Pour conserver le rendement des chaînes de panneaux PV et éviter que la production de chaque chaîne se cale sur son « maillon faible », il existe des boîtes de By-Pass automatiques. (Doc. FPE.)Process de fabrication des modules photovoltaïques
Une installation photovoltaïque est un générateur d’électricité qui nécessite de s’entourer de multiples précautions face aux risques liés à une installation électrique. Son montage sur un bâtiment - en toiture ou en façade - occasionne des risques additionnels et implique des mesures de sécurité complémentaires.
En France, en raison des prix respectifs de vente du courant photovoltaïque produit et d’achat d’électricité au réseau, il est actuellement plus rentable de vendre au réseau la totalité de l’électricité photovoltaïque produite sur un bâtiment que de l’autoconsommer.
Cependant, cette situation ne va pas durer, car nous approchons rapidement de la « parité réseau », c’est-à-dire du moment où prix de vente du photovoltaïque et prix d’achat de l’électricité au réseau deviennent égaux. Il sera, alors, rentable d’utiliser directement sa propre production d’électricité durant certaines périodes tarifaires et de la vendre au réseau à d’autres périodes.
En construction neuve, les installations électriques peuvent se complexifier considérablement si l’autoconsommation s’effectue en courant continu pour éviter les pertes dues à l’onduleur, ou si elle s’accompagne d’un stockage en batteries pour pratiquer les meilleurs arbitrages tarifaires possibles. En neuf comme en existant, si l’installation s’accompagne d’un stockage dans des batteries pour optimiser autoconsommation et vente, tout devient nettement plus complexe.
Le principe technique
Un panneau ou module photovoltaïque est formé de cellules en matériau semi-conducteur. En éclairant une cellule photovoltaïque, la lumière solaire suscite l’apparition d’un courant continu d’une puissance de quelques ampères sous une tension de quelques centaines de millivolts entre les deux faces de la cellule : l’une présentant un excès d’électrons (dite « face dopée n »), l’autre présentant un déficit d’électrons (« face dopée p »). Monter des cellules photovoltaïques en série, revient à constituer des chaînes (« strings »), ce qui augmente la tension du courant continu produit. Monter plusieurs strings de même tension en parallèle augmente « l », donc la puissance disponible qui est le produit de l’intensité par la tension. Un générateur photovoltaïque est donc, à la base, constitué du montage en série et en parallèle de modules photovoltaïques.
Ensuite, le courant continu produit doit être transformé en courant alternatif pour être exploitable. Ce rôle est dévolu à l’onduleur, qui peut être seul ou multiple. Les installations comprenant un seul onduleur, (6 kWc au maximum à partir de 1 à 3 string de panneaux en parallèle) ont l’inconvénient de s’arrêter au moindre défaut de l’onduleur. En contrepartie, elles ont l’avantage de limiter les appareillages de protection en courant continu à la coupure amont de l’onduleur. Les installations comportant plusieurs onduleurs réduisent le risque de perte de production. C’est la règle pour les installations de 6 à 250 kW. Au-delà de 250 kW, le raccordement de l’installation au réseau s’effectue à travers un transformateur- élévateur de tension qui permet de passer de la basse à la moyenne ou haute tension.
Deux schémas sont possibles dans le cas des installations multi-onduleur : soit un onduleur par string, soit plusieurs onduleurs mutualisés. Dans le premier cas, une gestion individuelle permet d’installer des onduleurs de puissance plus réduite que si les strings étaient raccordés en parallèle. À l’inverse, mutualiser les onduleurs permet de centraliser la gestion, faciliter la maintenance, optimiser le temps de fonctionnement de chaque onduleur et son rendement. Celui-ci varie, en effet, avec sa charge électrique et est optimal pour sa charge nominale. Mutualiser les onduleurs permet de les mettre en route les uns après les autres au fur et à mesure que la puissance de l’installation augmente, et de les arrêter l’un après l’autre, lorsque la puissance baisse.
