Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Objectifs : 1 - ANALYSER la structure générale d’une installation domestique de production électrique photovoltaïque raccordée au réseau. 2 - S’INFORMER des technologies des panneaux photovoltaïques et DÉCODER les informations techniques fournies par les constructeurs. 3 - S’INFORMER du principe de raccordement d’un onduleur et ÉVALUER les performances de l’association panneaux photovoltaïques / onduleur. 4 - ANALYSER le schéma électrique d’une installation domestique raccordée au réseau. 5 - S’INFORMER des démarches administratives inhérentes à la réalisation d’une installation domestique de production électrique photovoltaïque. 6 - ÉVALUER par anticipation les performances énergétiques annuelles d’une installation et en DÉDUIRE le délai d’amortissement et les bénéfices dégagés. 7- PARTAGER votre étude en réalisant un diaporama qui sera présenté au reste de la classe D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Structure générale d’une installation domestique de production électrique photovoltaïque raccordée au réseau D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Structure générale d’une installation domestique de production électrique photovoltaïque raccordée au réseau D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Fonction des principaux constituants d’une installation domestique de production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Les panneaux photovoltaïques : Ils transforment les radiations solaires en énergie électrique disponible sous la forme d’une tension continue Un onduleur convertit la tension continue produite par les panneaux photovoltaïques en une tension alternative sinusoïdale de fréquence 50 Hz compatible la tension du réseau public de distribution basse tension EDF En sortie de l’onduleur, le raccordement au réseau électrique requiert une interface qui contient deux ou trois compteurs électriques ; l’un des compteurs permet de chiffrer l’énergie électrique revendue par le particulier à EDF. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Les panneaux photovoltaïques Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Les panneaux photovoltaïques (ou modules photovoltaïques) D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Constitution et principe de fonctionnement : Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Constitution et principe de fonctionnement : Un panneau photovoltaïque est composé de cellules. Chaque cellule s’apparente à un générateur de courant dont l’intensité est proportionnelle au niveau d’éclairement reçu. De plus, chaque cellule produit une tension continue qui avoisine 0,5 V. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

On distingue principalement trois types de panneaux photovoltaïques : Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau On distingue principalement trois types de panneaux photovoltaïques : Les modules monocristallins Les modules polycristallins Les modules à couches minces au silicium amorphe D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau En fonction de leur technologies, les panneaux photovoltaïques se caractérisent par un rendement médiocre compris entre 5 % et 17 %. Ainsi, pour un éclairement de 1 000 W / m², un panneau photovoltaïque monocristallin de 1 m² restitue une énergie électrique d’une puissance maximale de 170 W désignée « Puissance de crête ». D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Puissance = tension x courant Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Décodage des informations du constructeur : La projection du point MPP (Maximal Power Point) de la courbe Puissance / Tension sur la courbe Courant / Tension permet de définir une tension (ex. : 23,2 V) et un courant (ex. : 7,33 A) dont la multiplication vaut la puissance maximale qui caractérise le panneau photovoltaïque : Puissance = tension x courant P = U x I P = 23,2 x 7,33 = 170 W D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Raccordement de 18 panneaux photovoltaïques SHARP ED170E1F : Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Raccordement de 18 panneaux photovoltaïques SHARP ED170E1F : Connectés en série, les 18 panneaux produisent une puissance de 3 061 W D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Pour 4 panneaux situés à l’ombre et soumis à un éclairement de 400 W / m², la puissance globale diminue et vaut à la rangée de 18 panneaux de produire une puissance électrique de 1 386 W contre 3061 W quand tous les panneaux sont soumis à un ensoleillement identique de 1 000 W / m². D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Raccordées en parallèle, les 2 rangées composées de 9 panneaux branchés en série produisent la même puissance électrique que les 18 panneaux photovoltaïques raccordés en série : 3 061 W D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Par le raccordement de rangées en parallèle, l’ensoleillement moindre de 4 panneaux induit une perte de puissance plus faible que lorsque les 18 panneaux sont raccordés en série. Dans la disposition ci-contre, la puissance produite est de 2 185 W contre 1 386 W dans le cas d’une seule rangée de 18 panneaux connectés en série. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Dès qu’une cellule d’un panneau est Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Dès qu’une cellule d’un panneau est occultée (par une feuille par exemple), la diode de dérivation placée en parallèle avec la série de cellules dont l’une est masquée devient passante et contribue à entretenir le courant fourni par les autres cellules du panneau. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Implantation des panneaux photovoltaïques : Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Implantation des panneaux photovoltaïques : Pour bénéficier du tarif de vente avantageux de 60,176 c€ le kWh (tarif 2009), les panneaux photovoltaïques doivent être « intégrés au bâti ». D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Implantation des panneaux photovoltaïques : Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Implantation des panneaux photovoltaïques : L’intégration au bâti des panneaux photovoltaïques amène les constructeurs à proposer des systèmes de montage appropriés. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

