Systèmes PV connectés au réseau

9 . Systèmes PV connectés au réseau
Francis Domain, Hervé Boileau, Université Savoie Mont-Blanc, France
Attendus du chapitre
À l’issue de ce chapitre, le lecteur aura compris les spécificités de la connexion au réseau, il
connaitra le principe et les composants d’un onduleur, aussi bien du côté courant continu
qu’alternatif, il saura calculer la production électrique de l’installation et donc fournir les
informations nécessaires au dimensionnement de l’onduleur, il saura utiliser une méthode
de calcul de rendement économique de l’installation.
Sommaire
9.1 Description des installations PV connectées au réseau électrique
9.2 Composants annexes sur la partie courant continue des installations photovoltaïques
9.3 Onduleurs photovoltaïques
9.4 Composants annexes sur la partie courant alternatif des installations photovoltaïques
9.5 Dimensionnement ou calcul de la production en électricité photovoltaïque
9.6 Rentabilité des installations photovoltaïques (méthode TEC de Bernard Chabot/ADEME)
9.7 Eude de la compatibilité entre le champ photovoltaïque et l’onduleur
9.8 Bibliographie

9.1 Description des installations PV connectées au réseau électrique
Les installations photovoltaïques connectées au réseau électrique représentent la majorité des
installations photovoltaïques actuellement installées dans le monde (en 2015). En effet, ces
installations photovoltaïques sont les plus simple possibles, donc à moindre coût et tout la
production d’énergie électrique est injectée sur le réseau électrique pour être utilisée. Ces avantages
font que ces systèmes photovoltaïques présentent un prix de revient du kWh photovoltaïque le plus
bas, ce qui explique certainement le fort développement du photovoltaïque connecté au réseau.
Par contre, il faut savoir qu’en absence de tension secteur, l’installation photovoltaïque ne
fonctionne plus pour des raisons de sécurité, même s’il y a une forte irradiance lumineuse. L’autre
point aussi est qu’en l’absence d’irradiance lumineuse, il n’y a bien sur plus de production
photovoltaïque mais le secteur est présent pour alimenter les besoins en énergie électrique.
Figure 1 : Schéma simplifié une installation photovoltaïque connecté au réseau électrique avec ses
principaux éléments
Le champ photovoltaïque, sous l’irradiation solaire, produit de l’énergie électrique en courant
continu. Ce courant continu, via des éléments de protection (s’ils sont nécessaires ou imposés
normativement), est transformé par un onduleur en courant alternatif pour être injecté dans le
réseau électrique avec comme impératif de suivre l’amplitude et la phase de la tension alternative du
réseau (typiquement une amplitude de 230 Vac et une fréquence de 50 Hz). Des éléments de
protection peuvent être insérés entre l’onduleur et le réseau (pas forcément nécessaires mais
imposé par les normes de sécurité) et un compteur en énergie électrique pour la facturation des
kWh photovoltaïques produits.
Il peut être utile de mettre un système de suivi pour vérifier le fonctionnement de l’installation PV
car rien n’indique si celle-ci fonctionne correctement ou non. Enfin, un afficheur permet d’indiquer
pour une finalité de communication des informations utiles comme la puissance instantanée
produite et la production énergétique cumulée.
9.2 Le champ photovoltaïque
On appelle champ photovoltaïque, l’ensemble des modules photovoltaïques d’une installation PV.
L’ensemble de ces modules photovoltaïques peuvent être connectés de différentes façons à un ou
plusieurs onduleurs. Les 3 principales configurations possibles sont présentées en figure 3.

Figure 2 : les trois principales configurations de montage de cellules photovoltaïques, respectivement
de gauche à droite a) b) et c)
Dans la configuration a), tout le champ photovoltaïque est connecté à un onduleur dit onduleur
centralisé. Cette configuration est la moins chère mais tous les modules PV doivent être de même
référence ainsi que de même inclinaison et de même orientation pour la simple et bonne raison que
le courant dans chaque chaine de modules et la tension au bornes de chaque chaine (de même
nombre de module) doivent être de même valeur, sinon, il y a perte de production. L’influence d’un
ombrage sur un ou plusieurs modules photovoltaïques peut être assez importante sur la production
électrique car ceux-ci sont en série (modification du courant dans une chaîne de modules et
modification de la tension aux bornes de cette chaine qui est en parallèle avec les autres chaines).
Parmi les inconvénients, une panne de l’onduleur entraine l’arrêt complet de l’installation PV, la
panne d’un module PV est difficile à repérer et la tension aux bornes d’une chaine de modules est
élevée souvent plusieurs centaines de volt en courant continu, ce qui est dangereux pour la sécurité
des personnes.
Dans la configuration b), tout le champ photovoltaïque est divisé en chaine de modules PV, chacune
connectée à un onduleur. Dans cette configuration, tous les modules PV d’une même chaine doivent
être de même référence ainsi que de même inclinaison et même orientation. Par contre, d’une
chaine à l’autre, la référence des modules peut être différente ainsi que l’inclinaison et l’orientation
(toitures différentes sur un bâti). L’influence d’un ombrage sur le champ PV est moindre que dans la
configuration a). Parmi les inconvénients, une panne d’un onduleur entraine l’arrêt complet d’une
chaine mais pas de l’ensemble du champ PV, la panne d’un module PV est plus facile à repérer. La
tension aux bornes d’une chaine de modules est élevée souvent plusieurs centaines de volt en
courant continu, ce qui est là aussi dangereux pour la sécurité des personnes.
Dans la configuration c),chaque module PV est connecté à un onduleur, dit micro-onduleur dans
cette configuration. Ici, tous les modules PV peuvent être de référence différente, d’inclinaison
différente et d’orientation différente. La panne d’un onduleur entraine l’arrêt de seulement un
module, donc peu de perte de production. L’influence d’un ombrage est ainsi très limitée aux
modules concernés. La panne d’un module PV est facile à repérer (car indiqué par l’onduleur) et la
tension maximum qu’il est possible d’avoir dans le système photovoltaïque n’est que celle de 1
module en série, donc une tension de quelques dizainesde volts, ce qui est intéressant pour la