Les indispensables coupures et protections
Côté sécurité, trois types de coupures doivent être présents sur des installations photovoltaïques : le sectionnement pour faciliter la maintenance, la coupure d’urgence et la coupure « pompiers ». Sur les installations domestiques de 5 kWc maximum, ces trois types de coupures sont confondus. Le sectionnement vise à assurer une protection effective des intervenants en les séparant du générateur photovoltaïque. Si le générateur est constitué de plusieurs groupes de panneaux, il faut prévoir un sectionnement par groupe, afin de pouvoir intervenir individuellement sur chaque groupe. Le sectionnement doit être assuré sur les raccordements courant continu et courant alternatif du ou des onduleurs. La coupure d’urgence a pour but d’assurer la sécurité des exploitants en cas de choc électrique, de brûlure, d’incendie, tant de l’installation qu’à proximité immédiate. La commande des appareils de coupure doit être facilement accessible et située à proximité des onduleurs, tant du côté courant continu que du côté courant alternatif. Une coupure générale pour faciliter l’éventuelle intervention des pompiers peut être demandée. Ce n’est pas fréquent pour les installations domestiques, mais quantité de fabricants, dont Legrand, Hager, General Electric et Schneider Electric, ont mis au point des solutions pour différentes tailles d’installations. Cette « coupure pompier » doit sectionner au plus près du générateur et agir en même temps sur toutes les sources d’alimentations électriques du bâtiment : le réseau de distribution publique, l’alimentation en courant continu des onduleurs, ainsi que leur alimentation en courant alternatif. Les organes de coupure pompiers doivent être regroupés, limités en nombre et le séquençage de leur manœuvre doit être indifférent. Localement, certaines commissions de sécurité demandent pour les grandes installations une mise en court-circuit et à la terre de la partie courant continu, afin de sécuriser pour les intervenants, la partie des panneaux non-atteinte par l’incendie.
Un ou deux parafoudres obligatoires
Dès qu’ils sont éclairés, les panneaux photovoltaïques et à partie courant continu de l’installation doivent être considérés comme étant sous tension. À ce titre, pour la protection contre les contacts directs, les parties actives (sous tension) doivent être isolées. Cette disposition n’est pas nécessaire, si la tension photovoltaïque en courant continu demeure inférieure à 60 V en TBTS (Très basse tension de sécurité) et à 30 V en TBTP (Très basse tension de protection).
Contre les contacts indirects, toute la partie de l’installation en courant continu doit être de classe II jusqu’à une tension de 1 000 V (selon la norme NF EN 61140), ou bénéficier d’une isolation renforcée. Sauf, si la tension demeure inférieure à 120 V en TBTS et TBTP.
Contre la foudre, la mise en œuvre ou non de parafoudres dépend de la longueur des installations exposées au risque kéraunique (densité de foudroiement) du lieu. La longueur à considérer, dite « longueur critique » et notée Lcrit, varie avec le type d’installation. Pour un seul onduleur : c’est la somme des longueurs des strings raccordées à l’onduleur. Pour une installation avec plusieurs onduleurs individuels : c’est la longueur par onduleur. Dans le cas d’une installation à plusieurs onduleurs à gestion centralisée : c’est la somme de toutes les longueurs.
La norme NF C15-100 et le guide UTE C15-712-1 prescrivent les conditions d’installations suivantes pour les parafoudres :
• sur le circuit courant continu : un parafoudre est obligatoire au niveau de l’onduleur soit en présence d’un paratonnerre, soit si la longueur L entre les panneaux et l’onduleur est supérieure à Lcrit. Un second parafoudre est conseillé pour protéger les panneaux si L > 10 m ;
• sur le circuit en courant alternatif : un parafoudre est obligatoire au niveau du TGBT (Tableau général basse tension), soit en présence d’un paratonnerre, soit lorsque le niveau kéraunique est supérieur à 25. Un second parafoudre est nécessaire pour protéger l’onduleur, dans le cas d’une distance entre le TGBT et l’onduleur supérieure à 10 mètres.
