MODULES DE FORMATION CONTINUE. MODULE ELECTRICITE SOLAIRE PHOTOVOLTAIQUE M 41.1, Edition Avec le soutien de

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1 ENERGIES RENOUVELABLES PENTA PROJECT MODULES DE FORMATION CONTINUE MODULE ELECTRICITE SOLAIRE PHOTOVOLTAIQUE M 41.1, Edition 2009 Avec le soutien de

2 Avec le soutien de par Partenaires Agence des énergies renouvelables et de l efficacité énergétique (AEE) Association suisse des entrepreneurs poêliers-fumistes et carreleurs (SPC) Association suisse des maîtres professionnels des installations du bâtiment (SFCV) Association suisse des maîtres ramoneurs (ASMR) Association suisse des professionnels de l énergie solaire (Swissolar) Association suisse du froid (ASF) Association suisse et liechtensteinoise de la technique du bâtiment (suissetec) Association suisse Toitures et Façades (ASTF) Chauffages au bois Suisse (FSIB); Energie-bois Suisse Groupement promotionnel suisse pour les pompes à chaleur (GSP) Haute Ecole spécialisée de Lucerne, Département Technique et Architecture Office féderal de l énergie (OFEN) Société suisse des ingénieurs en technique du bâtiment (SICC) Société suisse pour la géothermie (SSG) Union suisse des installateurs-électriciens (USIE) Union suisse des professionnels de la technique sanitaire et chauffage (USTSC) Union suisse des sociétés d ingénieurs-conseils (usic) Penta Project, c/o CPMB, Les Longues Raies 11, 2013 Colombier, tél , fax cpmb@rpn.ch,

3 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque Table des matières 1 Table des matières 2 Introduction Utilisation de l énergie solaire Situation énergétique Développement de l électricité et de l électricité solaire Potentiel de l énergie solaire Bilan énergétique individuel Facteur de retour énergétique Coûts et rentabilité Intégration en toiture et permis de construire Lexique 10 3 Site Rayonnement solaire et courses solaires Inclinaison et orientation 12 4 Schéma de principe d une installation photovoltaïque Installations raccordées au réseau Installations autonomes pour sites isolés Système backup 14 5 Cellules solaires photovoltaïques Principe de fonctionnement d une cellule solaire Types de cellules solaires Processus de fabrication 18 6 Module solaire Couplage des cellules Constitution d un module standard Diodes by-pass Boîte de connexion et connecteurs à fiches 21 7 Onduleur Grandeurs et caractéristiques principales Types d onduleurs Sécurité, monitoring et maintenance 27 8 Coffret de raccordement, câblage et raccordement d immeuble Coffret de raccordement Câblage Raccordement d immeuble 30 9 Systèmes de montage Systèmes de montage rapportés sur toiture Systèmes de montage intégrés en toiture Systèmes de montage sur toiture plate Système de montage en façade 35 1

4 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque 10 Aspects économiques Coûts d investissement Production Contrôles et entretien Rendement du capital investi Prescriptions de sécurité et normes Sécurité sur les toits Statique Raccordement électrique Etude du projet Etudes préliminaires Phase de projet Phase de préparation de la réalisation Phase de réalisation Phase d achèvement Informations complémentaires 45 2

5 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque 2 Introduction 2.1 Utilisation de l énergie solaire Il existe de nombreuses formes d utilisation de l énergie solaire. Nous nous limiterons dans ce cours à l électricité solaire photovoltaïque, quand bien même il serait utile de connaître les autres applications. On distingue principalement entre utilisations active et passive de l énergie solaire. Par utilisation passive on comprend surtout les solutions architecturales en vue d économiser la chaleur grâce au rayonnement solaire. L utilisation de l énergie solaire active est partagée entre les applications thermique et photovoltaïque de l énergie solaire. Le volet thermique est traité de manière détaillée dans un cours correspondant. On distingue deux types d installations photovoltaïques : les installations raccordées au réseau et les installations autonomes pour sites isolés. Dans les installations autonomes la production d électricité solaire est adaptée à la consommation d énergie électrique. Dans le cas des installations raccordées au réseau, le réseau public de distribution d électricité devient accumulateur-tampon. En Suisse, la plupart des installations photovoltaïques sont raccordées au réseau. Voir les informations complémentaires du chapitre 4. Fig. 1 : Les différentes applications de l énergie solaire 3

6 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque 2.2 Situation énergétique Fig. 2 : Approvisionnement mondial en énergie selon les agents énergétiques primaires La consommation mondiale d énergie a doublé lors des 40 dernières années. Les agents énergétiques non-renouvelables tels le charbon, le pétrole, le gaz ou l uranium ont fourni la majeure partie de cet accroissement. Les problèmes suivants en résultent : - réchauffement climatique, - dépendance de régimes politiques instables, - sécurité d exploitation, déchets, - partiellement de très longs trajets de transport avec les charges sur l environnement correspondantes. La situation énergétique suisse ressemble à la situation énergétique mondiale. Fig. 3 : Consommation finale suisse selon les agents énergétiques 4

7 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque Une répartition de la consommation finale selon les agents énergétiques secondaires fournit les résultats suivants : 1/3 pour les carburants, 1/4 pour l électricité, 1/5 pour les combustibles pétroliers et 1/5 pour le gaz et autres agents énergétiques. Le total de la consommation finale suisse en 2007 se monte à 240 Mrd kwh. Fig. 4 : Répartition de la consommation finale selon les agents énergétiques Une répartition de la consommation d électricité par groupes de consommateurs fournit les résultats suivants : Fig. 5 : Répartition de la consommation d électricité par groupes de consommateurs Source : Statistique suisse de l électricité 2007 La consommation d électricité en chiffres absolus est la suivante : Consommation finale Ménages Agriculture, horticulture Industrie, arts et métiers Services Transports 57.4 Mrd kwh 17.5 Mrd kwh 1.0 Mrd kwh 19.0 Mrd kwh 15.2 Mrd kwh 4.7 Mrd kwh 5