(convertisseur continu / alternatif) Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau L’onduleur (convertisseur continu / alternatif) D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau L’onduleur est un convertisseur électronique qui transforme la tension continue fournie par les panneaux photovoltaïques en une tension alternative sinusoïdale de fréquence 50 Hz compatible avec le réseau public de distribution basse tension EDF. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Onduleur SMA Sunny Boy avec transformateur : Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Onduleur SMA Sunny Boy avec transformateur : Un pont à transistors alimente un transformateur interne sous une tension alternative de fréquence 50 Hz. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Onduleur SMA Sunny Boy sans transformateur : Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Onduleur SMA Sunny Boy sans transformateur : Sans transformateur, la structure interne de l’onduleur s’appuie sur un hacheur élévateur de tension et sur un pont à transistors. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

1 – Puissance supérieure à 10 kW : onduleurs centraux Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau En fonction de la puissance globale de la centrale photovoltaïque, la mise en œuvre d’onduleurs relève de trois structures types : 1 – Puissance supérieure à 10 kW : onduleurs centraux 2 – Puissance inférieure à 3 kW : onduleurs strings, puissance comprise entre 3 et 10 kW : onduleurs multi-string 3 – Puissance comprise entre 50 et 400 W : onduleurs modulaires D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Au-delà d’une puissance produite de 10 kW, un seul onduleur central de type triphasé est mis en œuvre. Cette option permet notamment de réduire les intensités véhiculées et de diminuer en conséquence la section des conducteurs et des câbles. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Rendement d’un onduleur : Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Rendement d’un onduleur : Contrairement à une idée reçue, le rendement d’un onduleur n’est pas maximal pour 100% de sa puissance nominale. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

La puissance utile d’un onduleur (Pu) prend en compte : Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Choix d’un onduleur : La puissance utile d’un onduleur (Pu) prend en compte : - La puissance maximale des panneaux photovoltaïques (PVmax) - un facteur de correction (Fc) - le rendement de l’onduleur (η) Ainsi, la puissance utile d’un onduleur s’exprime par la formule suivante : Pu = PVmax x Fc x η Exemple : choix d’un onduleur (η = 0,95) pour 18 panneaux photovoltaïques de 170 W inclinés à 60° vers le sud-ouest ? Pu = 18 x 170 x 0,88 x 0,95 = 2 557 W Onduleur retenu : SMA Sunny Boy 2 500 W D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Etude structurelle d’une installation Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Etude structurelle d’une installation raccordée au réseau D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Option 1 : Injection des excédents de la production : Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Option 1 : Injection des excédents de la production : D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Option 2 : Injection de la totalité de la production : Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Option 2 : Injection de la totalité de la production : D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Protection contre la foudre : Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Protection contre la foudre : Quand le niveau kéraunique Nk dépasse la valeur 25, l’exposition d’une installation photovoltaïque aux risques liés à l’orage s’avère très élevée et l’implantation de parafoudres devient obligatoire. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Protection contre la foudre : Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Protection contre la foudre : En fonction du niveau kéraunique, du bâtiment et de son mode d’alimentation, l’implantation de parafoudres revêt un caractère obligatoire ou pas. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau En fonction du niveau de risque, de la nature des bâtiments et de la longueur de la liaison qui sépare les panneaux photovoltaïques du boîtier de raccordement et de protection, l’implantation de parafoudres se justifie en différents points de l’installation. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Implantation des parafoudres : Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Implantation des parafoudres : Quand le niveau kéraunique est très élevé, il s’avère nécessaire d’implanter des parafoudres en quatre points de l’installation. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Centrale de production électrique photovoltaïque domestique : Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Centrale de production électrique photovoltaïque domestique : Exemple de schéma unifilaire : ce schéma fait partie des documents techniques qui composent le dossier remis par l’installateur au client à l’issue de la réalisation et de la mise en service de la centrale domestique de production. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Démarches techniques, administratives et financières Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Démarches techniques, administratives et financières D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Chronologie d’un projet : Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Chronologie d’un projet : Avant de s’engager dans un tel projet, il vaut mieux en connaître les tenants et les aboutissants avec pour mot d’ordre de ne pas se décourager ! D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

