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Le rendement globale d'une installation photovoltaïque

Le rendement d'une installation photovoltaïque exprime la part d'énergie restituée par l'installation, sous forme électrique, par rapport à la quantité d'énergie solaire reçue par les modules de l'installation. Ainsi, ce rendement s'écrit aussi

Rendement d'une installation photovoltaïque


Remarque : grâce à la formule ci-dessus, en connaissant le rendement de l'installation photovoltaïque et la puissance solaire reçue par les modules, il est alors possible de calculer la puissance électrique fournie par l'installation.

Toutes les parties constituantes d'une installation photovoltaïque (modules, onduleurs, connectiques, câbles, dispositifs de coupure et sectionnement, raccordement) provoquent des pertes intermédiaires de puissance non-négligeables.

La somme de toutes les pertes intermédiaires font chuter le rendement de l'installation photovoltaïque.

L'ensemble de ces pertes sont illustrés sur la figure ci-desous :

 
Pertes de rendement d'une installation photovoltaïque
 
Appelons η le rendement réel de l'installation photovoltaïque.
La méthode pour calculer ce rendement η de l'installation photovoltaïque est de partir de la valeur du rendement théorique du module et de lui soustraire les pertes énoncées sur la figure ci-dessus.

Dans cette partie du cours, nous allons présenter une méthode rigoureuse permettant de calculer le rendement global η d'une installation photovoltaïque, en considérant l'ensemble des pertes de puissance intermédiaires.

Le plan du cours est le suivant :

LE RENDEMENT GLOBALE D'UNE INSTALLATION PHOTOVOLTAÏQUE

  1. Rendement théorique des modules photovoltaïques
  2. Rendement réel des modules photovoltaïques
  3. Perte de rendement dû au mode d'intégration
  4. Perte de rendement dû à l'échauffement des câbles
  5. Perte de rendement dû à l'onduleur
  6. Perte de rendement dû au suivi du Point de Puissance Maximale (MPP)
  7. Exemple d'application


Rendement théorique des modules photovoltaïques



Le rendement d'un module photovoltaïque se calcule par la formule suivante :

Rendement d'un module photovoltaïque


Pour simplifier les notations dans la suite du cours, nous noterons η1 le rendement du module, au lieu de ηmodule.

η1module


Ce rendement théorique correspond à un rendement obtenu dans des conditions d'ensoleillement et de température standard de laboratoire.
En réalité, ce rendement est plus faible, car les conditions de fonctionnemet d'un module photovoltaïque est différente des conditions de laboratoire.

Rendement réel des modules photovoltaïques



Le rendement réel des modules photovoltaïques va dépendre de la latitude, de l'inclinaison et de l'orientation.

Nous pouvons estimer qu'en France, le rendement réel dépend très peu de la latitude.

Schéma éclaté d'un module photovoltaïque mono-verre
On utilise le disque solaire pour déterminer un ratio trigonométrique compris entre 0 et 1 (ou entre 0 et 100%), que nous appellerons P1.

Le disque solaire permet de quantifier l'effet combiné de l'orientation et de l'inclinaison des modules photovoltaïques sur le rendement.

Lorsque P1=1, cela signifie que le module est orienté plein sud et que son inclinaison est optimale (zone très rouge sur le disque solaire ci-contre).

Lorsque P1 ≤ 0.75, on estime que l'installation n'est assez efficace (zones jaune et verte sur le disque solaire ci-contre).

Le rendement réel du module s'écrit alors :

η2=P1 × η1


Perte de rendement dû au mode d'intégration



Les pertes par mode d'intégration sont les pertes dûe à une mauvaise ventilation des modules photovoltaïques. Nous avons vu (dans le chapitre sur les caractéristiques électriques d'un module photovotaïques) que la puissance délivrée par un module diminue avec lorsque la température de celui-ci augmente. Or, un module bien ventilé aura une température plus faible qu'un module mal ventilé.