8 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque 2.3 Développement de l électricité et de l électricité solaire Depuis 2005, les entreprises suisses d approvisionnement en électricité sont tenues de déclarer la provenance et la composition du courant. Un rapport d évaluation de l OFEN montre qu en 2005 la plus grande part d électricité consommée en Suisse provient de l énergie nucléaire. Environ 0.1 % est issue des nouvelles sources d énergie renouvelables (solaire, éolien, biomasse). Mais une enquête téléphonique représentative réalisée dans le cadre de cette évaluation auprès de 1000 ménages révèle que les clients privés souhaitent avant tout du courant issu des énergies renouvelables. Fig. 6 : Mix de production suisse d électricité (valeurs cibles et réelles) Il existe également au niveau mondial une forte croissance de la production d électricité solaire. Cette augmentation exceptionnelle est à mettre au crédit de conditions-cadre intelligentes, telles que la EEG (Loi sur les énergies renouvelables) en Allemagne : Fig. 7 : Puissance annuelle mondiale photovoltaïque installée 6

9 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque La croissance du marché suisse suit péniblement la croissance mondiale avec quelques années de retard, comme l indique la statistique ci-dessous. Source : Recensement du marché de l énergie solaire en 2007, OFEN. Fig. 8: Ventes annuelles de modules photovoltaïques en Suisse en kwp 2.4 Potentiel de l énergie solaire Le Soleil rayonne en une heure sur la Terre toute l énergie que l humanité consomme en une année. Si l on parvient à transformer 0.1 % de cette énergie solaire en énergie consommable, les problèmes énergétiques disparaissent. Fig. 9 : Rayonnement annuel sur la Terre 7

10 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque Il faudrait environ 6 m 2 de photovoltaïque par habitant pour couvrir 10 % des besoins en électricité de la Suisse. Ceci correspond à environ 1/9 de la surface des bâtiments suisses. Fig. 10 : Surface de sol suisse pour 10 % d électricité solaire Source: Office fédéral de l aménagement du territoire, Bilan énergétique individuel Chaque habitant de la Suisse consomme annuellement environ kwh d énergie finale. En particulier, kwh pour le transport (privé, public et de marchandises) et kwh pour le chauffage. La consommation d électricité dans les ménages (lumière, machine à laver, séchoir, machine à laver la vaisselle, réfrigérateur, congélateur et autres appareils électriques) correspond à kwh par an et par personne. (Source: Indikatoren für den internationalen Vergleichs des Energieverbrauchs und der Treibhausgasemissionen, OFEN, novembre Seulement en langue allemande). 8

11 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque Facteur de retour énergétique Le facteur de retour énergétique d une installation photovoltaïque exprime le rapport entre l énergie produite durant son fonctionnement et l énergie nécessaire à sa construction, son exploitation et son démantèlement (dans notre exemple : 3 kwp, cellules polycristallines, montage sur toiture en pente). La durée de vie de l installation divisée par le «paybacktime» exprime le facteur de retour énergétique. Une installation photovoltaïque de technologie actuelle fournit, sous nos latitudes, 12 fois plus d énergie qu il n en a été nécessaire pour sa construction (facteur de retour énergétique). Les centrales électriques qui produisent de l électricité avec des énergies non renouvelables ne sont pas en mesure de rentabiliser l énergie primaire investie car produisant moins d énergie électrique que celle nécessaire à leur construction. Leur facteur de retour énergétique est donc toujours inférieur à 1. Fig. 11 : PV - Energy paybacktime ou durée d amortissement énergétique du photovoltaïque 2.7 Coûts et rentabilité Le prix indicatif actuel d une installation photovoltaïque raccordée au réseau se situe à environ Fr / kw. On compte également avec une production annuelle de 950 kwh / kw pour une installation non ombragée située sur le Plateau suisse. Sa durée de vie est estimée à plus de 30 ans. Le prix du kwh solaire payé au producteur est seul décisif lors du calcul de rentabilité économique. Grâce à la rétribution à prix coûtant (RPC) celui-ci peut compter actuellement sur des prix de 49 à 90 cts/kwh. On en déduit donc des données ci-dessus que le rendement du capital se situe à environ 5 % pour une durée d amortissement de 25 ans. 9

12 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque Il est recommandé de regrouper les modules solaires dans un seul champ de forme rectangulaire, situé dans l alignement des bordures de toit et ne dépassant pas ses contours. 2.8 Intégration en toiture et permis de construire On accorde beaucoup d importance en Suisse à l aspect esthétique final des installations solaires. C est ainsi qu il n est pas recommandé de poser des installations plein sud sur des toitures en pente orientées à l ouest. L avenir se situe sans aucun doute dans les installations intégrées en toiture reprenant une autre fonction de l enveloppe du bâtiment, telle que des modules à la place de tuiles. Une objection fréquente réside dans l effet miroir des installations solaires. Des expertises ont prouvé qu environ 10 % du rayonnement est réfléchi. Ceci ne peut qu assurément très rarement porter préjudice à des voisins. A prendre en compte lors de l étude. En début 2008, l article 18a Installations solaires de la Loi sur l aménagement du territoire (LAT) est entré en vigueur : «Dans les zones à bâtir et les zones agricoles, les installations solaires soigneusement intégrées aux toits et aux façades sont autorisées dès lors qu elles ne portent atteinte à aucun bien culturel ni à aucun site naturel d importance cantonale ou nationale» 2.9 Lexique Module solaire photovoltaïque Capteur solaire thermique Photovoltaïque (PV) Production d énergie kwp kwh Capteur avec cellules photovoltaïques connectées entre-elles afin de convertir la lumière en électricité. Appareil destiné à la conversion du rayonnement solaire en chaleur (eau chaude). Relatif à la conversion directe de la lumière en électricité. Production annuelle d électricité d une installation photovoltaïque en kwh. Fonction de la puissance installée (kw) et du lieu de montage. Unité de puissance nominale d un module ou d une installation photovoltaïque. Elle se rapporte au côté courant continu (DC). Unité de production d énergie. Un kwh correspond à l énergie consommée en 10 h par une ampoule à incandescence de 100 W (puissance x temps). 10

