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La seconde étape est d'évaluer le potentiel de production photovoltaïque du bâtiment. Celle-ci dépend du type d'emplacement disponible, de la technologie choisie, de l'orientation et l'inclinaison des panneaux, de l'ombrage, de la température atteinte par les cellules photovoltaïques, de la capacité portante de la toiture, etc.
Types d'emplacement disponible
Sur le bâtiment
Les emplacements traditionnellement utilisés pour l'installation de panneaux photovoltaïques sont :
- les toitures plates ;
- les toitures inclinées.
Néanmoins, grâce à la technologie BIPV, toutes les surfaces d'un bâtiment deviennent potentiellement des supports à l'installation photovoltaïque.
Au niveau des abords
Dans le cas où le bâtiment possède des abords il pourra aussi être intéressant d'envisager l'installation d'un suiveur solaire (tracker). Cette technologie oriente les panneaux solaires en fonction de la position du soleil, ce qui augmente la production photovoltaïque de 10 à 30% (fonction du système choisi). Il existe de nombreux types de suiveurs solaires, de différents coûts, sophistication et performance.
Pérennité de l'emplacement
Il importe de vérifier si l'emplacement sur lequel on compte installer les panneaux photovoltaïques ne risque pas d'être soumis à des travaux ultérieurs (remplacement, étanchéité ou isolation du toit par exemple).
Choix de la technologie
Selon le type d'emplacement et l'objectif de production à atteindre, le choix de la technologie pourra être différent. Les types de cellules largement diffusées et leur rendement indicatifs sont :
| Technologie photovoltaïque | Rendement | Puissance spécifique |
|---|---|---|
| cellules au silicium monocristallins | 16 à 22 % | 160-220 Wc/m² |
| cellules au silicium polycristallins | 12 à 18% | 130 - 180 Wc/m² |
| cellules en couches minces (silicium amorphe) | 4 à 14% | 40 - 140 Wc/m² |
Il existe aussi d'autres technologies photovoltaïques : cellules organiques, pérovskite, polymères, etc. mais celles-ci ne sont pas encore mûres.
Efficiences des meilleures cellules solaires disponibles en phase de recherche
Orientation et Inclinaison
Idéalement, à nos latitudes, l'installation doit être orientée plein sud, avec un angle d'inclinaison de 35°. Sur la base du diagramme ci-dessous, qui montre les facteurs de correction (FC) à appliquer au rendement des panneaux, en l'absence d'ombrage, on peut déterminer pour chaque couple orientation-inclinaison la perte de rendement par rapport à la situation idéale.
On remarque autour du point correspondant à cette situation idéale une zone relativement importante dans laquelle l'irradiation n'est pas trop affectée par l'orientation et l'inclinaison : d'ouest / sud-ouest à est / sud-est avec des angles d'inclinaison compris entre 10° et 55°, la perte d'énergie reste inférieure à 10% en base annuelle. Cela s'explique par la grande importance de l'irradiation diffuse sous nos latitudes : en Belgique, environ 60% de l'énergie solaire est reçue sous forme de rayonnement diffus. Il convient aussi de remarquer que le rendement chute directement de 30% pour les panneaux orientés au sud, placés verticalement.
Irradiation annuelle relative à Bruxelles en fonction de l'inclinaison et de l'orientation (facteurs de correction en %)
Ombrage
Impact de l'ombrage
L'ombrage sur une seule cellule photovoltaïque, peut perturber le fonctionnement de l'ensemble du module photovoltaïque.
Le schéma ci-dessous représente pour un panneau constitué de 3 rangées parallèles, dont chacune des rangées est composée de 9 cellules en série, l'impact que l'ombrage partiel (cellules grisées) peut avoir sur la production totale de ce même panneau
Néanmoins, selon les technologies, l'impact d'une même ombre sera plus ou moins pénalisant. Les cellules photovoltaïques cristallines affichent en effet une diminution de rendement nettement supérieure à celle des cellules photovoltaïques amorphes, qui fonctionnent plutôt en lumière diffuse et donc sont moins dépendantes de l'angle d'incidence de la lumière solaire. Là où les cellules cristallines perdent 90% de leur efficacité, les cellules amorphes n'en perdent que 30%.
Ombrage en milieu urbain
Le contexte urbain présente des obstacles potentiels qui peuvent être à l'origine d'ombres portées :
- bâtiment voisin ;
- végétation ;
- techniques du bâtiment (cheminées, sorties de ventilation, etc.) ;
- autres (Poteaux, garde-corps, etc.).
