L’énergie photovoltaïque.
1. INTRODUCTION.
Les panneaux solaires photovoltaïques transforment directement le rayonnement solaire en électricité. Compte tenu de l'ensoleillement en Belgique, les systèmes photovoltaïques raccordés au réseau ont une productivité moyenne d'un peu plus de 100 kWh/m².an. Ainsi, pour un ménage moyen de 2 à 3 personnes consommant environ 3000 à 3500 kWh/an, une installation de 8 m2 fournit à peu près 1/3 de l'électricité totale nécessaire.
De petites applications peuvent fonctionner au moyen d'un système de stockage sur batterie, mais pour garantir un approvisionnement continu de courant, mieux vaut que l'installation soit raccordée au réseau électrique. De cette manière, lorsque votre production d'électricité est inférieure à la consommation, du courant est puisé sur le réseau. Inversement, le réseau est approvisionné si la production est supérieure à la demande. Il est également à noter que les systèmes de stockage sur batterie sont peu efficaces et nocifs pour l'environnement et pour la santé car elles utilisent des métaux lourds tels que le plomb et le cadmium.
Dans un premier temps, avant de penser à l'énergie renouvelable, il est évidemment important d'étudier attentivement la facture d'électricité et la consommation d'énergie en vue d'appliquer certaines mesures d'économie d'énergie. Les plus gros gaspillages énergétiques sont dus à une mauvaise isolation de l'habitation, à un mauvais entretien ou à un mauvais réglage du système de chauffage, à des appareils électroménagers à mauvais rendement (catégorie énergétique C, D et E), à un éclairage inadapté et énergivore (p. ex. lampes halogènes) ou encore à la mise en veille de nombreux appareils tels que la TV, le lecteur de DVD et le PC.
2. ANALYSE DU BATIMENT.
2.1 TAILLE, ORIENTATION ET ANGLE D’INCLINAISON.
Le choix de l'endroit où placer le système sur votre toit est très important. Idéalement, il doit être orienté plein sud, avec un angle d'inclinaison de 35°. Le système présente toutefois un rendement suffisant entre Sud-Ouest et Sud-Est, avec un degré d'inclinaison entre 20° et 60°. Un écart par rapport à la situation idéale implique donc une perte de rendement de quelques pourcents seulement.
Pour assurer un bon fonctionnement du système, il n'est pas nécessaire que le soleil brille intensément; un peu de lumière solaire suffit pour produire de l'énergie. Lorsqu'il fait nuageux, la quantité d'énergie solaire sera beaucoup moins grande qu'un jour ensoleillé.
Selon le choix de l'installation et de la technologie, les modules PV fournissent une puissance crête moyenne de 120-185 Wcrête/m2 Une installation de 8 m2 fournit donc une puissance entre 960 et 1480 Wcrête, soit un peu moins ou plus de 1 kWcrête.
Une installation de 1 kWc orientée vers le sud avec un angle d'inclinaison entre 20 et 60° fournit en moyenne, à Bruxelles, entre 750 et 850 kWh d'électricité par an. Si l'on opte pour une orientation verticale, p. ex. par intégration dans la façade, le rapport est jusqu'à 30% inférieur et se situe en moyenne entre 500 et 600 kWh par an. A ce jour, l'intégration en façade ne donne d’ailleurs pas droit à la prime de la Région bruxelloise, ni à une réduction d’impôts du gouvernement fédéral, car l’inclinaison des panneaux doit se trouver entre 0° et 70° par rapport à l’horizontal.
Un système photovoltaïque de 1 kWc (7 m2) fournit donc jusqu'à un tiers, voire plus de la consommation électrique. Ce qui représente une économie non négligeable pour le budget énergétique annuel!
il est conseillé de ne pas installer plus de panneaux que ceux requis pour les besoins en électricité du ménage; c'est d'ailleurs l'une des conditions à l'obtention d'une prime.
Il est donc important de réfléchir à l'avance du système, compte tenu des besoins énergétiques et du dimensionnement.
2.2 CHOIX DU SYSTÈME.
Dans la plupart des cas, un système de superstructure (photo 1) est plus facile à installer qu'une intégration dans le toit (photo 2), laquelle coûte souvent plus cher à l'installation vu le degré de difficulté plus élevé.
De nombreux systèmes différents existent sur le marché : pour toits en pente, toits plats, toits en verre (vérandas, lucarnes, toits atrium), façades et protection solaire. Les différents fabricants proposent une vaste gamme. En ce qui concerne la technologie en elle-même, on note également une évolution importante, même si la technologie la plus utilisée reste toujours les cellules silicium cristallin.