13 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque 3 Site 3.1 Rayonnement solaire et courses solaires Le rayonnement solaire atteignant la Terre se partage en rayonnement direct et rayonnement diffus. Selon la couverture nuageuse et l heure du jour la puissance rayonnée, mais également la part de rayonnement direct et diffus, varient fortement. Par beau temps, le rayonnement direct prédomine. Le rayonnement diffus est présent par temps nuageux ou par brouillard. La totalité du rayonnement atteignant la Terre est désignée rayonnement global. Plus la part de rayonnement diffus est importante et plus la pente de l installation sera faible. Fig. 12 : Rayonnement solaire 1 Rayonnement extraterrestre : Le rayonnement solaire à la limite de l atmosphère 2 Rayonnement direct : Est dépendant de la position du Soleil et provoque des ombres portées 3 Rayonnement diffus : Se fait par réflexion du rayonnement solaire sur les nuages, les montagnes, les lacs (pas d ombre portée) 4 Rayonnement global : Mesuré sur une surface horizontale, constitué des rayonnements direct et diffus Le rapport moyen entre rayonnement direct et diffus est connu pour chaque lieu, permettant ainsi d en déduire l angle d inclinaison optimal. Sous nos latitudes les trajectoires du Soleil varient fortement au cours de l année. En été à midi le Soleil se situe à une hauteur de 66, en hiver à seulement 18. Plus l altitude du site est élevée et plus la pente de l installation sera forte (neige). 11

14 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque Fig. 13 : Courses solaires et horizon 3.2 Inclinaison et orientation Le rayonnement incident perpendiculaire à une surface installée est toujours supérieur à celui sur une surface horizontale équivalente. Comme l azimut et la hauteur du Soleil varient fortement au cours d une journée et durant l année, il faut toujours compter avec une forte variation de l angle d incidence du rayonnement solaire dans le cas de surfaces données telles que toitures de bâtiments. Une réflexion concernant la grandeur du rayonnement annuel est alors utile à une meilleure estimation du potentiel énergétique solaire des surfaces existantes. Ci-dessous, le rayonnement global annuel sur une surface de 1 m 2 à Neuchâtel en relation avec l orientation par rapport au sud et l angle d inclinaison : Fig. 14 : Inclinaison et orientation optimales Lors de la pose d installations sur toits plats il est nécessaire de maintenir une distance suffisante entre les rangées de modules afin d éviter tout ombrage. L angle d ombrage empirique se situe entre16 et 18. L inclinaison optimale à Neuchâtel pour une orientation plein sud est d environ 30. Plus l orientation de l installation s éloigne du sud et plus l inclinaison est faible. 12

15 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque 4 Schéma de principe d une installation photovoltaïque 4.1 Installations raccordées au réseau Fig. 15 : Schéma de principe d une installation raccordée au réseau Les modules solaires photovoltaïques sont branchés en série pour élever la tension et en parallèle pour augmenter le courant. Toutes les pièces métalliques conductrices sont raccordées à la prise de terre du bâtiment (liaison équipotentielle). Dans le coffret de raccordement, le champ photovoltaïque peut être découplé au moyen d un interrupteur DC. Les dispositifs de protection contre les surtensions protègent l installation contre les surtensions lors d orages. L onduleur transforme le courant continu de l installation solaire en courant alternatif conforme au réseau. Le compteur de production mesure l énergie délivrée par l installation. Le coupe-circuit principal est défini par les SI et autres distributeurs comme poste de sectionnement et doit toujours être accessible. 4.2 Installations autonomes pour sites isolés Le thème des installations autonomes n est pas traité dans ce cours. Pourtant, le schéma de principe d une installation autonome 230 V est décrit cidessous dans l optique d une meilleure connaissance du système backup. 13

16 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque Fig. 16 : Schéma de principe d une installation autonome Eléments constitutifs : Module solaire photovoltaïque couplé en série et/ou en parallèle. Régulateur de charge Accumulateur pour le stockage de l énergie. Onduleur autonome qui transforme le courant continu en alternatif. Fusibles de protection contre les surcharges et court-circuits Interrupteur principal permettant de déconnecter tous les appareils. Consommateurs sous 230 V alternatif La mise à terre avec une attention particulière afin de garantir la fonction de protection. 4.3 Système backup Une installation solaire photovoltaïque avec système backup est une combinaison entre installations raccordée au réseau et autonome. Fig. 17 : Schéma de principe du système backup (SMA) 14

17 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque 5 Cellules solaires photovoltaïques 5.1 Principe de fonctionnement d une cellule solaire La cellule solaire cristalline standard se compose de deux couches de silicium dopées différemment. La couche exposée au rayonnement solaire est dopée négativement et son opposée positivement. Un champ électrique au niveau de la jonction permet de libérer les porteurs de charge négatifs du semi-conducteur (électrons). Des contacts métalliques situés au-dessus et en-dessous de la cellule collectent le courant solaire produit. Une cellule solaire transforme la lumière directement en courant électrique. Les porteurs de charge négatifs (électrons) sont bombardés par les photons et libérés du semi-conducteur. Ils sont ensuite collectés par la grille de contact. Fig. 18 : Principe de fonctionnement d une cellule solaire La cellule solaire correspond à l élément semi-conducteur élémentaire, soit une diode au silicium mais de grande dimension. Elles possèdent toutes les deux les mêmes caractéristiques électriques. Dans son schéma équivalent, la cellule solaire sous obscurité est décrite comme diode. Sa caractéristique est également celle d une diode. Dans le cas d une cellule solaire monocristalline la tension de seuil est d environ 0.5 V et la tension de rupture de 12 à 50 V. Fig. 19 : Schéma équivalent et caractéristique sous obscurité 15

