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Implantation des panneaux photovoltaïques

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Implantation des panneaux photovoltaïques

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Quelle est la configuration d'implantation idéale pour une installation photovoltaïque ?

Pour une production optimale en France, les capteurs solaires d’une installation photovoltaïque idéale sont orientés plein sud, sur un support parfaitement exposé au soleil, en respectant une inclinaison de 30° à 35°. Il faudra bien entendu éviter toute ombre portée.
 Dans la réalité, la configuration idéale est généralement éloignée des possibilités d’installation. L’étude du projet permet d’évaluer la meilleure implantation pour une production optimale.

Où installer les panneaux photovoltaïques ?

Il est tout à fait possible d’installer des panneaux au sol, cela présente notamment l’avantage de choisir l’orientation et l’inclinaison. Par contre une installation au sol ne permet pas de bénéficier du dispositif d’Obligation d’Achat (tarif d’achat réglementé et de la prime à l’investissement s’il y a autoconsommation et vente du surplus).
 Pour bénéficier du dispositif d’Obligation d’Achat, il est obligatoire de faire appel à un professionnel certifié RGE. Les panneaux peuvent être installés sur la toiture de la résidence, d’un garage, d’un abri ou hangar, sur un carport, sur un toit terrasse, en ombrière ou en brise-soleil… Voici ce que disent les textes :
obligation de respecter les critères généraux d’implantation et de remplir l’une des conditions suivantes :

le système photovoltaïque installé est parallèle au plan des éléments de couverture environnants.
le système photovoltaïque est installé sur une toiture plate, pente inférieure à 5%.
le système photovoltaïque remplit les fonctions d’allège, de bardage, de brise-soleil, de garde-corps, d’ombrière, de pergolas ou de mur-rideau.

La configuration de ma toiture est-elle adaptée pour une installation photovoltaïque ?

C’est effectivement une question primordiale ! Pour chaque projet photovoltaïque 3 facteurs déterminants sont à prendre en considération pour l’implantation des panneaux.
l’orientation : idéalement plein sud.
l’inclinaison : idéalement entre 30° et 35°.
le masque solaire : idéalement aucune ombre portée quel que soit le moment de la journée ou la période de l’année.
Si la configuration précitée permet d’obtenir la meilleure production d’énergie électrique possible sur une année, cela ne signifie pas que toutes les autres conditions d’implantation sont à exclure, très loin de là ! Les alternatives sont nombreuses.
L’étude d’un projet photovoltaïque et de sa rentabilité doit toujours tenir compte des spécificités du lieu où les capteurs seront installés (localisation, orientation, inclinaison, ombrage). S’il s’agit d’une exploitation en autoconsommation il est aussi nécessaire de considérer vos besoins en énergie électrique et les moments de consommation. Si l’étude est bien menée et si l’installation est réalisée dans les règles de l’art, le système photovoltaïque devrait permettre une autoconsommation et une autoproduction minimales de 30% qui assureront la rentabilité de l’investissement (gare toutefois aux abus et prix exorbitants).

     ✥ L’orientation des panneaux photovoltaïques

Si l’orientation au sud est à privilégier, les panneaux peuvent néanmoins être installés sur des pans exposés à l’est, au sud-est, à l’ouest ou au sud-ouest… La production ne sera certes pas aussi importante mais la rentabilité sera toujours au rendez-vous. En fait, seule une orientation au nord est à éviter.
 Une orientation sud-est ou sud-ouest est parfaitement convenable et n’impacte que sensiblement la production potentielle.
 Une installation orientée à l’est ou à l’ouest aura davantage d’incidence sur la production mais, sachez-le, elle sera bien assez conséquente pour garantir la pertinence du projet.

 Une orientation à l’est favorise une production en 1ère partie de journée, elle débute en outre plus tôt le matin. S’il y a autoconsommation une orientation vers l’est est donc adaptée lorsque les besoins en énergie sont plus concentrés sur la 1ère partie de journée.
 Inversement, une installation orientée à l’ouest permet de bénéficier d’une production plus conséquente en 2ème partie de journée et jusque tard le soir. Une orientation vers l’ouest (et sud-ouest également) favorise la synchronisation de la production avec les moments de consommation lorsque les occupants sont peu présents en journée et utilisent l’énergie surtout dans l’après-midi jusqu’en soirée.