Dans des conditions optimales d'ensoleillement (orientation/inclinaison/ombrage) les systèmes monocristallins seront toujours plus performants que celle de poly cristallins. Le choix de ce dernier se justifie uniquement du point de vu économique dans de telles conditions.
Etant donné que chez les particuliers, un toit solaire est la plupart du temps composé d'un système modulaire, on peut en principe remplacer assez facilement une partie, en cas de mauvais fonctionnement, ou étendre le système. Un système modulaire avec des panneaux connectés en série est la solution la mieux adaptée aux besoins, car plus performant et, en principe, moins coûteux. Le choix d’un système photovoltaïque en parallèle sera fait seulement pour limiter l'impact des ombres.
Il faut donc veiller à ce que l'installation soit facilement accessible en cas de problème.
2.3 OBSTACLES POSSIBLES.
Comme indiqué précédemment, les choix de l'orientation et de l'angle d'inclinaison influencent le rendement.
Les panneaux doivent rester propres. Il conviendra donc d’éviter tout dépôt de saleté comme des poussières et des déjections d'oiseaux. Généralement, la pluie nettoie suffisamment la surface des modules, si une inclinaison minimale des modules de 15° est respectée. Néanmoins, une vérification périodique est conseillée.
L’onduleur doit être correctement dimensionné par rapport à la taille de l’installation. Un sous- ou surdimensionnement trop important peut perturber le fonctionnement du système photovoltaïque et conduire à un mauvais équilibre économique. En réalité, au vu des conditions climatiques belges, il ressort que la puissance de l'onduleur doit être 10 à 15 % plus faible que la puissance de crête des modules PV. Comme l'orientation des panneaux par rapport au soleil n’est pas toujours idéale et également lorsqu'il fait nuageux, une puissance inférieure de l’onduleur optimisera techniquement et économiquement l’installation.
A côté de cela, la présence d'ombre sur la surface du toit peut également perturber le fonctionnement. Il est essentiel d'éviter l'ombre due à des poteaux, des arbres, des fenêtres de toit, des cheminées et des bâtiments car l'ombre provoque une baisse de rendement importante.
L'ombrage complet empêche tout rayonnement (direct et indirect) d'atteindre une partie de cellule photovoltaïque (par exemple, une déjection d'oiseau ou une branche d'arbre sur le panneau). L'ombrage partiel empêche seulement le rayonnement direct d'atteindre une partie de la cellule photovoltaïque (par exemple, une cheminée, un arbre, un nuage).
En cas de connections en série, si un seul panneau est partiellement ou totalement ombragé, c'est la production de toute l'installation qui peut en pâtir, car la cellule la plus faible va déterminer et limiter la puissance des autres cellules (à la condition qu’il n y ait pas de diode by-pass).
L'idéal est de surveiller attentivement l'ensoleillement pendant un an, au fil des saisons. Ainsi, un arbre peut ne poser aucun problème en été parce que le soleil est suffisamment haut dans le ciel, mais constituer un obstacle important au fonctionnement des panneaux en hiver.
Une intégration dans le toit ou la façade peut entraîner une perte de rendement plus importante que des panneaux en superstructure, en l'absence de ventilation. En effet, l’augmentation de la température durant les mois les plus ensoleillés et souvent les plus chauds pourrait réduire de façon importante la production d’électricité.
Finalement, avant de choisir des panneaux solaires photovoltaïques, il est important de se poser également les questions suivantes, qui peuvent être un obstacle:
Ø Quelle est ma superficie de toiture disponible, en tenant compte des ombrages? Une installation standard s’échelonne entre 8 à 10 m².
Ø Ma toiture doit-elle être remplacée? Il serait dommage d’investir dans des panneaux solaires si dans 5 ans vous devez remplacer votre toit.
Ø Combien de m² puis-je installer suivant mon budget ?
2.4 COUT D’UNE INSTALLATION PHOTOVOLTAÏQUE.
Les prix d'une installation photovoltaïque dépendent notamment de la puissance voulue, du mode d'installation, de l’onduleur et des frais d'installation. Ceux-ci représentent souvent 20 % de l'investissement et peuvent varier selon qu'il s'agit d'une nouvelle construction ou d'un ancien bâtiment, d'une superstructure ou d'une intégration dans le toit, en fonction de la distance entre les panneaux et l’onduleur, entre l’onduleur et le tableau électrique, etc. Le coût du matériel poursuit à chuter année par année mais représente tout de même encore la majeure partie de l'investissement (80 %). Les frais de maintenance sont ensuite très minimes.
Le prix moyen d'une installation photovoltaïque se situe actuellement à Bruxelles par exemple entre 4,5 à 7€ par Wcrête TVAC pour des panneaux standards au silicium polycristallin. Le prix moyen en 2009 était de 6.7 €/Wcrète, TVA inclus.