18 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque Quand le rayonnement atteint la cellule solaire, son énergie lumineuse libère des porteurs de charge. Le schéma équivalent d une cellule solaire sous illumination figure celui d un branchement parallèle d une source de courant et d une diode. Fig. 20 : Schéma équivalent et caractéristique sous illumination Il en résulte la caractéristique typique de la cellule solaire : Fig. 21 : Caractéristique des cellules solaires 16

19 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque Types de cellules solaires On distingue trois groupes de cellules solaires : les cristallines, en couches minces et les nanostructurées encore actuellement en développement. Fig. 22 : Types de cellules solaires Le tableau ci-dessous présente un aperçu des rendements moyens, part du marché mondial et propriétés des différents types de cellules. Type de cellule Rendement moyen Part du marché mondial (2006) Propriétés Silicium monocristallin Silicium polycristallin % 43.4 Puissance spécifique élevée (W/m 2 ), rendement stable, recherche éprouvée, consommation d énergie élevée lors de la fabrication % 46.5 Puissance spécifique élevée, rendement stable, recherche éprouvée, consommation d énergie élevée lors de la fabrication Silicium amorphe 5-7 % 4.7 Fabrication en continu possible, rendement moindre, dégradation (perte de puissance au vieillissement) Silicium en bande % 2.6 Pas de sciage des blocs de silicium Tellurure de cadmium (CdTe) % 2.7 Production en continu possible, fort potentiel de réduction des coûts, certains composants toxiques CIS % 0.2 Production en continu possible, fort potentiel de réduction des coûts, rendement élevé 17

20 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque 5.3 Processus de fabrication Cellules solaires cristallines au silicium Dans la croûte terrestre, le silicium est l élément le plus abondant après l oxygène. Il se présente en composé chimique sous forme de quartz ou de sable. La réduction de ce dioxyde de silicium est très onéreuse, ce coût se reportant sur le prix final de la cellule solaire. Fig. 23 : Processus de fabrication des cellules au silicium cristallin Autres technologies Depuis les années 90 les procédés de production en couches minces sont fortement engagés pour la fabrication de cellules solaires. On dépose pour cela une fine couche semi-conductrice sur un substrat bon marché (en général du verre). Les procédés de fabrication vont de la dépose sous forme gazeuse aux bains électrolytiques. Le matériau semi-conducteur utilisé est du silicium amorphe, du séléniure de cuivre et d indium (CIS), ou du tellurure de cadmium (CdTe). L utilisation moindre de matière première et d énergie ainsi que les perspectives d automatisation de la fabrication représentent un potentiel d économie considérable vis-à-vis de la technologie au silicium cristallin. 18

21 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque 6 Module solaire 6.1 Couplage des cellules Cellules cristallines En raison de leurs propres faibles puissance et tension (0.5 V), les cellules solaires sont connectées en série afin de constituer un module photovoltaïque à cellules cristallines. Le contact supérieur d une cellule est soudé au contact inférieur de la cellule suivante. Dans la plupart des modules solaires, on a 36 ou 72 cellules en série (tension de batterie). C est encore souvent le cas aujourd hui bien que l on trouve également des modules avec d autres couplages de cellules. Couplage des cellules à l intérieur d un module Fig. 24 : Couplage des cellules Cellules en couches minces Au contraire des cellules cristallines, la connexion électrique des cellules en couches minces est incluse dans le procédé de fabrication. On dépose pour cela du côté exposé à la lumière une couche hautement transparente et conductrice (couche contact avant transparent TCO). Sur la face arrière le contact est constitué d une couche métallique non transparente. Le couplage s effectue par des coupes entre les différentes couches. C est ainsi que les matériaux sont découpés en bandes de 0.5 à 2 cm de largeur au laser ou par grattage mécanique. Fig. 25 : Interconnexion des modules en couches minces 19

22 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque 6.2 Constitution d un module standard Les modules standards sont des modules conçus pour produire au moindre coût un maximum d énergie par unité de surface. Ils sont constitués en général de cellules encapsulées entre deux feuilles d EVA (éthylvinylacétate). La partie supérieure est constituée d un verre trempé, le dos d un film plastique pare-vapeur (TEDLAR) ou d une deuxième plaque de verre. Les modules standards sont disponibles avec ou sans cadre d aluminium. Ils sont montés là où n existent pas d exigences spéciales de forme et de dimensions du module. Fig. 26 : Constitution d un module standard 6.3 Diodes by-pass Quand un module solaire est ombré, par une feuille par exemple, il se comporte alors comme une diode de blocage tel que décrit au paragraphe 5.1. Cela signifie que si la tension appliquée est supérieure à la tension de rupture, la cellule fonctionne en consommateur et s échauffe (Hot Spot) jusqu à sa destruction. Fig. 27 : Module photovoltaïque ombré sans diode by-pass antiparallèle 20

23 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque Le couplage des cellules solaires en série fait que chaque élément est parcouru par le même courant. Il suffit alors qu une seule cellule soit ombrée pour que le courant dans toute la rangée soit diminué. Afin d éviter cette situation, on monte une diode by-pass antiparallèle sur chaque module qui permet au courant de circuler. Fig. 28 : Diodes by-pass dans un module photovoltaïque On obtient la plus grande protection contre les ombres en équipant chaque cellule solaire d une diode by-pass. En pratique et pour des raisons économiques, on monte une diode by-pass toutes les 18 à 20 cellules. 6.4 Boîte de connexion et connecteurs à fiches La plupart des modules sont livrés équipés d une boîte de connexion et de connecteurs à fiches. Ceux-ci seront étanches et résistants aux intempéries avec un degré de protection minimum IP 65. Beaucoup de modules solaires sont équipés de série de connecteurs à fiches Multi-Contact. Certains fabricants de modules ont introduits dernièrement des connecteurs à fiches Huber & Suhner. La boîte de connexion protège les bornes de connexion du module solaire des conditions atmosphériques. Elle se trouve au dos du module et doit être étanche et verrouillée Fig. 29 : Boîte de connexion 21

