Rendement des modules photovoltaïques
Les modules sont constitués de cellules photovoltaïques. Ce sont les cellules photovoltaïques qui convertissent l’énergie radiative solaire en énergie électrique. Cette conversion est effectuée avec un rendement qui est compris entre 5 % et 25 % suivant la technologie.
Un module étant constitué de plusieurs cellules connectées en série (ou plus rarement en parallèle), le rendement des modules se trouve quelque peu dégradé de 2 à 3 points par rapport au rendement des cellules.
Le rendement η d’une cellule ou d’un module est la part d’énergie radiative reçue qu’elle ou qu’il est capable de transformer en énergie électrique, soit : η=(Puissance électrique fournie)/(Puissance radiadative reçue)
Pour une cellule seule, le rendement s’écrit ηCellule=(Puissance électrique fournie)/(SCellule × Puissance radidative reçue en W/m²), où SCellule est la surface de la cellule exposée aux rayons du soleil :
Surface d'une cellule exposée au rayonnement
Pour un module constitué de plusieurs cellules, le rendement s’écrit : ηModule=(Puissance électrique fournie)/(Sodule)× Puissance radidative reçue en W/m²), Où SModule est la surface du module exposée aux rayons du soleil :
Surface d'un module exposée au rayonnement
On se rend donc bien compte que la surface du module exposée aux rayons du soleil n’est pas égale à la somme des surfaces des cellules le composant : SModule > ∑SCellule. Du fait de l’espace vide entre les cellules du module, la surface du module est plus importante que la surface de toutes les cellules. Cette surface vide ne peut pas convertir la puissance radiative en puissance électrique : il y a donc une perte de rendement.
Le rendement indiqué sur les fiches techniques des modules est le rendement dans les Conditions Standard de Test (niveau d’éclairement Pi=1000 W/m², Température de cellule 25°C, AM=1.5).
Dans ces conditions STC, la puissance électrique fournie par le module est tout simplement la puissance crête (indiquée sur la fiche technique). Quant à la puissance radiative, elle est égale à 1000 W/m² multipliée par la surface du module (indiquée aussi sur la fiche technique). Ainsi :
Prenons par exemple un module photovoltaïque de puissance crête 240 WC dont la fiche technique nous donne les informations suivantes :
Extrait d’une fiche technique de module
D’après la fiche technique, le rendement du module est ηModule, STC = 14.8 %. Il s’agit du rendement du module dans les conditions STC (niveau d’éclairement Pi=1000 W/m², Température de cellule 25°C, AM=1.5).
En pratique, les modules photovoltaïques ne se trouvent pas dans les conditions STC, notamment au niveau de la température des cellules.
En effet, en condition normale d’utilisation, la température des cellules n’est pas de 25°C, mais plutôt de l’ordre de 55 °C. Cela dépend du niveau de ventilation :
Le chapitre Cellules & Modules photovoltaïques nous a permis de montrer que la puissance d’une cellule (et par extension, d’un module) diminuait lorsque sa température augmentait. Cette diminution de la puissance en fonction de la température se quantifie grâce au coefficient de température de la puissance KT(P). D’après la fiche technique, KT(P)=-0.41 %/°C. Cela signifie que la puissance diminue de 0.984 W (0.41% × 240 = 0.984 W) lorsque la température des cellules augmente de 1°C.
Par conséquent, lorsque la température des cellules est 50°C (c’est-à -dire une augmentation de 25 °C par rapport aux conditions STC), la puissance du module a chuté de 0.984 × 25 =24.6 W. En d’autres termes, la puissance maximale du module dans les conditions de fonctionnement est P50°C=215.4 W (au lieu de 240 W dans les conditions STC).
Calculons à présent le rendement du module dans ces conditions :
Un calcul similaire permet de trouver le rendement des modules à 55°C et 60°C :
On constate donc que la température des cellules joue un rôle important dans la performance de l’installation photovoltaïque. Une bonne ventilation de la toiture photovoltaïque est donc essentielle afin de garantir une bonne qualité l’installation.
Le mode d’intégration au bâti est la façon avec laquelle les modules sont fixés sur la toiture. On choisira toujours un mode d’intégration permettant une bonne ventilation des modules et une optimisation de la surface de la toiture.