On doit aussi veiller au fait que certains obstacles peuvent créer une ombre à certains moments de l'année et aucune ombre à d'autres. De même la végétation peut pousser et créer un ombrage au bout de quelques années. Pour cela de nombreuses zones ne conviennent pas aux installations photovoltaïques ou doivent faire l'objet d'une conception prenant en compte le risque d'ombrage.
Ombre sur panneaux
Lors du placement sur une toiture plate, il faut aussi veiller à l'ombre portée des panneaux des rangées précédentes sur les rangées suivantes.
Impact de l'ombrage sur la conception
Pour éviter des pertes trop importantes sur les panneaux cristallins, ces derniers sont subdivisés en interne en un certain nombre de séries de cellules (souvent trois séries). Ces séries sont équipées d'une diode by-pass qui permet à chaque série de fonctionner séparément. Ainsi, une série touchée par une ombre portée (en tout ou en partie) n'empêche pas la production électrique des autres séries non impactées par l'ombrage. De plus, les fabricants utilisent différents artifices, tant dans la fabrication des capteurs que dans la manière de les relier entre eux et à l'onduleur pour permettre de réduire les pertes dues à l'ombrage, et minimiser l'effet des cellules en série. Ces améliorations permettent en outre de réduire les surchauffes et donc les risques d'incendie.
Les concepteurs de l'installation photovoltaïque veilleront à ce que les panneaux potentiellement impactés par une même ombre soient raccordés sur la même série. Les panneaux éventuellement ombragés exercent alors une influence négative réduite sur les panneaux non ombragés.
Il existe aussi des technologies permettant de mieux gérer l'ombrage : onduleur multistring, micro-onduleur, optimiseur de puissance, etc.
Température atteinte par les cellules
Plus la température des cellules photovoltaïques est élevée, plus le rendement des cellules diminue.
Il est donc nécessaire de prévoir une bonne aération sous les panneaux. Si l'installation est exposée au vent, le refroidissement sera meilleur. De même dans le cas où l'installation est placée au-dessus d'une toiture verte, cette dernière diminuera le réchauffement des cellules.
Selon les technologies, l'impact de la température est plus ou moins pénalisant : les cellules photovoltaïques en couche mince sont en effet moins sensibles à la température que les cellules au silicium cristallin.
En général les pertes dues à la température des modules varient de 0,3 et 0,5 % de perte par degré au-delà de 25°C. Ces pertes sont indiquées dans les fiches techniques des modules photovoltaïques.
Portance de la toiture
Les toits se caractérisent par une certaine portance, soit leur capacité à supporter leur propre poids, le poids de la neige, etc. Lors de l'installation de panneaux solaires, il est donc important d'en tenir compte.
En pratique, le problème de portance se présente principalement dans des constructions :
- obsolètes ;
- légères ;
dont les toitures ont :
- de grandes travées ;
- de lourdes charges suspendues aux plafonds ou installées sur le toit.
Dans les autres cas : projets de petite envergure (logement individuel), construction neuve, il est fait généralement seulement appel à un ingénieur en stabilité en cas de doute.
En général, si la portance du toit est :
- supérieure à 30 kg/m², il est généralement possible de placer n'importe quel type de panneau ;
- inférieure à 30 kg/m², des panneaux photovoltaïques peuvent toujours être placés, mais il faut potentiellement envisager de les installer sous un angle de 15° maximum, et les relier les uns aux autres. Ces dispositions offrent une moindre résistance au vent et un meilleur ancrage ce qui réduit l'utilisation de lourds ballasts. A titre d'information, le ballast supplémentaire des cellules photovoltaïques amorphes dans des feuilles de toiture est limité à 4 kg/m².
Tolérance de puissance
Le potentiel de production dépend de la puissance des panneaux, hors il existe toujours un écart (tolérance) entre la puissance effective des panneaux et la puissance théorique. Cet écart, exprimé en Wc ou en pourcentage, est évalué en usine lors d'un « flash test » et est mentionné sur les fiches techniques des panneaux.
On trouve des tolérances de puissance positive et/ou négative. En cas de tolérance négative, il est possible d'obtenir des panneaux ayant une puissance inférieure à celle mentionnée dans la fiche technique et l'inverse pour des tolérances positives.
En règle générale on privilégiera des tolérances de puissance faibles.