sécurité des personnes.Parmi les inconvénients, cette solution est la plus cher mais en contrepartie,
elle offre beaucoup d’avantages.
Aspects normatifs sur les caractéristiques modules PV et sécurité :
Les trois normes suivantes concernent les modules photovoltaïques :
- NF-EN 61215 : qualification de la conception et homologation de modules PV cristallin
- NF-EN 61646 : qualification de la conception et homologation de modules PV en couche mince
- NF-EN 61730 : qualification pour la sûreté de fonctionnement des modules PV
et les essais réalisés sur les modules photovoltaïques portent sur :
- Caractérisation des performances : flash test, NOCT, coefficients …
- Essais mécaniques : charges, choc, grêle, …
- Essais climatiques : chaud-froid, UV …
- Tests électriques : diélectrique, courant de fuite, …
La tenue de ces normes garantit la qualité des modules photovoltaïques et leurs conditions
d’utilisation comme par exemple la tension d’isolation de 1 000 volts qui conditionne le nombre
maximum de modules PV par chaine.
Le phénomène de ’’hot spot’’
Pour expliquer le phénomène de hot spot, prenons un exemple avec un module photovoltaïque de
72 cellules (caractéristiques Pc =250Wc,Vmpp = 36Vdc, Voc = 45Vdc, Impp = 7A @ STC).
Si une cellule de ce module est ombrée (Icell =0A) et dans le cas ou ce module est en court-circuit :
La cellule ombrée (Icell = 0A donc elle se comporte
comme un circuit ouvert) prend toute la tension en
inverse. La tension inverse de claquaged'une cellule
PV est de typiquement de 25 Vdc (tension zener), or la
tension de fonctionnement du module est de Vmpp =
36 Vdc, il y a destruction de la cellule car celle-ci
devient conductrice avec une forte tension à ces
bornes (tension zener), donc destruction par
dissipation d’une forte puissance.
Prenons un cas plus réaliste d’un champ
photovoltaïque de 3 chaines (ou strings) de 6
modules en sériedont une cellule PV est ombrée
comme précédemment.

La tension de fonctionnement d’un string est
de 36 Vdc fois 6 modules = 216Vdc. Dans la
branche ou une cellule est ombrée (Icell = 0A),
cette chaine est en circuit ouvert, la tension à
vide d’une chaine est de 45Vdc * 6 modules
= 270 Vdc. La tension en inverse de la cellule
ombrée est de 54 Vdc. Il y a effet zener dans
cette cellule photovoltaïque et celle-ci devient
conductrice avec une tension zener à ses
bornes.
La puissance dissipée dans la cellule PV
ombrée est de 25V * 7A = 175W, or la cellule
photovoltaïque n’est pas conçue pour dissipé
cette puissance (au plus quelques watts).
Figure 3 : schéma de principe d’une cellule
ombrée provoquant un "hot spot".
Cette puissance va se dissiper sous forme
thermique en formant un point chaud ou la
cellule photovoltaïque est la plus résistive
jusqu'à carboniser ce point (d’où le nom de
hot spot), comme sur la photographie ci
après :
Figure 4 : photographie d’une cellule dégradée
par un point chaud
Protection contre le phénomène de hot spot :
La solution prise pour se protéger du phénomène de hot spot est d’utiliser des diodes dites diodes de
bypass en câblant en inverse une diode aux bornes de 20 cellules photovoltaïques.
Dans l’exemple d’un module PV de type 12 Volts comprenant 36 cellules photovoltaïques, une diode
de bypass est câblée aux bornes de 18 cellules PV, voir ci après :