Conception et calcul des installations PV raccordees au reseau

CONCEPTION ET CALCUL DES INSTALLATIONS PHOTOVOLTAÏQUES RACCORDEES AU RESEAU
CONCEPTION ET CALCUL DES INSTALLATIONS PHOTOVOLTAÏQUES RACCORDEES AU RESEAU
1. PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT
1.1 COMPOSANTS DE BASE D'UNE INSTALLATION PHOTOVOLTAÏQUE RACCORDÉE AU
RESEAU
Une installation photovoltaïque raccordée au réseau est composée de modules solaires PV, d'un boitier DC,
d'un onduleur, d'un boitier AC puis d'un compteur de production.
1.2 NOTIONS GENERALES : PLAQUETTE DE SILICIUM, CELLULE, MODULE, STRING,
GENERATEUR, INSTALLATION PV, CENTRALE PV.
Le matériau de base des cellules solaires cristallines est une plaquette de silicium appelée « wafer ».
Lorsque les différentes couches de semi-conducteurs composant la cellules sont éclairées, un différentiel de
potentiel apparaît : une tension de 0,6V pour du silicium.
Cette tension doit être augmentée. On met donc les cellules en série pour faire un module PV.
Lorsqu'on branche plusieurs modules en série, on parle d'un « string ». L'ensemble des strings d'une
installation est appelé générateur PV.
–Rendement des cellules, des modules et du système.
Le rendement des cellules est d'environ 20%. Le rendement des modules est inférieur du fait des espaces
inutiles entre les cellules et sur les côtés des modules. Le rendement d'un système est encore inférieur du
fait des disparités entre modules, du manque d'éclairage, des pertes dans les câbles, les boitiers, l'onduleur
et les connecteurs.
Exemple de rendement d'un système X : 0,12 (Xmodule).0,9 (Xonduleur).0,99 (Xcâble) = 0,1 Xsystème
1.3 TECHNOLOGIE DES MODULES PV
–Cellules au silicium monocristallin : les monocristaux sont fabriqués par la fusion de silicium de
grande pureté. Des lingots de silicium de section ronde sont ainsi formés et sciés en tranches
(wafer). Les cellules monocristallines de série ont des rendements compris entre 13 et 17% pour
une taille de 5 ou 6 pouces.
–Cellules au silicium polycristallin : le silicium polycristallin provient également de la fusion mais le
process est réalisé de manière plus rapide. Lors de la solidification, les cristaux s'orientent de
manière irrégulière. Les cellules polycristallines ont un rendement compris entre 11 et 15%.
–Cellules à couches minces : en diséléniure de cuivre et d'indium (CIS) ou de tellurure de cadnium
(CdTe). Ces cellules ont une plus grande tolérance aux masques et à l'augmentation de la
température.
–Cellules en silicium amorphe : non structurées et ne se présentant pas sous forme cristalline, elles
ont un rendement de 6 à 8%.

CONCEPTION ET CALCUL DES INSTALLATIONS PHOTOVOLTAÏQUES RACCORDEES AU RESEAU
1.4 STRUCTURE ET MODE DE FONCTIONNEMENT D'UNE CELLULE
–Fonctionnement d'une cellule cristalline
Lorsque la cellule est éclairée, les charges électriques situées dans la zone de charge d'espace se séparent.
Dans la liaison électrique, une tension continue d'environ 0,5 V se forme, dépendant peu de l'ensoleillement.
–Puissance maximale
La puissance maximale d'une cellule est définie pour un flux lumineux de 1000 W/m2 à une température de
25°C. Elle est exprimée en Wc.
–Courant de court-circuit et tension à vide
On distingue le courant de court-circuit Icc, la tension à vide U0 et le point de fonctionnement à puissance
maximale MPP dont les grandeurs caractéristiques sont UMPP et IMPP.
La puissance et le courant d'une cellule dépendent directement de la puissance du flux lumineux. Le tension
change peu en fonction du flux lumineux.

CONCEPTION ET CALCUL DES INSTALLATIONS PHOTOVOLTAÏQUES RACCORDEES AU RESEAU
–Influence de la température
Le réchauffement d'une cellule solaire conduit à une diminution du rendement (environ 0,5% par degré
Celsius). La perte de rendement pour des modules mal ventilés est ainsi de 4 à 6% supérieure à celle des
modules munis d'une ventilation en face arrière.
1.5 LE MODULE
Un module PV est composé de plusieurs cellules solaires reliées les unes aux autres, d'une protection
contre les intempéries sous forme de vitre et de stratifié, d'une protection contre les surtensions sous forme
d'une ou plusieurs diodes by-pass et d'un dispositif de branchement.
1. Cadre aluminium 2. joint 3. verre 4. EVA 5. cellules 6. Tedlar
Quand une cellule est mal éclairée, la diode by pass permet d'éviter que le fort échauffement résultant ne
provoque une dégradation ou une panne, elle permet également de limiter la baisse de performance qui
découle de cet échauffement pour l'ensemble du modules (et pour les autres modules reliés en série à celui
ci).
1.6 TECHNOLOGIE DES ONDULEURS
–Construction et fonctionnement d'un onduleur
L'onduleur transforme le courant continu fourni par le générateur PV en courant alternatif monophasé avec
une tension nominale de 230 V ou, pour les installations de taille plus importante, en courant alternatif