 Une installation orientée est et ouest, permet d’obtenir une production étalée sur une plage horaire plus importante, elle débute plus tôt le matin (exposition vers l’est) et cesse plus tard le soir (exposition vers l’ouest). Cette répartition de la production peut-être particulièrement adaptée pour favoriser l’autoconsommation du lever du jour jusqu’aux derniers rayons de soleil.
 Contrairement à ce qui est souvent affirmé, une orientation vers le nord-ouest peut même être satisfaisante s’il s’agit d’une exploitation en autoconsommation et si les besoins en électricité sont bien plus importants en 2eme partie de journée.
 Selon la surface disponible, il peut être nécessaire d’installer les panneaux sur plusieurs pans, l’objectif sera de favoriser les orientations les plus propices en termes de production. S’il y a autoconsommation, il faut toutefois garder en tête que l’intérêt est de produire le plus possible certes, mais surtout de consommer au maximum l’électricité produite.

     ✥ L’inclinaison des panneaux photovoltaïques

Pour une production maximale, l’idéal serait d’obtenir un angle d’incidence de 90°, les rayons du soleil arrivant ainsi perpendiculairement à la surface du panneau photovoltaïque. Or l’angle d’incidence des rayons fluctue selon l’heure du jour et les saisons. En France métropolitaine, une inclinaison comprise entre 30 et 35° permet une production optimale sur l’ensemble de l’année. Toutefois une inclinaison qui s’éloigne de ces valeurs reste parfaitement acceptable si elle se situe entre 10 et 45°, voire même 50°.
Une inclinaison de 0° n’est pas souhaitable même si la capacité de production reste potentiellement correcte. Pour une toiture plate ou un toit-terrasse, le système de fixation doit permettre une inclinaison suffisante pour garantir l’autonettoyage naturel : évacuation de la pluie (ou neige), des poussières et débris divers… Pour un toit-terrasse, un châssis est utilisé, il faudra veiller à ne pas dépasser une inclinaison trop importante en raison de la prise au vent.
 Au-delà de 50° l’impact sur la production devient plus conséquent ce qui peut compromettre la rentabilité de l’installation photovoltaïque dans un délai raisonnable. Une pose à la verticale sur un mur, donc selon une inclinaison de 90°, est par conséquent fortement déconseillée.
 Attention à ne pas confondre degrés et pourcentages, en effet la pente d’une toiture est fréquemment exprimée en pourcentage sur les plans délivrés par les architectes. Une inclinaison de 35° équivaut à une pente de 70 %.
 L’inclinaison des panneaux photovoltaïques est dépendante de l’inclinaison de la toiture sur laquelle ils sont fixés, or, dans les faits, l’inclinaison optimale de 30 à 35° n’est que rarement constatée. Rien d’inquiétant toutefois puisque la production reste quoiqu’il en soit satisfaisante tant que l’inclinaison est comprise entre 10° et 45°, ce qui par chance correspond à l’inclinaison de la grande majorité des toitures en France !

     ✥ Facteurs de correction et impact sur la production photovoltaïque

 Acsolue Energie vous propose ci-contre son propre tableau de correctifs, les valeurs indiquées en pourcentages correspondent aux moyennes constatées à partir des données recueillies sur PVGIS pour diverses villes réparties sur la France (et sur les diverses grandes zones d’ensoleillement). Les facteurs de correction de la capacité de production annuelle sont indiqués en pourcentages selon l’orientation et l’inclinaison des capteurs photovoltaïques. La valeur maximale (100%) correspond à une orientation plein sud (azimut de 0° par rapport au sud) et une inclinaison de 35°. Les correctifs permettent d’estimer approximativement l’impact sur la capacité de production photovoltaïque lorsque la configuration d’implantation s’éloigne de l’orientation et de l’inclinaison idéales.

lien PVGIS :  https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/fr/tools.html
Voir l’article L’orientation et l’inclinaison optimales pour vos panneaux photovoltaïques

En cas d'ombrage comment limiter l'impact sur la production de l'installation photovoltaïque ?