D’un prêt à taux zéro plafonné à 30 000 euros. Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Aspects financiers : Pour financer un projet de centrale de production électrique photovoltaïque domestique, on peut bénéficier : D’un prêt à taux zéro plafonné à 30 000 euros. - D’une TVA réduite à 5,5 % sur le coût de la prestation du professionnel qui réalise l’installation (matériels, réalisation et mise en service) à condition que la puissance de la centrale soit inférieure à 3 kW. - D’un crédit d’impôt de 50 % du montant TTC des équipements et des matériels ; montant plafonné à 8 000 euros pour une personne seule et à 16 000 euros pour un couple. Plafond auquel s’ajoutent 400 euros pour un enfant ou une personne à charge, 900 euros pour deux, 1500 euros pour trois, 2100 euros pour quatre,… - D’une exonération de l’impôt sur le revenu sur le produit des ventes de l’électricité à condition que ce produit ne soit pas affecté à une activité professionnelle et que la puissance de la centrale n’excède pas 3 kW. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Etude de cas Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Demande effective du client : Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Cahier des charges : Il s’agit d’un couple avec deux enfants qui réside en Bretagne (56 – Morbihan) dans une maison construite depuis dix ans. La maison se caractérise par un toit en ardoises de 80 m² (2 × 10 m × 4 m) orienté vers le sud avec une inclinaison de 45°. De plus, le couple est prêt à engager une somme de 15000 €. Demande effective du client : Le client sollicite la fourniture de deux devis (devis n°1 : solution non intégrée au bâti, devis n°2 : solution avec intégration au bâti), l’évaluation de la performance énergétique de l’installation, le délai d’amortissement et les bénéfices dégagés sur vingt ans pour chaque installation. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Devis proposés par l’installateur : Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Devis proposés par l’installateur : L’option d’une installation non intégrée au bâti est moins onéreuse qu’une installation intégrée au bâti mais le prix de vente de l’énergie produite est également moins élevée (0,33 € / kWh au lieu de 0,60 € / kWh – tarifs 2009) D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Evaluation de la performance énergétique de l’installation (méthode) : Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Evaluation de la performance énergétique de l’installation (méthode) : Par application de la méthode Th-Ce de la règlementation thermique RT 2005, il faut : 1 – Prendre en compte l’énergie incidente annuelle sur un plan horizontal : H (en kW/m²/an) 2 – Corriger l’énergie incidente H par un coefficient FT qui dépend de la localisation géographique, de l’orientation et de l’inclinaison des panneaux photovoltaïques afin de déterminer l’énergie incidente annuelle dans le plan des modules : Hi Hi = H x FT 3 - Estimer la quantité d'énergie annuelle produite par le système photovoltaïque (Epv) en utilisant la formule suivante : Epv = Hi × P0 × Rp Avec P0 : Puissance maximale photovoltaïque installée (en kW) et Rp : Indice de performance qui prend en compte la ventilation des modules. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Résolution de l’étude de cas (application de la méthode) : Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Résolution de l’étude de cas (application de la méthode) : Le département du Morbihan (56) est situé dans la zone PV4. L’énergie solaire annuelle sur plan horizontal vaut 1 150 kWh/m² D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Résolution de l’étude de cas (application de la méthode) : Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Résolution de l’étude de cas (application de la méthode) : Pour des panneaux photovoltaïques placés à 45° sur un toit et orientés vers le sud, le facteur de transposition FT est de 1,09. L’énergie incidente annuelle ramenée dans le plan des modules photovoltaïques vaut : Hi = H x FT = 1150 x 1,09 = 1 253,5 kWh/m² D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Résolution de l’étude de cas (application de la méthode) : Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Résolution de l’étude de cas (application de la méthode) : Composée de 14 panneaux photovoltaïques de 210 W, l’installation totalise une puissance maximale : P0 = 14 x 210 = 2 940 W = 2,94 kW Pour l’option non intégrée au bâti, le coefficient Rp vaut 0,75 et pour l’option une solution d’intégration des panneaux au bâti, la valeur du coefficient Rp est de 0,70. Il en résulte deux énergies annuelles produites par les modules photovoltaïques : Option « non intégrée au bâti » : Epv = Hi x P0 x Rp = 1 253,5 x 2,94 x 0,75 Epv = 2 764 kWh/an Option « intégrée au bâti » : Epv = Hi x P0 x Rp = 1253,5 x 2,94 x 0,70 Epv = 2 579 kWh/an D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Bilan économique (estimation) : Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Bilan économique (estimation) : D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Fin de la présentation D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Les illustrations de ce diaporama proviennent de documents techniques édités par les partenaires et les constructeurs suivants : Biohaus, CSTB, EDF, Hager, Hespul, Photowatt, Schneider, Sharp, Ubbink Solar et Uni-solar. D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009

Ce diaporama s’appuie sur le chapitre 1 de l’ouvrage : Production électrique photovoltaïque raccordée au réseau Ce diaporama s’appuie sur le chapitre 1 de l’ouvrage : « Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables ». Elektor Publitronic - Collection Technique Pratique – 14 x 21 cm – 304 pages – 32,50 € Pour commander : www.elektor.fr/e-choppe Autres diaporamas relatifs au même ouvrage : Production électrique photovoltaïque pour site isolé Production électrique éolienne domestique (petit éolien) Production électrique éolienne de grande puissance (grand éolien) Chauffe-eau solaire individuel Chauffage des locaux par géothermie et par aérothermie Chauffage des locaux par bois-énergie. Diaporamas téléchargeables en ligne sur www.elektor.fr/NRJ D’après l’ouvrage : Comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergies renouvelables – Gérard GUIHENEUF – © Elektor Publitronic 2009