Le tableau suivant donne le ratio de performance, que nous appelerons P2 pour différentes type d'intégration :
Ratio de performance en fonction du type d'intégration
Type d'intégration Modules non-ventilés
(Intégration au bâti)
Modules ventilés
(Surimposés)
Modules très ventilés
Ratio de performance 0.8 0.85 0.9
Le rendement diminue encore et s'écrit :

η3=P2 × P1 × η1


Perte de rendement dû à l'échauffement des câbles



La perte d'énergie dans les câbles va encore induire une diminution du rendement globale. On introduit un nouveau ratio P3 correspondant à la perte dans les câbles. P3 est de l'ordre de 0.98. Nous pourrons considérer que la valeur de P3 est toujours égale à 0.98, quelle que soit l'installation photovoltaïque. En effet, la section des câbles est dimensionner par rapport à une chute de tension dans les câbles de 1 à 3 %. La valeur de P3=0.98 est donc une approximation très correcte.
Le rendement diminue encore et s'écrit :

η4=P3 × P2 × P1 × η1


Perte de rendement dû à l'onduleur



Le rendement de l'onduleur correspond au rendement européen. Cette données est inscrite sur la fiche technique de l'onduleur. En génaral, il est de l'ordre de 95%. Nous introduisons un nouveau ratio P4 = 0.95 correspondant au rendement de l'onduleur.
Le rendement diminue encore et s'écrit :

η5=P4 × P3 × P2 × P1 × η1


Perte de rendement dû au suivi du Point de Puissance Maximale (MPP)



Les pertes par suivi du Point de Puissance Maximale (MPP) sont de l'ordre de 9%. Nous introduisons un nouveau ratio P5 correspondant à ces pertes avec. Il est assez difficile de connaître exactement la valeur de ce ratio. Cependant, P5=0.91 est une valeur tout-à-fait correcte.
Le rendement diminue encore et s'écrit :

η6=P5 × P4 × P3 × P2 × P1 × η1




Exemple d'application



Au final, le rendement global de l'installation photovoltaïque est :

η6=P5 × P4 × P3 × P2 × P1 × η1
où η1 est égale au rendement des modules photovoltaïques indiqués sur leur fiche technique ou bien calculé par la formule :

Pertes de rendement d'une installation photovoltaïque


Considérons une villa situé près de Nancy, dont la toiture est orientée à 60 ° et inclinée à 45 °. Les modules photovoltaïques installés sur la toiture sont le modèle SeT2xxG 230 Wc de marque SILLIA (télécharger la fiche technique).
La fiche technique n'indique pas le rendement théorique des modules. Ainsi, il faut le calculer par la formule du rendement ci-dessus, soit ;

Rendement d'un module photovoltaïque


avec
  • Pc=230 Wc
  • Sstc=1 000 W/m²
  • S = 1.001 × 1.665 = 1.665 m².
Donc le rendement théorique du module vaut ηmodule=0.138 = 13.8 %.

Nous souhaitons calculer le rendement globale de l'installation photovoltaïque implantée sur cette toiture.

La méthode est de suivre les étapes ci-dessus :
 

Calcul de P1

 
On utilise le disque solaire en cherchant le point d'inclinaison 45 ° et d'orientation 60 ° :

   
    

D'après le disque solaire ci-dessus, P1 ≈ 0.9.
 

Calcul de P2

 
Nous supposerons que les modules sont intégrés au bâti.

Ainsi P2= 0.8.
 

Calcul de P3

 
P3 représente les pertes par les câbles, donc P2= 0.98.
 

Calcul de P4

 
P3 représente les pertes de l'onduleur. Nous supposerons que l'onduleur utilisé pour cette installation est un Sunny Boy 4 000 TL de marque SMA (télécharger la fiche technique). D'après cette fiche technique, le rendement européen de cet onduleur est de 96.4 %.
Donc P4= 0.964.
 

Calcul de P5

 
P3 représente les pertes recherche du point de puissance maximale, donc P5 ≈ 0.91.
 

Calcul du rendement globale de l'installation

 
On applique la formule ci-dessous :
η6=P5 × P4 × P3 × P2 × P1 × η1


On trouve :
η6=0.91 × 0.964 × 0.98 × 0.8 × 0.9 × 13.8 %


η6=8.5 % !!


Le rendement globale de l'installation photovoltaïque est donc de 8.5 %, alors que le rendement théorique des modules photovoltaïques étaient de 13.8 %.
 

Calcul de la production électrique fournie par l'installation

 
On applique la formule ci-dessous :
Rendement d'une installation photovoltaïque
D'après la carte météorologique suivante, l'énergie solaire reçue par l'installation est à peu près de 1 200 kWh/m²/an.
Carte de l'irradiation solaire annuelle en France

Mais seulement 8.5 % de cette énergie solaire reçue sera transformée en énergie électrique par l'installation photovoltaïque, soit 102 kWh/m²/an.

Cela signifie que l'installation photovoltaïque produira tous les ans 102 kWh d'électricité par m² de toiture. Par exemple, une toiture qui dispose d'une surface de 30 m² produira tous les ans 102 × 30 = 3 060 kWh d'électricité.