24 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque Système de connnexion Multi- Contact pour câblage sécurisé de modules solaires couplés en série. Vue arrière du module avec système de connexion prémonté. Fig. 30 : Connecteurs à fiches Simplement enfichable (pas de raccord à vis) Protégé contre les projections d eau (IP 65) Protection des contacts Pour tension continue max V Courant max. 20 A Câbles résistants aux UV 22

25 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque 7 Onduleur L onduleur représente le lien entre le générateur photovoltaïque et le réseau électrique public alternatif. Sa mission consiste à transformer le courant continu solaire (DC) en courant alternatif (AC) conforme en fréquence et tension à celui du réseau de distribution. Symbole : Fig. 31 : Symbole d un onduleur Des éléments semi-conducteurs commutables sont montés en pont dans la plupart des onduleurs. Grâce à ces transistors de puissance, on obtient une forme sinusoïdale selon le principe de modulation de largeur d impulsion. Principe Caractéristique Fig. 32 : Principe d un onduleur à modulation de largeur d impulsion Ces transistors de puissance sont commutés xfois par demi-onde. La demionde est alors reproduite à partir d impulsions de largeur variable. Après lissage dans un filtre passe-bas on obtient une bonne compatibilité entre courant injecté et courant du réseau de forme sinusoïdale. Les valeurs limites de la compatibilité électromagnétique (CEM) sont respectées grâce aux circuits de protection et aux blindages respectifs de ces appareils. Il existe des onduleurs avec et sans transformateur. Les onduleurs sans transfo sont souvent plus légers, meilleur marché et offrent un rendement supérieur à ceux avec transfo. Mais l utilisation d onduleurs sans transfo n est pas autorisée avec certains modules (modules en couches minces). 23

26 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque 7.1 Grandeurs et caractéristiques principales Rendements de conversion du convertisseur statique (DGS 3-54) Le rendement de conversion quantifie les pertes résultant de la conversion du courant continu en alternatif. Le rendement de conversion est fortement dépendant de la puissance d entrée. Un onduleur solaire moderne doit assurer une bonne adaptation à la caractéristique du générateur solaire. Afin de transformer un maximum de la puissance solaire en courant alternatif, l onduleur régule et recherche automatiquement le point de puissance maximum (MPP-tracking). Le rendement du convertisseur MPPT définit la qualité de l adaptation de l onduleur au point de travail optimal. P DC = puissance réelle d entrée instantanée P PV = puissance maximale instantanée Le rendement statique est le résultat du produit du rendement de conversion et du convertisseur MPPT. Il est définit pour différentes charges représentées par la caractéristique de rendement. Fig. 33 : Caractéristiques de différents types d onduleurs Rendement η Puissance relative P/P N 24

27 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque Rendement européen pondéré Le rendement européen pondéré a été introduit afin de simplifier la comparaison entre les différents onduleurs. C est un rendement moyen déterminé sur la base d une distribution typique des fréquences d ensoleillement. Charge partielle (%) Histogramme d ensoleillement Fig. 34 : Rendement européen pondéré La formule pour le calcul du rendement européen pondéré est la suivante: Rendement européen pondéré (η euro ) = (Rendement de l onduleur à 5 % de la puissance nominale x 0.03) + (η 10 % x 0.06) + (η 20 % x 0.13) + (η 30 % x 0.1) + (η 50 % x 0.48) + (η 100 % x 0.2) Pertes thermiques L ensemble des pertes est évacué sous forme de chaleur dans l environnement. Pour une puissance installée de 20 kw et un rendement de 95 % il faut compter avec 1 kw de puissance thermique à évacuer. C est la raison pour laquelle l onduleur doit être placé dans un local bien ventilé Comportement en surcharge L onduleur peut être surdimensionné pour des raisons techniques ou économiques. Les puissances sont réglées sur la puissance nominale (limitation de puissance) dans la plupart des onduleurs actuels. Fig. 35 : Limitation de puissance 25

28 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque 7.2 Types d onduleur Onduleur de module Les onduleurs de module sont rarement utilisés et relativement chers comparés à leur puissance. Domaine d utilisation : de 1 à 4 modules, jusqu à 200 Wp Onduleur de chaîne (string) Les installations d une puissance allant jusqu à 4 kwp sont le plus souvent équipées d onduleurs de chaîne dit «string». Le générateur photovoltaïque constituant le plus souvent lui-même une chaîne. Dans les installations de grandeur moyenne on connecte 2 à 3 chaînes par onduleur, ce qui contribue à créer une solution par générateurs partiels. Fig. 36 : Utilisation des onduleurs de chaîne Lors de l utilisation de plusieurs onduleurs de chaîne veiller à une injection dans le réseau la plus symétrique possible. Attention : Le raccordement en série de modules photovoltaïques conduit à des tensions jusqu à V. L utilisation d onduleurs de chaîne permet en général, de se passer de coffret de raccordement. Les onduleurs de chaîne sont disponibles jusqu à une puissance de 10 kwp. Un onduleur de chaîne typique est le SolarMax 2000S de Sputnik Engineering Onduleur central ou triphasé On désigne par onduleur central des appareils de bon rendement regroupant un grand nombre de chaînes couplées en parallèle. Ces onduleurs injectent du courant triphasé dans le réseau électrique public. La frontière avec les onduleurs de chaînes est ténue. Un exemple typique d onduleur central est constitué par le SolarMax 35S de Sputnik Engineering. 26

