à une efficacité réelle du système de 8 %. Les effets spectraux sont significatifs, mais non quantifiables dans ce contexte. Les autres effets sont explicités en fonction de l'ensoleillement, défauts de caractéristiques et onduleurs jouant un rôle prépondérant.

ABSTRACT

By a careful monitoring and analysis of PV systems, we have evaluated the different losses affecting such systems. We show, for one system, how its overal efficiency of 8 % can be deduced from the nominal efficiency of 12.4 % of the corresponding PV modules.

Spectral effects are significant but can not be evaluated. The other effects are expressed in function of the solar radiation. PV module characteristics lower than expected and inverters are responsible for the main losses.

1. INTRODUCTION

Nous avons étudié, de manière détaillée, deux installations photovoltaïques à Genève

)

dont les panneaux, de marque Arco et Atlantis M55, sont installés en rangées inclinées (chèdes) sur des toits plats et contenant des cellules en Si-monocristallin.

La première est une installation pilote d'une puissance nominale de 2.2 kW située sur un bâtiment des Transports Publics Genevois (TPG). Elle est connectée directement sur la ligne aérienne des trolleybus à la tension fixe de 600 V continu ( 42 panneaux en série totalisant 17.9 m2). La deuxième est une installation d'une puissance nominale de 7.5 kW située sur un bâtiment des Services Industriels de Genève (SIG). Elle est connectée au réseau alternatif triphasé par l'intermédiaire d'un onduleur SI 3000 par phase fonctionnant au point de puissance maximum (MPPT). Le champ est constitué de 144 panneaux Arca connectés en série (3 panneaux = 1 module) et en parallèle (16 modules = 1 champ d'une phase totalisant 20.4 m2).

Les performances globales sont détaillées dans le rapport final TPG [ 1] et dans le rapport intermédiaire SIG [2]. L'objectif principal de notre étude est de comprendre pourquoi les efficacités annuelles globales des installations sont de 9.3 % aux TPG et de 8.0 % aux SIG en partant des panneaux, dont la spécification nominale aux conditions standards (1000 W/m2, Tc=25°C, spectre AM 1.5) est de 12.4 %. Compte tenu de la difficulté de l'analyse, nous nous limitons pour cet article, à une seule phase de l'installation SIG. Les mêmes effets, déjà observés sur les deux autres phases des SIG et sur l'installation TPG, seront présentés en détails dans divers rapports ultérieurs (rapport final SIG et thèse P. Schaub).

Cette étude a bénéficié du soutien financier de l'Office Fédéral de l'Energie et des SIG.

2. METHODOLOGIE ET RESULTATS

Nous considérons dans toute l'analyse, comme variable significative et indépendante, l'ensoleillement dans le plan des panneaux mesuré avec un pyranomètre Kipp et Zonen CM 11. Nous déterminons, pour la période de fonctionnement de l'onduleur, les distributions (distribution d'énergie annuelle en fonction de l'ensoleillement et par tranche d'ensoleillement de 12 W/m2) d'énergie solaire dans le plan des panneaux, d'énergie de et d'énergie ac. Nous calculons ensuite l'efficacité ac annuelle moyenne en fonction de l'ensoleillement en effectuant le rapport bin par bin de la distribution d'énergie ac à celle d'énergie solaire et en normalisant à la surface du champ de la phase.

Les distributions et la courbe d'efficacité ac, représentées sur les figures 1, dépendent des conditions locales et du système (les périodes de pannes d'onduleur sont exclues de l'analyse). Nous remarquons un effet de coupure de production d'énergie alternative jusqu'aux ensoleillements de 70 W/m2 pour lesquels la production de correspond à la consommation propre de l'onduleur et, aux ensoleillements supérieurs, un effet de seuil qui affecte la production de et ac.

5000 5000 4000

'.C'

~ 3000

.. 4000 E 6 3000

1:l :::.-

~ 2000 UJ "O

c:J 'C

"R 2000 UJ

1000 ^'C 1000

0 0

0 02 0.4 06 0.B 1.2 0 02 0.4 0.6 o_a 1.2

Ensoleil\emert [l<Wim'] Ensoleillemert [l<W/m"]

5000 10.00

.... 4000 E 6 3000

~ 800

"

u ^6.00

(.?

1:l

Ù" 2000

"O UJ 1:l 1000

·Ol '5

"

400 ië u

Ol 200

0 000

0 0.2 0.4 0.6 OB 1.2 0 0.2 04 0.6 OB 1.2

Ensoleil\emert (l<W/m'] Ensoleillemert [l<W/m']

Fig 1 : Energies et efficacités en fonction de l'ensoleillement

L'analyse détaillée et itérative a permis de mettre en évidence les divers effets résumés sur la figure 2. Ces effets étant tous corrélés, ils sont difficiles à extraire séparément;

néanmoins nous en présentons une première évaluation.