Le Cstb a posé un certain nombre d’exigences minimales dans les Avis techniques portant sur la sécurité électrique des procédés photovoltaïques :
• pour la sécurité électrique du module, la classe de sécurité électrique II est obligatoire. Elle est attestée par des certifications selon UL 1703 et CEI 61730 ;
• la sécurité électrique du champ de capteurs est garantie par une installation conforme à la norme NF C 105-100 et par le respect des spécifications techniques du guide UTE 15-712.
Des rendements qui ne dépassent pas 20 %
L’effet photovoltaïque est propre aux matériaux semi-conducteurs. Les différents matériaux semi-conducteurs utilisés pour la fabrication de cellules photovoltaïques affichent des rendements nominaux différents. Mais le rendement nominal de chaque cellule est affecté par deux phénomènes : l’intensité de l’illumination solaire et la température du matériau semi-conducteur. Plus l’illumination est importante, plus la production est élevée. L’illumination dépend de l’installation - lieu géographique, orientation et inclinaison des cellules et des panneaux - de la saison et du moment de la journée. Plus la température de la cellule augmente, plus la production baisse. La sensibilité des matériaux semi-conducteurs à la température n’est pas la même, les différentes technologies de panneaux photovoltaïques ne se comportent donc pas de la même manière face à l’élévation de température. Ensuite, montées dans un panneau, les cellules en string se calent sur la moins productrice dans chaque string. À leur tour, les panneaux raccordés en série se calent sur le panneau le moins productif. La puissance nominale d’un panneau photovoltaïque, dite « puissance crête » et notée en kWc ou Wc (kWp ou Wp en anglais où le « p » signifie « peak », pointe), est toujours donnée pour une température du panneau de 25 °C et une illumination de 1 000 W/m², à la répartition spectrale solaire de référence indiquée par la norme CEI 60904-3. Il s’agit de la puissance maximale du panneau.
Le rendement des panneaux est, soit exprimé en % de la puissance solaire reçue dans les conditions normalisées et transformée en électricité, soit en W/m². Même s’ils progressent d’année en année, les rendements demeurent faibles. Le record mondial est détenu pour l’instant par les panneaux E20 de Sunpower, propriété de Total. Ils affichent un rendement de 20,4 %. Le panneau Panasonic HIT N230B Black : 18,6 % (21,1 % pour les cellules). Pour des panneaux en silicium monocristallin, le rendement est de 14 à 15 %, de 13 à 14 % pour des panneaux en silicium polycristallin, de 3 à 13 % pour des modules à couche mince : 10 à 13 % pour le CIS, dont 12,6 % pour les panneaux PowerMax Strong 135 d’Avancis (Saint-Gobain Solar), 6 à 9 % pour le silicium amorphe...
La puissance des panneaux est garantie dans le temps par les constructeurs d’une manière précise. Panasonic garantit, ainsi, la Pmin (95 % de la puissance nominale) à la livraison des panneaux, 90 % de Pmin de zéro à dix ans d’installation, 80 % de Pmin de onze à vingt ans. Sunpower garantit une performance linéaire pendant vingt-cinq ans. Ces notions ne se trouvent pas dans les Avis techniques, qui ne fournissent en général que la puissance en W/m² et sa sensibilité à la température au-dessus de 25 °C, sous forme de trois coefficients de température : puissance (- 0,38 %/K pour le panneau E20 de Sunpower, - 0,39 % pour le PowerMax Strong 135), tension (- 176,6 mV/K pour le E20) et courant (3,5 mA/K pour le E20).
Ces informations sont donc précieuses : à 65 °C de température et quelle que soit leur technologie, les panneaux ne produisent presque plus rien. La technologie des panneaux flexibles disposés sur support d’étanchéité a pour sa part de grandes difficultés et risque de ne plus être disponible à court terme. Les deux principaux fabricants, Uni-Solar et Flexcell ont, en effet, fait faillite !