Les investissements nets, à Bruxelles, pour l'installation des panneaux solaires photovoltaïques est faible, grâce à diverses subventions.
Une aide pour les frais d'investissement peut toujours être demandée auprès d'institutions bancaires; certaines banques proposent des conditions de prêt intéressantes pour de telles installations.
Par un arrêté royal, il existe depuis 1 janvier 2009, la bonification d’intérêt pour les mesures d'économie d'énergie, y compris l'installation de panneaux solaires. Il s’agit d’un calcul annuel sur une durée d’un an. Cela signifie que le gouvernement fédéral prend en charge jusqu’à 1,5% de l’intérêt du prêt. Cette bonification est limité dans le temps jusqu’au 31 décembre 2011. Vous devez vous-mêmes prendre des mesures appropriées pour avoir droit à cette bonification d’intérêt.
D’autres solutions consistent à chercher d'autres personnes intéressées pour faire un achat groupé- les commandes en plus grandes quantités permettent d’obtenir des prix plus avantageux - ou un cofinancement. Les années à venir, la Région stimulera ces achats groupés plus.
3. PLACEMENT DES PANNEAUX SOLAIRES ET RACCORDEMENT AU RESEAU.
3.1 PLACEMENT.
Avant de pouvoir procéder au placement proprement dit des panneaux solaires photovoltaïques, il convient de vérifier certaines choses, tant au niveau des exigences architecturales qu'en ce qui concerne les mesures de sécurité.
3.2 RACCORDEMENT AU RESEAU.
Chaque installation doit répondre à certaines conditions techniques de raccordement et de sécurité. Avant toute installation, vous ou l’installateur doivent prendre contact avec le gestionnaire du réseau de distribution d'électricité.
3.2.1 Raccordement de l’installation au réseau.
Voici un schéma simplifié d'un système photovoltaïque raccordé au réseau électrique interne de l'habitation:
3.2.1.1 Panneaux solaires.
Les panneaux solaires doivent répondre aux normes suivantes:
Ø les "modèles cristallins" doivent répondre à la norme IEC 61215 et un rendement minimum de 12 % est requis;
Ø les "modèles fins" doivent répondre à la norme IEC 61646 et un rendement minimum de 7 % est requis.
Pour plus d'informations sur la conformité de ces normes, consultez le fournisseur choisi ou le fabricant.
Les panneaux solaires fonctionnent de 25 à 30 ans. Ils sont systématiquement garantis pour une certaine période. Ceux-ci présentent toujours une perte de rendement avec le temps. Ainsi, un rendement garanti est communiqué par le fabriquant (généralement 90 % après 10 ans et 80 % après 25 ans).
3.2.1.2 L’onduleur.
Pour transformer l'électricité des panneaux solaires d'un courant continu en un courant alternatif, il faut un onduleur afin que l'électricité produite puisse être utilisée directement dans la maison. Dans le meilleur cas, on placera l’onduleur tout près des modules photovoltaïques (au maximum 10 à 15 m) pour éviter des pertes en ligne trop importantes.
Dans le cas d'une distance supérieure, cela doit être compensé par une section de câble plus importante. L’onduleur doit être situé à un endroit aéré, accessible et protégé de la pluie et des rayons directs du soleil. Le rendement de l’onduleur doit être supérieur à 91 % avec une garantie générale de 10 ans. Après 10-15 ans, il devra être remplacé. Cet onduleur doit être conforme à la norme européenne DIN VDE 0126 (2006), laquelle tient compte notamment de la qualité du courant (tension, fréquence, phase), de la sécurité et de la fiabilité (la performance ne peut pas diminuer avec le temps). Demandez à l’avance à votre fournisseur d’électricité ou votre fabricant s’il peut vous présenter un certificat conforme à cette norme. Vous devrez ajouter ce certificat à votre demande de prime.
3.2.1.3 Compteurs énergétiques.
Pour mesurer l'électricité produite et l'électricité consommée, deux compteurs énergétiques doivent être installés :
Ø le premier compteur9 (le compteur « vert ») mesure l'électricité nette produite par l'installation photovoltaïque. Il permet de calculer le nombre de certificats verts auxquels le particulier a droit et est normalement fourni avec l'installation et donc compris dans le prix (à vérifier avec l'installateur). Il permet de calculer l'économie d'énergie annuelle et le rendement de l'installation.
Attention : il y existe des différences de qualité au niveau des compteurs de productions de l’électricité verte. Informez-vous donc bien à l’avance sur les qualités techniques du compteur que l’installateur désire de l’installer. Soit sûr également de la qualité dans le cas d’un compteur digital ; si celui-ci casse, il est alors impossible de lire l'index.
