Vrai ou faux : 5 idées reçues sur les optimiseurs
Avec un taux de croissance annuel moyen d’environ 17,90%*1, le marché de l’électronique de puissance au niveau du module dit MLPE (Module-Level Power Electronics) ne cesse de progresser et devrait atteindre un volume de 11 411 M Watts en 2025*1. Il n’est donc pas étonnant que les optimiseurs DC suscitent autant d’intérêt.
Ces composants électroniques sont montés directement sur chaque module photovoltaïque d’une installation afin d’en optimiser le rendement. Leur présence peut se révéler utile dans des situations d’ombrage important. Cependant, de nombreuses informations erronées circulent au sujet de cette technologie qui présente également des inconvénients. Cet article est l’occasion de tordre le cou à quelques idées reçues sur les optimiseurs DC.
1 – Toutes les installations photovoltaïques ont besoin d’optimiseurs DC
FAUX
La plupart des installations PV sont conçues de manière à bénéficier du rayonnement lumineux du soleil sans obstruction ni ombrage. Cependant, dans certaines circonstances, l’ombrage est inévitable et affecte alors la production. Avant de se lancer les yeux fermés dans l’installation d’optimiseurs, il convient de distinguer différents niveaux d’ombrage. Par exemple, dans des situations d’ombrage faible à modéré (passage de nuages, ombres portées sur le toit dues à des arbres ou encore des cheminées), un système PV bien dimensionné et équipé d’un onduleur SMA doté de la technologie d’optimisation SMA Shadefix affichera une production supérieure à un système doté d’optimiseurs. Ce type d’ombrage représente la majorité des installations photovoltaïques*2.
Au-delà de la production se pose également la question de la sécurité et de la durée de vie du système. En effet, dans une installation, plus le nombre de composants est important, plus le nombre de connecteurs nécessaires est élevé, ce qui constitue un risque accru de défaillance ou d’incendie. Avec SMA Shadefix, le nombre de composants électroniques utilisés est divisé par 30 !
2 – Un module à l’ombre perturbe les autres modules d’où l’ajout d’un optimiseur DC obligatoirement
FAUX
En cas d’ombrage et si aucune action corrective n’est prise, une perte de production sur les panneaux photovoltaïques situés en plein soleil peut être constatée. Les onduleurs SMA équipés de la technologie d’optimisation SMA Shadefix permettent de pallier cette perte, sans installer d’équipement supplémentaire. Comment ? SMA ShadeFix choisit la tension optimale et force ainsi la diode de dérivation à contourner le panneau ombragé et avoir une pleine puissance sur tous les autres panneaux. En résumé, un onduleur string avec gestion de l’ombrage suffit.
3 – Une installation avec optimiseur produira plus d’énergie même en l’absence d’ombrage
FAUX
Dans une installation, les optimiseurs fonctionnent en permanence provoquant des pertes de chaleur, et cela même lorsque leur utilisation n’est pas nécessaire comme c’est le cas pour une installation non ombragée. Dans cette situation, le résultat est donc l’inverse de celui espéré puisque les optimiseurs consomment plus d’énergie qu’ils ne permettent d’en récupérer. Il est important de rappeler ici que les optimiseurs ne sont pas des amplificateurs.
4 – Les optimiseurs DC permettent d’obtenir de l’énergie supplémentaire
FAUX
Une installation photovoltaïques comporte peu voire pas d’ombrage par définition. Les optimiseurs ne permettent pas de produire plus. Ils peuvent « sauver » l’énergie perdue en cas d’ombrage. Le choix de l’emplacement des modules photovoltaïques par l’installateur est donc primordial. Il est évident que les panneaux photovoltaïques ne doivent pas être mis à l’ombre !
5 – Une installation équipée d’optimiseurs est plus fiable et plus sûre
FAUX
Il est bien connu qu’il existe une étroite corrélation entre la complexité d’une installation et son taux de défaillance. Or, un système équipé d’optimiseurs comporte environ 30 fois plus de plus composants qu’une installation sans optimiseur ! C’est autant de risques supplémentaires de défaillance mais également d’incendie dû à des assemblages défectueux. Cela l’est d’autant plus que les optimiseurs DC sont encastrés dans de petits boîtiers placés sous les panneaux photovoltaïques, où ils sont exposés à l’humidité et aux variations de température.
Vous souhaitez en savoir plus sur la gestion d’ombrage ? Rendez-vous sur https://www.sma.de/fr/shadefix.html et téléchargez notre livre blanc sur le sujet.
1* https://www.fiormarkets.com/report/global-module-level-power-electronics-mlpe-market-growth-368879.html
2* https://www.sdu.dk/en/om_sdu/institutter_centre/centre+for+industrial+elektronics/research+publication
Gestion de l’ombrage
Que dois-je prendre en compte dans les systèmes photovoltaïques partiellement à l’ombre ?
Décembre 2016
Il n’est pas toujours possible d’éviter que des chiens-assis, cheminées ou arbres ne projettent leurs ombres sur les installations photovoltaïques.
