Ce document contient la transcription textuelle d’une vidéo du MOOC UVED « Énergies renouvelables ». Ce n’est donc pas un cours écrit au sens propre du terme ; le choix des mots, l'articulation des idées et l’absence de chapitrage sont propres aux interventions orales des auteurs.

Photovoltaïque : Performance du système

Didier MAYER, Professeur – Mines PARITECH

Le module photovoltaïque est l'élément de base des systèmes photovoltaïques.

1 Structure

Un générateur solaire est composé de modules photovoltaïques connectés en séries parallèles qui déterminent la puissance, la tension de fonctionnement et le courant qui sera délivré par l'ensemble. De manière générale, il existe deux types de systèmes photovoltaïques (figure ci-dessous).

Il y a les systèmes raccordés au réseau dont l'énergie y sera injectée via un onduleur. C’est par exemple le cas des systèmes qui sont intégrés dans l'environnement urbain ou des grandes centrales de puissance. Il y a aussi les systèmes dont l'objectif est d’alimenter en électricité des sites isolés et qui nécessiteront une batterie pour pouvoir adapter l'offre à la demande. En fonction du type de charge, des convertisseurs seront aussi nécessaires. On peut prendre pour exemple une résidence secondaire dans un site isolé ou alors un système professionnel de type protection cathodique des pipelines dans un désert. Au niveau du marché du photovoltaïque, les siliciums en modules cristallins représentent près de 90 % des modules installés. Je me concentrerai sur cette technologie.

2. Puissance

Le fonctionnement d'un module photovoltaïque est représenté par sa courbe caractéristique. Celle-ci varie selon l'ensoleillement dans le plan du module et sa température. La puissance du module photovoltaïque sera donc fonction des conditions météorologiques. Pour une température donnée, la puissance du module est presque proportionnelle à l'ensoleillement. Pour un ensoleillement donné, la puissance va décroître en fonction de la température et cette décroissance est matérialisée par un coefficient qui est spécifique d’une technologie donnée. Dès lors que la puissance du module photovoltaïque est variable, il faut définir des conditions de référence dans lesquelles on pourrait considérer une puissance nominale.

Ces conditions de référence sont dites conditions standards de test avec un ensoleillement à 1 kW par mètre carré, une température du module à 25°C et un coefficient air/masse de 1,5 (figure ci-dessus). Ce coefficient air/masse est relatif à un trajet optique dans l'atmosphère pour une hauteur de soleil de l'ordre de 40°. Cette puissance nominale est dite puissance crête et elle correspond aux puissances installées.

3. Performance

L'évaluation des performances d'un système photovoltaïque, dans notre cas un système photovoltaïque raccordé réseau, peut-être différente selon les échelles temporelles. C'est-à-dire que si l'on s'intéresse au suivi précis d'un système photovoltaïque, il sera peut-être effectivement possible de faire des mesures en temps réel. Mais dès lors que l'on s'intéresse à des productivités globales voire à des comparatifs entre systèmes, une évaluation de type macro peut-être suffisante. Quand on entend macro, on peut penser à un niveau horaire mensuel voire annuel. Pour un système raccordé réseau, il est donc décrit par des grandeurs de type surface de captation, puissance crête mais également par les niveaux d'énergie convertie et injectée au réseau. On peut calculer des productions rapportées à la puissance, production au niveau de la conversion et au niveau du système qui va permettre de pouvoir faire des comparatifs entre systèmes. Les rendements à différents niveaux du système sont donc également calculables. La productivité du système est calculée par le rapport entre l'énergie injectée au réseau et sa puissance crête. Ceci nous permet de nous affranchir de la taille du système mais par contre, elle est dépendante des conditions d'ensoleillement et donc de l'endroit (ou du site) sur lequel il est installé. Cette productivité peut-être aussi exprimée en nombre d'heures de fonctionnement de notre système photovoltaïque dans des conditions de puissance nominale. La relation qu’il y a avec les conditions d'ensoleillement indique tout de suite que cette productivité sera plus importante dans les régions ensoleillées de type sud de l'Europe que des régions de type nord de l'Europe. Afin de s'affranchir des conditions d'ensoleillement, et de pouvoir comparer les systèmes directement entre eux et identifier des systèmes qui pourraient avoir des performances moins intéressantes, on introduit le coefficient de performance qui en fait reflète ou calcule l'énergie réellement fournie par une énergie potentielle de s’il fonctionnait dans les conditions de puissance nominale. Ce coefficient de performance, on le voit sur le graphique ci-dessous, est le plus important pour les systèmes raccordés réseau puisque ces systèmes utilisent toute l'énergie qu'ils produisent, alors que pour les systèmes isolés l'intervalle de variation est beaucoup plus important puisqu'il dépendra de l'adaptation de la production et de la charge.

4. facteur de charge

Les énergies renouvelables et l'énergie solaire en l'occurrence sont des technologies qui sont maintenant installées dans certains pays de manière significative. Il convient donc de pouvoir déterminer de façon réaliste quel est réellement leur apport au niveau énergétique, national - voire international si on considère l'Europe -, par rapport à ce que peuvent faire les énergies dites traditionnelles ou conventionnelles. Le facteur de charge est lié à la productivité. Il correspond à un nombre d'heures de fonctionnement du système à sa puissance nominale. On remarque sur le graphique ci-dessous que les systèmes solaires ont des facteurs de charge qui sont inférieurs à 20 %, ce qui veut dire que ces systèmes ont fonctionné moins de 20 % du temps à leur puissance nominale. 1 gigawatt solaire n'a donc pas la même valeur qu'un gigawatt d'une centrale conventionnelle.

De plus, ces systèmes solaires vont produire durant le cœur de la journée. Il va donc falloir adapter cette puissance notamment avec des unités de stockage pour éviter de perturber les réseaux.

5. Chiffres clés

Voici quelques chiffres-clés sur les systèmes photovoltaïques. Le rendement d’un module en silicium cristallin varie entre 13 et 20 % en fonction des technologies. Le rendement du système, qui prend en compte les différentes conversions au niveau du système, sera donc entre 10 et 17 %. La durée de vie d'un générateur de type silicium cristallin peut être évaluée à environ 30 ans de fonctionnement avec une dégradation inférieure à 10 %. Au niveau du coût d'investissement, pour un système installé en toiture, ça peut varier entre 2200 et 4000 euros le kilowatt crête en fonction de cette intégration. Les grandes centrales arrivent entre 1500 et 2500 € le kilowatt crête. Concernant le facteur de charge, dans les zones plutôt nord européennes, on aura 900 heures de fonctionnement en puissance nominale alors que dans le sud de l'Europe, on aura pas loin de 1500 heures. Le retour énergétique, qui correspond à la durée qu'un système photovoltaïque va mettre pour rembourser l'énergie qu'on lui a donnée pour le créer, est donc de l’ordre de 2 à 5 ans.