CONCEPTION ET CALCUL DES INSTALLATIONS PHOTOVOLTAÏQUES RACCORDEES AU RESEAU
triphasé avec une tension nominale de 400 V.
Tous les onduleurs bénéficient au minimum des fonctions suivantes : optimiser, transformer, alimenter et
superviser.
Optimisation du rendement de l'installation par la recherche du point MPP (MPP-Tracking).
Transformation du courant continu produit par le générateur PV en courant alternatif conforme au réseau.
Surveillance et protection.
–Exigences techniques de onduleurs
Introduction d'un courant de forme sinusoïdale synchronisé au réseau
Identification rapide du MPP
Rendement élevé, même en charge partielle
Fonctionnement automatique et fiable
Visualisation des données
–Surveillance du réseau de l'onduleur
Pour des raisons de sécurité, l'installation PV doit être séparée du réseau électrique. Pour de nombreux
onduleurs, cette fonction est assurée par le système automatique de coupure.
–Onduleur et branchement des modules
Exemple 1 : La puissance nominale d'un module Pnom est égale à 200 Wc, la tension à vide U0 (à -10°C) est
égale à 72 V.
Le maître d'oeuvre souhaite réaliser une installation de 2 kWc.
Vous projetez de monter 10 modules en série. Comme les tensions s'additionnent, vous calculez (10.72 V =
720 V). La tension d'entrée max de l'onduleur sélectionné est de 750 V, ce qui convient dans ce cas.
Exemple 2 : avec les mêmes modules, le maître d'oeuvre souhaite réaliser une installation de 3,2 kWc.
Vous projetez d'abord de monter 16 modules en série et calculez (16.72 V = 1152 V). La tension d'entrée
max de l'onduleur étant de 750 V, vous brancherez en parallèle 2 rangées de 8 modules.
–Principe de fonctionnement des onduleurs
Onduleur « string »
Plusieurs modules sont branchés en série dans un string. Dans ce cas, à l'intérieur d'une série de modules,
les conditions doivent être identiques.
Les onduleurs « string » sont en passe de devenir la solution la plus souvent retenue, car ils couvrent de très
larges gammes de puissances et d'applications
Onduleur « multistring »
Ils sont constitués de plusieurs onduleurs « string » côté générateur et d'un onduleur centralisé côté
alimentation du réseau.
Ils ont été spécialement conçus pour les cas suivants : inclinaisons ou orientations des modules différentes,
types de modules différents, ombre sur une partie de l'installation ou nombres de modules par string
différents.
Les caractéristiques de ces onduleurs sont les suivantes : plusieurs dispositifs de MPP Tracking intégrés,
maximum de 2 ou 3 strings de caractéristiques différentes (orientations, inclinaisons, puissances) par
appareil.
–Adaptation onduleur-générateur
Le rapport de puissance onduleur-générateur PV doit être compris entre 0,9 et 1. La puissance nominale du

CONCEPTION ET CALCUL DES INSTALLATIONS PHOTOVOLTAÏQUES RACCORDEES AU RESEAU
générateur peut donc être, au maximum, supérieure à celle de l'onduleur de 10%.
C'est pourquoi les onduleurs sont toujours légèrement sous dimensionnés.
La plage de tension MPP (par exemple 350 – 600 V) doit être compatible avec toutes les tensions qui
peuvent apparaître sur le générateur en fonctionnement. La tension maximale du générateur ne doit jamais
atteindre la tension maximale autorisée sur l'onduleur (les surtensions détruiraient inévitablement l'onduleur).
L'onduleur peut être sous dimensionné de plus de 10% uniquement dans les cas où l'installation PV
présente une orientation ou une inclinaison défavorable.
–Prise en compte de l'emplacement futur
Une pièce régulée en température est idéale alors qu'une pièce plus chaude est critique.
–Données techniques d'un onduleur
Pour la conception de l'installation et le calcul du rendement, les grandeurs caractéristiques suivantes sont
indispensables.
Côté générateur :
> puissance nominale courant continu et puissance max courant continu
> courant nominal continu et courant max continu
> tension nominale CC et tension max CC
> gamme de tension MPP pour le fonctionnement normal de l'onduleur
> puissance de mise sous tension et hors tension, puissance de secours.
Côté réseau :
> puissance nominale CA et puissance max CA
> CA nominal et CA max
> rendement en charge partielle
–Remarque de sécurité pour les onduleurs sans transformateurs
Dans le cas des onduleurs sans transformateur, en raison de l'absence de séparation galvanique de la
tension alternative du réseau, la protection des personnes doit être garantie par un disjoncteur différentiel.
Les installations nouvelles utilisant des onduleurs sans transformateur doivent être équipées d'un tel
disjoncteur, conformément à la norme allemande DIN VDE 0126.
1.7 AUTRES COMPOSANTS D'UNE INSTALLATION PV
–Câbles
Dans une installation PV, les câbles de la partie CC doivent remplir les exigences suivantes :
> être protégés contre les courts-circuits et les courants de fuite à la terre
> être résistants aux UV et aux intempéries avec une large gamme de températures (environ -40°C à 120°C)
> présenter une gamme de tension élevée (> 2 kV)
> être légers, minces, faciles à installer et d'une bonne maniabilité
> être ignifugés avec une faible toxicité en cas d'incendie et sans halogène
> disposer des pertes de puissance faibles (max 1%)
Vous devez vous assurer que le câble concerné porte la mention « câble solaire ».
–Boitier de raccordement pour le générateur (BRG)
Un BRG remplit plusieurs fonctions :
> montage en parallèle de plusieurs strings
> possibilité d'inspection des strings
> protection contre les surtensions des modules et de l'onduleur
> fusibles pour la protection contre les surcharges des modules PV et des circuits électriques des strings