Pour ne pas risquer de compromettre la rentabilité d’une installation photovoltaïque, il faut, dès la phase de planification, minimiser les pertes de rendement dues aux conditions d’ombrage. Des facteurs tels que la disposition des modules photovoltaïques, leur raccordement et en particulier le choix de l’onduleur adapté, jouent un rôle essentiel.
En tenant compte de certaines règles importantes lors de la planification, ces facteurs peuvent être adaptés aux différentes installations photovoltaïques de façon à ce que l’énergie qu’elles peuvent fournir puisse être exploitée dans sa quasi-totalité.
1. Effets des ombrages partiels sur les installations photovoltaïques
Chaque générateur photovoltaïque présente un point de travail unique au niveau duquel il peut fournir la puissance électrique maximale possible, appelé le point de puissance maximal (MPP, Maximum Power Point).
Cette puissance dépend principalement de l’intensité de radiation. Si différents modules d’un « String » au sein d’un générateur photovoltaïque se trouvent à l’ombre, ses propriétés électriques s’en voient nettement modifiées : le générateur photovoltaïque présente maintenant différents points de travail « favorables ».
Schéma 1 : Diagramme de puissance et tension du générateur photovoltaïque à deux moments différents de la journée (avec et sans ombrage partiel). Les courbes montrent qu’en cas d’ombrage, 2 MPP « favorables » différents apparaissent, où la puissance au MPP local est significativement inférieure à celle au MPP global.
2. Ombrage : un des rôles particuliers de l’onduleur
Chaque onduleur photovoltaïque dispose de ce qu’on appelle un tracker MPP. Celui-ci assure un service du générateur photovoltaïque toujours à son point de travail optimal. Commandé de cette manière, le générateur photovoltaïque peut exploiter à son rendement maximum la puissance disponible pour un rayonnement solaire donné.
Sur les onduleurs SMA, le contrôle de fonctionnement SMA ShadeFix prend en charge cette fonction et garantit ainsi un rendement énergétique maximum.
Si toutefois, comme décrit ci-dessus, deux points de travail différents apparaissent en raison de l’ombrage de certains modules photovoltaïques au sein d’un générateur photovoltaïque, l’onduleur raccordé doit alors décider auquel de ces points de travail, le MPP local (LMPP) ou le MPP global (GMPP), il doit faire fonctionner le générateur photovoltaïque.
Étant donné que les trackers MPP habituels ne prennent en compte que la zone à proximité du point de travail actuel, ce afin d’éviter des pertes d’énergie inutiles pour la recherche, un autre point de travail pourra potentiellement ne pas être pris en compte. La puissance de l’installation photovoltaïque à un moment donné peut ainsi être bien inférieure à sa puissance théorique en raison de l’ombrage.
Schéma 2 : Evolution de la puissance du MPP local et global d’un sous-générateur d’une installation photovoltaïque soumise à un ombrage le matin. La surface grise représente la perte de rendement générée si le MPP local était paramétré à la place du MPP global.
SMA ShadeFix se comporte de manière très différente : afin de pouvoir toujours trouver le point de travail optimal, même pour des installations photovoltaïques partiellement ombragées, le tracking MPP éprouvé de l’onduleur SMA a été pourvu d’une fonction supplémentaire.
SMA ShadeFix peut, par intermittence, faire fonctionner le générateur photovoltaïque à une grande distance du point de travail connu. Ainsi, l’onduleur trouve à tout moment le point de travail ayant actuellement la plus grande puissance et peut de cette manière exploiter la quasi-totalité de l’énergie que les modules photovoltaïques peuvent fournir, quelles que soient les conditions [1].
Ce procédé implique inévitablement des pertes pendant le processus de recherche. Toutefois, SMA ShadeFix est un procédé de recherche spécialisé pour effectuer des recherches d’un éventuel second point de puissance maximum, dans des moments sans ombrage, sans pertes supérieures à 0,2 %.
Afin de réduire encore plus les pertes liées à la recherche, il peut être utile dans certains cas d’adapter et réduire la fréquence de la recherche (durée du cycle) dans les cas d’installations photovoltaïques soumises à une ombre progressant lentement [2].
SMA ShadeFix est activé en standard sur tous les onduleurs de notre gamme actuelle (depuis le 9 juillet 2014). Certains modèles plus anciens ont été étendus ultérieurement ou peuvent recevoir une mise à jour du firmware à cet effet. Vous trouverez ci-dessous une liste de tous les onduleurs qui ont SMA ShadeFix :
• Sunny Boy 1.5 / 2.0 / 2.5
• Sunny Boy 3.0 / 3.6 / 4.0 / 5.0 / 6.0
• Sunny Boy 3-5000TL-21
• Sunny Boy 3-5000TL-20 (Na firmware update)
• Sunny Boy 2500 / 3000TLST¬21
• Sunny Boy 2000 / 2500 / 3000HF¬30
• Sunny Tripower 5¬-12000TL¬20
• Sunny Tripower 3.0 / 4.0 / 5.0 / 6.0 / 8.0 / 10.0
• Sunny Tripower 8-17000TL¬10
• Sunny Tripower 15/20/25000TL¬30
• Sunny Tripower CORE1
3. Planification des installations photovoltaïques partiellement ombragées
Pour ne pas risquer de compromettre la rentabilité d’une installation photovoltaïque à l’ombre par intermittence, il faut, dès la phase de planification, minimiser les pertes de rendement dues aux conditions d’ombrage.
