Pertes photovoltaiques

1. Phénomènes de hot spot sur les cellules ombragées

Dans un panneau photovoltaïque, les cellules sont reliées en série. Dans les anciens systèmes, si l’une d’elles était ombragée, le courant ne pouvait plus circuler. La cellule accumulait alors le courant produit en amont et se comportait comme un récepteur. Elle dissipait une puissance sous forme de chaleur pouvant dépasser les 100°C, ce qui pouvait la faire griller. Il s’agit du phénomène de « hot spot ».

Pour éviter ces phénomènes de hot spot, les constructeurs ont équipé leurs panneaux de diodes by pass. Ces diodes sont placées aux bornes d’un groupe de cellules en série (1 à 2 diodes/panneau selon les constructeurs). Elles permettent de limiter la tension aux bornes de la série de cellules ombragées. En, devenant passante, c’est-à-dire que la diode « bloque » l’utilisation de la série de cellules et transfère le passage du courant sur la série suivante, la diode impose sa tension et limite la perte de puissance.

2. Conséquences de l’ombrage sur les panneaux cristallins

Une ombre forte sur une cellule peut réduire de 50% la production des panneaux photovoltaïques possédant une diode et de 33% ceux à 2 diodes. Cet effet peut s’illustrer sur la courbe courant-tension du panneau photovoltaïque (voir chapitre à ce sujet). La présence de deux points d’inflexion sur la courbe rend la recherche du point mpp problématique pour l’onduleur. Quel que soit le point qu’il identifiera, il ne correspondra pas ou point mpp réel du panneau non ombragé, ce qui diminuera inévitablement la production globale du système.

Les diodes by-pass jouant un rôle clé face à l’effet de l’ombrage. Comme l’illustre le dessin ci-dessous, il faut toujours chercher à orienter les panneaux afin qu’un seul panneau à la fois ne soit soumis à l’ombrage. En corollaire, au sein d’un même panneau, il faut veiller à ce que l’orientation n’affecte qu’une série de cellules « by-passées » à la fois.

De façon générale, plus la cellule est ombragée (en % de sa surface), plus la perte de puissance générée est importante. Les panneaux à cellules de grande taille sont donc intrinsèquement moins sensibles aux ombrages (mais restent néanmoins handicapés de façon conséquente).
En outre, l’effet relatif de l’ombrage est d’autant plus important que l’ensoleillement est fort. L’impact des ombres est dès lors plus marqué par temps ensoleillé.

3. Conséquences de l’ombrage sur un système PV

Dans le cas de panneaux disposés en série, une ombre sur quelques panneaux d’un string affecte fortement les valeurs Impp et Vmpp du système. La forme de la courbe courant-tension rend difficile la recherche du point mpp pour l’onduleur, dans certains cas il peut même décrocher car la tension de fonctionnement est trop faible par rapport à ses plages de fonctionnement.

Pour des panneaux disposés en parallèle, si l’ombrage occulte totalement quelques strings du champ PV, l’impact peut varier avec le nombre de panneaux concernés. La forme de la courbe courant-tension rend également difficile la recherche du mpp par l’onduleur.
Si l’ombrage occulte partiellement tous les strings du champ PV, l’impact sur la courbe courant-tension est plus important.

De façon générale, il est préférable d’avoir un string totalement ombragé que plusieurs strings partiellement ombragés.

Afin de résumer les concepts évoqués ci-dessus, voici les résultats d’une expérience menée en laboratoire permettant d’envisager tous les cas d’ombrage possibles. Attention, les valeurs sont renseignées à titre indicatif sur des mesures de puissance mpp instantanées. Elles sont uniquement valables dans des conditions spécifiques d’ensoleillement, de type d’ombrage, de type de panneaux, etc…

NB : Ces valeurs sont fournies à titre indicatif sur des mesures de puissance MPP instantanée – valable dans des conditions spécifiques d’ensoleillement, de type d’ombrage, de type de panneaux, etc… – Source : Transenergie

4. Conclusion

L’ombrage impacte de manière fondamentale la production globale d’un système photovoltaïque. Son influence est difficile à modéliser car il dépend de nombreux paramètres tels que :
– La puissance instantanée du rayonnement solaire
– Le taux de masquage des cellules ombragées (% de la surface)
– La zone ombragée du panneau (influence des diodes by-pass)
– Le taux d’ombrage relatif (différence d’ensoleillement entre zone ombragée et exposée)
– De la configuration du champ PV (arrangement série/parallèle)
– Du comportement des onduleurs
– Etc…