Chaque graphique montre un facteur de perte (facteur

fi)

en fonction de l'ensoleillement et la moyenne de ce facteur pondéré par la distribution d'énergie solaire et exprimé en terme de perte en pour-cent. Les divers effets sont les suivants:

1) Les caractéristiques des panneaux PV ont été mesurées [3] et sont inférieures aux spécifications du fabricant. Lorsque des panneaux forment un champ, la caractéristique moyenne du champ se situe entre la moyenne des caractéristiques des panneaux et les plus mauvaises caractéristiques. Nous avons admis que la puissance moyenne des panneaux pour le champ entier se situait à un demi écart standard en-dessous de la moyenne, propriété justifiée par diverses simulations de combinaisons de caractéristiques [4]. Ce défaut de caractéristique est supposé indépendant de l'ensoleiIIement et vaut, en pondérant les écarts des panneaux Arco et Atlantis, 9.8 %.

2) P mp : l'efficacité de au point de puissance maximum dépend de l'ensoleillement. Nous l'évaluons en appliquant le modèle de Beckrnan [5] à nos données sur une année et pour une température des cellules de 25 °C. Les paramètres du modèle sont calculés pour la caractéristique moyenne supposée être représentative du champ entier. On adjoint au modèle une résistance parallèle, d'une valeur de 200

n

par panneau. L'effet moyen pondéré est de 5 %.

3) ombrage : la barrière d'une passerelle proche des panneaux ombre quelques modules durant une partie de l'après-midi. Nous recalculons les distributions d'énergie en sélectionnant les mesures non affectées par l'ombrage; nous obtenons alors une nouvelle efficacité de. Le facteur f_3, est le rapport de la nouvelle efficacité à l'ancienne et est représenté sur le graphique; il n'a pas d'effet à fort ensoleillement. L'effet moyen pondéré par la distribution d'énergie solaire vaut 2 %.

Défaut de caractéristique 9.8 % effets de température(/ 25°C) 3.4 % 1. 1

0.8

:;:: 0.6 le

0.4 0.9 0

0.2

0.8

0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2

Ensoleillement [kW/m2] Ensoleillement (kW/m²)

Pmp 5% angles d'incidence (IAM) 3.3%

1.1 0.8

0.6

~ ^{0.4 <D}

-

0.9

0.2

0.8

0.2 0.4 0.6 0.6 1.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2

Ensoleillement [kW/m"] Ensoleillement [kW/m"]

ombrage 2%

1.1

0.8 onduleur SI 3000

0.6 pertes de 3 %

S2 ^!;:::

0.9 0.4

0.2

0.6 0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2

Ensoleillement [kW/m"] Ensoleillement (kW/m"]

pertes en lignes (Rl²) 2.5 % 1.1

0.8

onduleur SI 3000

0.6 pertes ac 17 .8 %

oq- ro

-

^0.9

-

^0.4

0.2 0

0.8 0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2

Ensoleillement (kW/m2] Ensoleillement [kW/m²⁾

système complet 36.9% _7.8%

10

0.8 ~ j!1 8 ⁰

(j)

6

+- 0.6 ~

0 _•(!)

-

+- ^0.4 _0.2

^-

^·~ ~ ⁴ ₂ t: ())

0

0.2 0.4 0.6 0.8 1 .2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2

Ensoleillement (kW/m²] Ensoleillement [kW/m²]

Fig 2 : Les différents facteurs de pertes en fonction de l'ensoleillement

4) pertes en lignes : nous corrigeons la perte d'énergie dans les fils (R·i2) par le calcul de la résistance

(ils

= 46.2 mQ) à partir de la résistivité du cuivre p=l.68· I0-8 Om, du facteur de correction en température a=6.8· 1

o-3

l/K, de la section et la longueur des fils.

Le facteur f₄ suit une correction presque linéaire; son effet pondéré est de 2.5 %.

5) effets de température : nous normalisons la puissance de à la température standard des cellules de 25 °C d'après une corrélation observée sur le système réel (efficacité de en fonction de la température : 0.038 % absolu/°C). La mesure en conditions artificielles fournit 0.054 % absolu/°C, soit une différence relative de 30 %. Le comportement du facteur à fort ensoleillement provient du fait que la température annuelle moyenne n'est-·

plus linéaire avec l'ensoleillement. L'effet pondéré n'est que de 3 .4 %. En effet, la température annuelle moyenne des cellules pondérée par l'ensoleillement vaut 34 °C et le système fonctionnant en hiver à une température de cellules inférieure à 25 °C crée un gain par rapport aux conditions standards.