29 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque Sécurité, monitoring et maintenance Certaines perturbations peuvent occasionner des dangers, influencer le rendement ou interrompre complètement l arrivée du courant. Certaines perturbations sont gérées par l onduleur, d autres par une commande externe. Interruption du réseau : Dès que le réseau n est plus disponible, l onduleur se déconnecte afin d éviter les tensions de retour dangereuses. L onduleur se reconnecte automatiquement dès la remise en service du réseau. Surchauffe : Lors de température élevée, l onduleur se déconnecte ou réduit sa puissance. Défaut d isolation (courant de défaut): Cette erreur est détectée par l onduleur et signalée à un électricien qui procède alors à son dépannage. Chute de production : La neige, des coupures dans les chaînes, des défauts de câblage ou des sécurités défectueuses pénalisent considérablement la production. Ces problèmes sont détectables par un monitoring externe. La plupart des fabricants d onduleurs fournissent un kit de communication pour le contrôle à distance de la production d installations. Il existe également un système comparant automatiquement les données de production avec celles de la météo et avertissant le propriétaire lors de trop grandes différences (SPYCE). 27

30 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque 8 Coffret de raccordement, câblage et raccordement d immeuble 8.1 Coffret de raccordement Dans les installations comportant plusieurs chaînes, chaque chaîne est conduite au coffret de raccordement du générateur. Le coffret de raccordement contient les bornes de raccordement, les coupecircuit et en option les fusibles de chaîne. On installait souvent auparavant des diodes de chaîne afin d éviter les refoulements dans les chaînes ombrées. Mais ceci s est avéré erroné dans la plupart des cas. Il est apparu lors de l introduction de diodes de chaîne que le problème résidait avant tout dans la perte de puissance et donc de l échauffement qui en résultait. On monte également dans le coffret de raccordement des dispositifs de protection contre les surtensions ainsi qu un interrupteur général DC. Il a été introduit plus récemment dans la plupart des grandes installations des éléments de surveillance de chaîne signalant les dérangements éventuels à l exploitant. Fig. 37 : Coffret de raccordement avec coupe-circuit DC, fusibles de chaîne et surveillance de chaîne Le coffret de raccordement garantit une séparation nette des pôles positif et négatif. Monté en extérieur, il assure un degré de protection minimum IP

31 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque Câblage Le câblage du module et de la chaîne (string) est effectué au moyen de câbles solaires. Ils sont doublement isolés, résistants aux UV, flexibles (câble de cuivre généralement étamé) et résistent aux conditions atmosphériques extrêmes (- 40 C à C). On utilise normalement des matériaux sans halogènes et ininflammables. Une grande section de câble est choisie afin d éviter les pertes de puissance. On recommande à cette fin 2 A/mm 2. Fig. 38 : Câble solaire photovoltaïque - Prescriptions en Suisse pour la partie courant continu d installations PV Exigences : - Plage de température élevée (- 20 à C) - Résistance aux UV et aux conditions atmosphériques extrêmes - Tension de service selon branchement du champ PV (jusqu à V DC) Section : - Pour installations standard, utiliser une grande section : jusqu à 4 A 2.5 mm 2, jusqu à 8 A 4 mm 2 On utilise des câbles de couleur pour un meilleur repérage : rouge pour le conducteur positif, bleu pour le conducteur négatif et noir pour les autres raccordements. Un cordon unipolaire est utilisé pour le câblage du module et de la chaîne. Sections les plus utilisées : 2.5, 4 et 6 mm 2. Un câble spécial bipolaire avec de bonnes caractéristiques mécaniques est tiré entre le coffret de raccordement et l onduleur. Fréquemment ce câble possède un blindage de cuivre de 10 mm 2. Cette tresse de Cu est utilisée comme conducteur de compensation de potentiel. Sans blindage, il faut protéger le câble dans un tube métallique. 29

32 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque 8.3 Raccordement d immeuble La norme NIBT, chapitre 7.12 (voir également chap NIBT/ OIBT) s applique à l établissement d installations électriques d installation photovoltaïque. De même, il faut respecter les prescriptions des distributeurs locaux d électricité. Enfin, le raccordement d immeuble ne peut être effectué que par un concessionnaire électricien agréé. Fig. 39 : Schéma d un raccordement d immeuble 30

33 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque 9 Systèmes de montage Il existe de nombreux systèmes de montage. Ils sont classés selon les catégories suivantes : rapporté sur toiture (ajouté), intégré en toiture, sur toiture plate et en façade. La corrosion électrochimique est un phénomène important à prendre en compte dans toutes les installations. Elément galvanique local Série de tensions électrochimiques Elément Tension normale K Al Zn Fe Pb H Cu Ag Au Fig. 40 : Corrosion électrochimique La corrosion électrochimique dans les installations photovoltaïques est engendrée par la corrosion par contact en raison de formation d éléments galvaniques locaux. Les liaisons mécaniques entre des métaux de potentiels fortement différents sont donc à éviter. 9.1 Systèmes de montage rapportés sur toiture Ce système de montage concerne typiquement les toitures en pente existantes. La fixation entre le support et le toit se fait principalement par des crochets de toiture ou vis à double filetage. Il ne faut alors en aucun cas porter préjudice à l étanchéité du toit lors du montage. Fig. 41 : Crochets de toiture, vis à double filetage Les modules solaires sont fixés sur des profilés eux-mêmes montés sur des points de fixation (crochets, vis à double filetage). Dans ce type de montage, les modules sont soit emboîtés (profilés pour emboîtement) ou pincés à la construction (pinces de fixation). Le montage en toiture en pente doit permettre un démontage facilité des modules. En effet, il peut arriver que l on doive procéder à des réparations de toiture sous les modules ou même échanger un module défectueux. 31