Afin d’aider à la planification de l’installation, les règles essentielles de planification sont indiquées ci-après.
3.1. Sélection de la surface du toît
La minimisation des pertes énergétiques dans les cas de strings de module ombragés est toujours basée sur le principe d’offrir la possibilité à l’onduleur de contourner électriquement les cellules solaires à l’ombre et d’exploiter ainsi au maximum les modules photovoltaïques du même string connectés en série avec celles-ci et qui ne sont pas à l’ombre.
La puissance réduite dans tous les cas des cellules solaires à l’ombre ne peut pas être exploitée pendant ce temps. C’est pourquoi, lors de la sélection de la surface du toit à utiliser pour une installation photovoltaïque, il faut s’assurer qu’il n’y a pas d’ombre permanente et, notamment pendant les périodes de fort ensoleillement (midi, mois d’été), s’assurer qu’il y a le moins d’ombre possible projetée sur le générateur photovoltaïque.
Afin d’estimer les caractéristiques des différentes ombres, telles que leur taille et leur variation au cours de l’année, des programmes de simulation spéciaux peuvent être utilisés.
3.2. Sélection du raccordement de l’installation
Le raccordement du générateur photovoltaïque influence nettement le rendement énergétique que l’on peut escompter.
L’analyse de l’évolution de l’ombrage est toujours effectuée au début de la conception d’une installation.
Les caractéristiques importantes d’une installation photovoltaïque partiellement ombragée sont :
• La proportion de modules photovoltaïques à l’ombre par rapport au générateur total
• et l’évolution de l’ombrage au cours du temps.
Les recommandations suivantes sont importantes pour la gestion d’installations photovoltaïques partiellement ombragées :
• En cas d’ombrage de quelques modules isolés ou d’une faible proportion des modules photovoltaïques (par exemple < 10 % du nombre total), l’ombre peut être répartie de manière homogène sur les strings. Etant donné que la tension MPP se trouve dans ces cas-là toujours proche de la tension MPP nominale, un contrôle de fonctionnement spécial (SMA ShadeFix) n’est pas nécessaire.
• En cas d’ombrage important, il est judicieux d’exploiter séparément les modules photovoltaïques qui se trouvent à l’ombre et ceux qui ne le sont pas. On applique alors ce qui suit :
o Rassembler les parties du générateur bénéficiant d’un ensoleillement équivalent.
o Ne pas raccorder en parallèle des strings dont l’ensoleillement est différent, mais prévoir un tracker MPP distinct pour chaque string. On peut pour cela utiliser plusieurs petits onduleurs ou avec une technique Multi-String.
o Afin de maximiser le rendement énergétique, il faut utiliser SMA ShadeFix.
Mais même pour les ombres négligeables décrites ci-dessus, la concentration des modules photovoltaïques ombragés sur un tracker MPP propre représente une alternative pour une répartition équitable de l’ombre sur tous les strings. Même avec cette conception de l’installation, SMA ShadeFix est nécessaire pour minimiser les pertes de rendement.
3.3. Sélection de l’onduleur
Le choix de l’onduleur influence également les pertes de rendement dues à l’ombrage.
Trois points sont à observer lors du choix de l’onduleur :
1. Les onduleurs présentant une vaste plage de tension d’entrée peuvent continuer à régler le point de travail optimal même en cas d’ombrage et malgré la perte de tension MPP qui en résulte.
2. Il est possible, grâce à un onduleur avec régulation string par string, d’exploiter un générateur photovoltaïque partiellement ombragé à un niveau presque optimal et d’éviter ainsi une part importante des pertes éventuelles.
3. Afin de minimiser autant que possible les pertes de rendement dues à l’ombrage, il est nécessaire, pour les strings partiellement ombragés, d’utiliser un onduleur dont le tracking MPP détecte la présence de plusieurs points de travail (par exemple SMA ShadeFix).
4. SMA ShadeFix
SMA ShadeFix est une fonction supplémentaire du MPP tracker éprouvé « SMA ShadeFix » et est activée par défaut (de la date de production du 9 Juillet 2014).
C’est utilisé dans le cas d’installations photovoltaïques partiellement ombrées. Même dans cette configuration, ce mode d’exploitation spécial garantit le fonctionnement continu des panneaux au point de puissance maximale, sans influence notable sur le rendement (pertes < 0,2 %). Autrement dit : même en cas d’ombrage les panneaux fonctionnent correctement.