6) angles d'incidence (IAM) : le modèle ASHRAE est bien vérifié avec bo= 0.05, soit un effet moitié de celui des capteurs plans themûques (la réflexion sur la deuxième face du verre est différente, la cellule avec une surface antireflet étant collée sur le verre). L'effet·

moyen pondéré est de 3.3 %.

7) onduleur de : l'onduleur coupant l'énergie de aux faibles ensoleillements, nous avons déterminé ce facteur par extrapolation linéaire de l'efficacité de dans le seuil, laquelle nous permet de recalculer l'énergie de manquante.

8) onduleur ac : déterminé par le rapport de la distribution d'énergie ac à celle d'énergie de par tranche d'ensoleillement. L'effet moyen pondéré est important : 17.8 %, mais dépend directement du type d'onduleur.

9) système complet : le facteur de pertes total provient du produit bin par bin de tous 8

les effets : ftot =

i[l/i

.La valeur pondérée de

flot

vaut 0.631.

10) L'efficacité finale (ré(:lle) est le produit de l'efficacité nominale par le facteur de pertes total. Nous retrouvons l'allure de la courbe d'efficacité ac de la figure 1, dont la valeur globale vaut 8 %. Par ailleurs, l'efficacité finale globale est donnée par :

11réclle = 12.4%·f₁₀₁ =7.8%. Cette légère .différence est liée à la difficulté de l'analyse (corrélations entre facteurs). Par ailleurs, nous n'avons pas tenu compte jusque là de l'influence d'effets spectraux.

Le graphique de la figure 3 montre l'efficacité de après les corrections 3,4,5,6 pour plusieurs tranches de diffus/global par pas de 20 %. Nous remarquons que l'efficacité de dépend du rapport diffus/global et cette dépendance varie aussi avec l'ensoleillement.

L'efficacité à forte proportion de diffus est supérieure à celle à forte proportion de direct.

Nous avons donc évalués deux courbes par extrapolation des données : une à 100 % de direct lldir et l'autre à 100 % de diffus '1dif· A 300 W/m2, nous obtenons une différence d'efficacité relative de 13 % et à 800 W /m2 aucune différence n'est visible.

Nous en déduisons que les effets spectraux sont significatifs aux faibles ensoleillements, que le spectre du rayonnement solaire varie en fonction de l'ensoleillement pour le direct et pour le diffus. Considérer dans ces conditions, qu'il suffit de 2 efficacités constantes mais différentes pour le diffus et le direct est une simplification inacceptable. Nous n'avons pas quantifié ces effets de spectre compte tenu des limites et difficultés du contexte.

Seules des mesures conjointes d'efficacité et du spectre solaire correspondant peuvent permettre d'approfondir cette question.

11.5 11

g:

^10.5

u (.)

•<D 10

'5 ~

:f: _<D 9.5

9 8.5

0 0.2 0.4 0.6

D/G=1 - - • D/G=O

0.8 Ensoleillement [kW/m2)

Fig 3 : Effets de spectre

1.2

Pour résumer, nous montrons, sur la figure 4, l'énergie ac utilisable ainsi que le détail des pertes

Energie solaire 1 OO %

efficacité nominale 12.4 % répartie en :

pertes 37 %

onduleur pertes ac 17.8%

onduleur pertes de 3%

Détail des pertes

IAM 3.3%

Tc 3.4 %

Fig 4 : Représentation sectorielle des bilans d'énergie 3. CONCLUSION

Pmp 5%

Nous avons mis en évidence différentes pertes affectant un système photovoltaïque.

Même si leur évaluation n'est pas parfaite, les ordres de grandeur sont raisonnablement cernés. Défauts de caractéristiques et onduleurs sont les principales sources de pertes.

REFERENCES

[1] P. Schaub, A. Mermoud, O. Guisan (1992), Etude de l'installation photovoltaïque de 2.2 kW des TPG, rapport final, GAP.

[2] P. Schaub, A. Mermoud, O. Guisan ( 1991 ), Etude de l'installation photovoltaïque de 7.5 kW des SIG, rapport intermédiaire, GAP.

[3] P.Schaub, A. Mermoud, O. Guisan (1992), PV Module Characteristics in Real Conditions, l lth PV Solar Energy Conference (1992), 1348-1350.

[4] A. Mermoud, P. Schaub, O. Guisan, Logiciel pour systèmes photovoltaïques, Cisbat 93

[5] J.A. Du:ffie et W.A. Beckman,Solar Engineering of thermal processes,Second edition, 1991.