Ø Le deuxième, un compteur bidirectionnel A+/A- fourni et installé par Sibelga, remplace le compteur présent dans l'habitation. Ce compteur mesure l'énergie fournie à l'habitation séparément de celle mise sur le réseau lorsque la production des panneaux solaires est supérieure à la consommation de l'habitation. Le remplacement du compteur existant par un compteur A+/A- coûte 235 € hors TVA et est intégralement remboursé par la prime de la Région bruxelloise.
3.2.1.4 Tableau électrique.
Le tableau électrique est déjà présent dans l'habitation et ne fait donc pas partie de l'installation photovoltaïque. Mais il y est toutefois lié.
Il n’est pas nécessaire de couper pour ce raccordement. Le câblage des panneaux jusqu’au tableau électrique peut se faire par des gaines existantes dans l’habitation ou par l’extérieur.
4. CONTROLE DE L’INSTALLATION.
Avant que l'installation ne puisse être mise en service, elle doit être contrôlée par un organisme de contrôle agréé, qui effectue un examen de conformité pour vérifier que l'installation est conforme aux exigences du Règlement Général sur les Installations Electriques (RGIE).
Documents à soumettre à l'organe de contrôle :
Ø le schéma unifilaire15 de l'installation électrique, c’est à dire l’installation photovoltaïque jusqu’au compteur;
Ø le schéma de position16 des éléments de l'installation électrique, c’est à dire ils vérifient la présence d’un disjoncteur spécifique pour le photovoltaïque dans le tableau général, la présence d'un différentiel 300 mA et un prise de terre de qualité (< 30 ohm);
Ø le code EAN permettant d'identifier le raccordement de l'installation électrique, indiqué sur la facture.
Le coût d'un tel contrôle est estimé, pour une habitation moyenne, à environ 100 €.
5. Analyse matérielle.
5.1 La cellule photovoltaïque.
5.1.1 Modélisation.
On peut modéliser une cellule photovoltaïque éclairée comme ci-dessous.
5.1.1.1 Cellule éclairée.
Le courant disponible I sera I = Ig – Id avec Ig = K. Ø (K étant une constante dûe à la fabrication de la cellule et Ø l’ensoleillement en W/m2).
En court-circuit, V = 0 donc Id = 0 d’où Icc = Ig = K. Ø.
Le courant de court-circuit est donc proportionnel à l’ensoleillement.
En circuit ouvert, I = 0 et Id = Ig.
5.1.1.2 Cellule dans l’obscurité.
Si la cellule n’est pas éclairée, Ig = 0 et la cellule se comporte comme une diode, donc comme un récepteur.
5.1.2 Caractéristique Tension – Courant.
La caractéristique tension – courant se déduit de la modélisation proposée ci-dessus :
La caractéristique tension – courant dépend de l’ensoleillement Ø.
5.1.3 Puissance.
La puissance optimale (max) est pratiquement proportionnelle à l’ensoleillement Ø.
5.2 Les modules photovoltaïques.
Les modules photovoltaïques sont généralement constitués de cellules connectées en série pour obtenir des tensions compatibles avec les charges à alimenter. On compte généralement entre 32 et 36 cellules en série pour une tension nominale de 12 V.
5.2.1 Association de modules.
5.2.1.1 Mise en série.
En mettant N modules identiques en série, le courant dans la branche reste le même et la tension aux bornes de la branche est N fois plus grande que celle d’un module.
Afin de limiter la tension inverse aux bornes d’un module, il est nécessaire de placer une diode de by-pass aux bornes de chaque module.
5.2.1.2 Mise en parallèle.
En mettant N modules identiques en parallèle, la tension de la branche reste la même et le courant total est N fois le courant d’un module.
Afin d’éviter qu’un module devienne récepteur, il faut mettre une diode en série dans chaque branche.
5.2.2 Caractéristiques électriques.
La puissance des modules s’exprime en watts-crête : c’est la puissance électrique maximale délivrée dans les conditions suivantes :
Ø Éclairement de 1 kW / m2 (exposition perpendiculaire aux rayons du solaire à midi par temps clair)
Ø Répartition spectrale du rayonnement dit AM 1,5 correspondant au rayonnement solaire parvenant au sol après avoir traversé l’atmosphère à 45°
Ø Température des photopiles à 25° C
Le constructeur fournit également les coordonnées Uopt, Iopt, points correspondant à la puissance maximale. Le constructeur donne aussi le courant de court-circuit pour un ensoleillement de 1000 W / m2.
6. Schéma de principe.
7. Schéma de câblage.
8. Schéma de montage des modules photovoltaïques et des batteries.
0 comments:
Enregistrer un commentaire