On distingue 3 grands modes d’intégration :
| TECHNOLOGIE DES CELLULES PV | RENDEMENT |
|---|---|
| SILICIUM MONOCRISTALLIN AVEC CONNEXION EN FACE ARRIERE | 20% |
| SILICIUM MONOCRISTALLIN | Entre 14 % et 19 % |
| SILICIUM POLY CRISTALLIN | Entre 10 % et 15 % |
| SILICIUM AMORPHE | Entre 5 % et 10 % |
| Rendement théorique des cellules photovoltaïques | |
Rendement d’une cellule ≠ Rendement du module
Le rendement η d’une cellule ou d’un module est la part d’énergie radiative reçue qu’elle ou qu’il est capable de transformer en énergie électrique, soit : η=(Puissance électrique fournie)/(Puissance radiadative reçue)
Pour une cellule seule, le rendement s’écrit ηCellule=(Puissance électrique fournie)/(SCellule × Puissance radidative reçue en W/m²), où SCellule est la surface de la cellule exposée aux rayons du soleil :
Surface d'une cellule exposée au rayonnement
Pour un module constitué de plusieurs cellules, le rendement s’écrit : ηModule=(Puissance électrique fournie)/(Sodule)× Puissance radidative reçue en W/m²), Où SModule est la surface du module exposée aux rayons du soleil :
Surface d'un module exposée au rayonnement
On se rend donc bien compte que la surface du module exposée aux rayons du soleil n’est pas égale à la somme des surfaces des cellules le composant : SModule > ∑SCellule. Du fait de l’espace vide entre les cellules du module, la surface du module est plus importante que la surface de toutes les cellules. Cette surface vide ne peut pas convertir la puissance radiative en puissance électrique : il y a donc une perte de rendement.
Rendement théorique des modules
Le rendement indiqué sur les fiches techniques des modules est le rendement dans les Conditions Standard de Test (niveau d’éclairement Pi=1000 W/m², Température de cellule 25°C, AM=1.5).
Dans ces conditions STC, la puissance électrique fournie par le module est tout simplement la puissance crête (indiquée sur la fiche technique). Quant à la puissance radiative, elle est égale à 1000 W/m² multipliée par la surface du module (indiquée aussi sur la fiche technique). Ainsi :
Prenons par exemple un module photovoltaïque de puissance crête 240 WC dont la fiche technique nous donne les informations suivantes :
Extrait d’une fiche technique de module
D’après la fiche technique, le rendement du module est ηModule, STC = 14.8 %. Il s’agit du rendement du module dans les conditions STC (niveau d’éclairement Pi=1000 W/m², Température de cellule 25°C, AM=1.5).
Rendement réel des modules
En pratique, les modules photovoltaïques ne se trouvent pas dans les conditions STC, notamment au niveau de la température des cellules.
En effet, en condition normale d’utilisation, la température des cellules n’est pas de 25°C, mais plutôt de l’ordre de 55 °C. Cela dépend du niveau de ventilation :
| Modules peu ventilés | Modules ventilés | Modules bien ventilés | |
|---|---|---|---|
| Température des cellules | ≈60°C | ≈55°C | ≈50°C |
| Ventilation et température des cellules photovoltaïques | |||
Par conséquent, lorsque la température des cellules est 50°C (c’est-à -dire une augmentation de 25 °C par rapport aux conditions STC), la puissance du module a chuté de 0.984 × 25 =24.6 W. En d’autres termes, la puissance maximale du module dans les conditions de fonctionnement est P50°C=215.4 W (au lieu de 240 W dans les conditions STC).
Calculons à présent le rendement du module dans ces conditions :
Un calcul similaire permet de trouver le rendement des modules à 55°C et 60°C :
| Modules peu ventilés | Modules ventilés | Modules bien ventilés | |
|---|---|---|---|
| Température des cellules | ≈60°C | ≈55°C | ≈50°C |
| Rendement théorique des modules (conditions STC) | 14.8 % | ||
| Rendement réel des modules | 12.66 % | 12.96 % | 13.27 % |
| Ecart entre le rendement théorique et le rendement réel | 14.45 % | 12.43 % | 11.53 % |
| Variation du rendement des modules en fonction de la température des cellules | |||
On constate donc que la température des cellules joue un rôle important dans la performance de l’installation photovoltaïque. Une bonne ventilation de la toiture photovoltaïque est donc essentielle afin de garantir une bonne qualité l’installation.
Mode d'intégration au bâti
Le mode d’intégration au bâti est la façon avec laquelle les modules sont fixés sur la toiture. On choisira toujours un mode d’intégration permettant une bonne ventilation des modules et une optimisation de la surface de la toiture.
On distingue 3 grands modes d’intégration :
| L’intégration totale L’intégration totale est un mode d’intégration dans lequel le module est considéré comme un élément de toiture. C’est le module qui joue le rôle de couverture. De ce fait, la ventilation en sous-face est difficile voire impossible. |
 |
| La surimposition Le montage en surimposition consiste à fixer les modules photovoltaïques au-dessus de la couverture. Ce type de montage permet une pose simple et rapide des modules photovoltaïques, sans découverture de la toiture. L’air peut circuler entre la couverture et les modules assurant une meilleure ventilation que l’intégration totale. |
 |
| Sur châssis (ou bac lesté) Généralement montés sur toiture plate ou simplement au sol, ce mode d’intégration permet une ventilation naturelle maximale. |
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