34 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque Dans la solution de montage la plus simple les modules sont posés sur deux profilés transversaux parallèles et fixés en quatre points. La distance entre les profilés dépend des points de fixation possibles en toiture ainsi que des indications du fabricant des modules précisant les endroits de fixation du module. Fig. 42 : Montage vertical de modules sur profilés transversaux Dans le cas d un montage horizontal des modules il est plus économique de monter les profilés verticalement sur les fixations de toiture. Fig. 43 : Montage horizontal de modules sur profilés verticaux 32

35 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque Quand la sous-construction n offre pas de points de fixation adéquats par rapport à la distance nécessaire aux profilés, ou si la surface de toiture est inégale, il est recommandé de monter à angle droit un deuxième jeu de profilés. Grâce à ce montage avec profilés croisés on égalise facilement la toiture. Fig. 44 : Montage de modules sur profilés croisés Un deuxième jeu de profilés est également nécessaire pour le montage à emboîtement. Fig. 45 : Montage sur profilés à emboîtement 9.2 Systèmes de montage intégrés en toiture Les systèmes MegaSlate et Solrif sont très répandus sur le marché suisse. Mais on recouvre également depuis quelque temps les toitures de membranes solaires (Evalon Alwitra ou Sarnafil, par exemple) MegaSlate Les laminés solaires MegaSlate sans cadre sont posés comme des tuiles habituelles. Le matériel livré comprend une sous-construction constituée de profilés GFK et de crochets de fixation. 33

36 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque Les laminés solaires sont fixés sur la sous-construction et câblés à l aide de connecteurs. Les éléments sont disposés verticalement et sont recouvrants, les profils en GFK servant de support des laminés MegaSlate et de retours d eau. Fig. 46 : Montage du système MegaSlate SOLRIF Avec le système SOLRIF les modules solaires sans cadre (laminés) sont pourvus de cadres spéciaux SOLRIF. Ces laminés sont exclusivement encadrés par un installateur formé à cet effet, un partenaire SOLRIF ou dans l entreprise Ernst Schweizer SA. Respectivement deux profils de cadre engrenés latéralement l un dans l autre sont retenus du bas par un étrier de montage et fixé à la bordure supérieure de la rangée de modules suivante. Fig. 47 : Montage SOLRIF 34

37 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque Sarnafil (Solar Integrated) Les modules photovoltaïques de Solar Integrated sont soudés avec la membrane du toit. Fig. 48 : Pose de modules Solar Integrated 9.3 Systèmes de montage sur toiture plate Les systèmes de montage sur toiture plate se répartissent en systèmes de montage légers et à arrimage lourd (ex. Sofrel). Dans les systèmes de montage légers on utilise le gravier ou le substrat pour alourdir la construction, dans les systèmes à arrimage lourd des socles en béton ou analogues comme charge. Fig. 49 : Système de montage avec socle en béton comme charge Fig. 50 : Système de montage léger AluStand avec Solrec 9.4 Système de montage en façade La plupart des systèmes standards pour façades vitrées ayant fait leurs preuves conviennent comme systèmes de montage pour les installations photovoltaïques en façade. Il s agit en l occurrence des systèmes poteautraverse ou de façades suspendues. 35

38 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque 10 Aspects économiques 10.1 Coûts d investissement Les coûts d investissement actuels d une installation solaire photovoltaïque raccordée au réseau sont actuellement les suivants : Source: Exposé Urs Wolfer/ OFEN, Symposium photovoltaïque national, , Emmenbrücke Catégorie Classe de puissance [ kwp ] Coût d investissement spécifique selon offres de référence [ Fr./kWp ] Tarifs 2008 [ Fr./kWh ] Isolée < bis bis > Ajoutée < bis bis > Intégrée < bis bis > Les coûts d une installation de 3 kw en toiture se répartissent de la manière suivante : Modules solaires 60 % Onduleur 8 % Système de montage 7 % Montage 10 % Installations électriques 10 % Gestion de projet 5 % 36

39 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque Production Le site et les qualités de l installation photovoltaïque sont évalués afin d établir un prévisionnel de production. A cet effet, les différentes pertes dans l installation sont déduites de la production idéale. La figure ci-dessous indique les pertes individuelles et leur quote-part respective en %. Fig. 51 : Diagramme des flux énergétiques d une installation photovoltaïque raccordée au réseau Des programmes de simulation usuels sont utilisés aujourd hui afin d estimer la production. Il en existe un grand nombre sur le marché. Le guide «Photovoltaische Anlagen» par exemple fournit un bon aperçu du marché ( Le site internet «Photovoltaic Geographical Information System» ( propose gratuitement une bonne estimation de la production. Les éventuels ombrages connus sont également à introduire dans cette simulation. Il est important de ne pas communiquer au client des estimations de production fantaisistes. Il est préférable qu il soit surpris positivement plutôt que ses attentes soient déçues. 37

40 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque 10.3 Contrôles et entretien Une installation photovoltaïque est contrôlée périodiquement et maintenue en bon état de fonctionnement. Le contrôle de la production est à effectuer par l exploitant à une fréquence suffisante pour ne pas entraîner un manque à gagner trop important en cas de dysfonctionnement. La fréquence minimale recommandée est d un mois. Pour les systèmes dès 20 kw, il est conseillé de doter le système d une télésurveillance qui permet à l exploitant d être informé rapidement en cas de dysfonctionnement. Selon le degré d importance de la panne, l intervention d un professionnel s avère indispensable. Dans la plupart des cas, il est avantageux de passer un contrat d entretien avec l installateur photovoltaïque. En 2007, une étude de l OFEN a montré que les coûts d entretien et de service représentés entre 5 et 10 cent./kwh. Une grande partie de ces coûts est imputée au remplacement d onduleur (env. tous les 10 ans) Rendement du capital investi Grâce à la rétribution à prix coûtant du courant injecté (RPC) le capital investi dans une installation photovoltaïque est amorti en 25 ans avec un rendement de 5 %. Un outil de calcul du rendement du capital investi dans une installation photovoltaïque est à disposition sous 38

41 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque 11 Prescriptions de sécurité et normes 11.1 Sécurité sur les toits Les chutes ont souvent de graves conséquences. Les mesures de sécurité requises sont donc à appliquer scrupuleusement. Les prescriptions de sécurité sur les toits sont détaillées dans l Ordonnance sur les travaux de construction (OTConst). La SUVA ( met à disposition des fiches techniques et des listes de contrôle de bonne qualité. En principe : Des mesures doivent être prises pour éviter des chutes à partir d une hauteur de 3 m. Protections latérales de min. 1 m de haut (toit plat ou sur site). Sur toiture en pente, installation d un pont de ferblantier ou d une paroi de retenue. Fig. 52 : Sécurité sur les toits avec paroi de retenue et pont de ferblantier Pour les travaux sur un toit d une durée totale inférieure à deux jours, utiliser une filière et une échelle de couvreur. ou Fig. 53 : Sécurité sur les toits lors de travaux de peu d ampleur Des protections contre les chutes doivent être installées sur des toitures de résistance limitée à la rupture et aux ouvertures dans la toiture. 39

42 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque 11.2 Statique Sur de grandes installations ou des toitures anciennes il faut faire évaluer la compatibilité du poids supplémentaire du générateur solaire jusqu à 40kg/m2 par un spécialiste de la statique du bâtiment.. Les normes suivantes sont à observer lors du dimensionnement du système de montage : SIA 260 Bases pour l élaboration des projets de structures porteuses SIA 261:2003 Actions sur les structures porteuses (vent, pression de la neige) La plupart des fournisseurs de sous-construction proposent des aides au dimensionnement de votre système Raccordement électrique Protection contre la foudre Les installations de protection contre la foudre sont érigées selon la norme SEV Celle-ci est à commander sous Sur les bâtiments avec protection contre la foudre, les parties métalliques de l installation modérément non-conductrices sont raccordées au conducteur d équipotentialité. Fig. 54 : Bâtiment avec et sans protection contre la foudre NIBT/OIBT La norme installation à basse tension (NIBT) SEV 1000:2005 s applique à l établissement des installations électriques d une installation photovoltaïque. A commander sous Le chapitre 7.12 «Photovoltaïque» propose des exemples et des explications concernant les applications possibles d une installation photovoltaïque. Les schémas A-F concernant les systèmes de protection possibles sont à traiter avec la plus grande attention. Le marquage selon NIBT des points de sectionnement des armoires de distribution, armoires à fusibles et onduleurs est un détail important souvent oublié. 40

43 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque L autocollant ci-dessous est parfaitement indiqué pour cet usage et peut être obtenu chez SWISSOLAR. ATTENTION REFOULEMENT INSTALLATION SOLAIRE! Tension d origine IPE! Point de sectionnement réseau-ipe! Déclencher ici lors de dérangements ou d incendie! Tension de service DC (Umpp) V max. (V0) V Courant de service DC (Impp) A max. (lk) Onduleur avec sans séparation galvanique A Fig. 55 : Marquage selon NIBT Contrôles périodiques selon NIBT La norme installation à basse tension NIBT prescrit que les installations électriques soient périodiquement contrôlées : Contrôle de réception effectué par l installateur avec remise du rapport de sécurité. Contrôles périodiques par un organisme indépendant accrédité tous les 10 ou 20 ans Plans d installations électriques ESTI / IFICF Pour les installations monophasées > 3 kw ou > 10 kw triphasées, l IFICF (Inspection fédérale des installations à courant fort) demande le dépôt de plans pour approbation fédérale. L installation sera par la suite contrôlée par un inspecteur IFICF. Documentation disponible sous : ou 12 Etude du projet Il est souvent préférable de confier l étude du projet à un professionnel possédant une expérience dans le domaine photovoltaïque. L association suisse des professionnels de l énergie solaire SWISSOLAR propose une liste des Pros du solaire Etudes préliminaires Dimensionnement du champ solaire (orientation, inclinaison) Choix du type de montage (intégré, rapporté, isolé) Devis approximatif (coûts d investissement, production solaire) 41

44 Module 41.1: Electricité solaire photovoltaïque Conseils en énergie Conseiller signifie d abord aider le client à se décider. Il faut donc être prêt à répondre aux questions suivantes : Quelle est la différence entre module photovoltaïque et capteur solaire thermique? Quelle sera la production annuelle de courant électrique de mon installation? Que se passe-t-il avec mon approvisionnement en courant en absence de soleil? Combien de courant produit mon installation par ciel couvert? Où est consommé le courant produit? Que signifie «kilowatt peak»? Mon toit convient-il à une telle installation? Qu en est-il des salissures? Neige? Poussière? La grêle peut-elle endommager le module? Est-il rentable d installer un trackeur? Existe-t-il d autres couleurs que noir et bleu? Une autorisation de construire est-elle nécessaire? Combien me coûtera finalement mon installation? Existe-t-il des aides financières? Pouvez-vous m aider dans ma demande d aide financière? Quel est le montant de la rétribution à prix coûtant (RPC) pour mon courant injecté? Quelle est la durée de la RPC? Pouvez-vous faire la demande d injection au distributeur local? Quelle est la durée approximative d amortissement d une installation photovoltaïque? Quel est le rendement du capital investi? Quels sont les aspects fiscaux à prendre en considération? Faut-il entretenir l installation? La foudre peut-elle endommager l installation? Quelle est la durée de vie d une installation? Comment sont établies les durées de garantie? Mise sur pied du projet Cette étape peut-être réalisée sous forme d un bref courrier au client pour de petites installations. Pour de plus grandes installations, les aspects suivants seront approfondis : Situation de l installation Type d installation : intégrée, rapportée (toiture plate ou en pente) ou isolée 42