Lors de l’étude d’un projet photovoltaïque il est impératif de prendre en compte l’éventuel masque solaire. Dès qu’un élément dans l’environnement proche ou lointain masque le soleil, l’ombre projetée sur un ou plusieurs panneaux va engendrer une baisse de la production. Il peut s’agir d’arbres ou autres végétaux, d’une cheminée, d’un poteau ou d’un bâtiment (environnement proche), voire même de collines ou montagnes (éléments du relief de l’environnement lointain).
Il ne suffit pas d’identifier les éléments qui produiraient de l’ombre, il est également crucial de considérer la surface qui sera impactée et l’évolution de l’ombrage au cours du temps. Il convient donc d’évaluer au mieux à quel moment de la journée et de l’année l’ombre sera portée et pendant combien de temps…
Une fois l’ombrage évalué dans son ensemble, l’intérêt est bien entendu de limiter son impact en établissant un calepinage adapté. Autrement dit, il faut prévoir comment disposer au mieux les panneaux photovoltaïques de façon à éviter qu’une trop grande surface soit ombragée ; ce qui implique également de veiller à ce que la durée du masque solaire soit la plus courte possible.
Les panneaux produisent un courant continu, un onduleur est nécessaire pour convertir ce courant en courant alternatif. Le choix de l’onduleur ne doit pas être négligé, et il est d’autant plus important lorsqu’il s’agit de gérer un ombrage. Outre le choix de l’onduleur, il existe d’autres moyens et astuces pour limiter l’impact de l’ombrage sur la production photovoltaïque. Nous faisons le point sur les diverses solutions possibles

     ✥ Le type d’onduleur pour gérer l’impact d’ombre

L’onduleur de chaîne
Attention à prendre en compte le type d’onduleur ! En effet, si l’installation comporte un onduleur de chaîne, la baisse de production ne concernera pas seulement le panneau ombragé mais tout l’ensemble des panneaux associés au sein de la même chaîne (=string). Ce problème est lié au branchement en série des panneaux photovoltaïques. Ce type de branchement permet d’additionner les tensions (V) de chacun des panneaux en conservant la même intensité (I), donc l’ampérage. Or, c’est l’intensité la plus faible qui prime. L’intensité du courant de l’ensemble d’une chaîne de panneaux en série s’aligne sur l’intensité la plus faible. Le courant électrique généré par une chaîne de panneaux est ainsi déterminé par la puissance du panneau qui produit le moins. Si un panneau est ombragé, l’intensité de courant électrique est moindre (= flux d’électrons plus faible), l’ombrage va donc dégrader significativement la puissance du courant et donc la production de tous les panneaux associés et connectés en série (puissance (en Watt) = U (en Volt) x I (en Ampère)).
Par conséquent, il convient de répartir les panneaux sur des chaînes différentes selon la qualité d’exposition et d’ensoleillement. L’installation est alors « scindée » en sous-ensembles distincts. L’onduleur doit, dans ce cas, permettre de brancher ces sous-ensembles sur des entrées différentes. Il est donc impératif d’opter pour un onduleur multi-string avec un système de trackers MPP distincts afin de gérer les chaînes de panneaux indépendamment. En fait, un onduleur dispose d’un système de tracker de point de puissance maximale, communément appelé MPPT (Maximum Power Point Tracker). Ce dispositif recherche et suit continuellement le point de puissance maximale (d’où tracker MPP), pour ajuster et réguler le couple tension/intensité afin de s’approcher de cette puissance idéale. Chacun des trackers se cale donc sur le point de puissance maximale et permet d’exploiter la puissance maximale de chaque chaîne de manière totalement indépendante.
La technologie MPPT permet de maximiser l’énergie électrique produite et de garantir un fonctionnement optimal. En utilisant plusieurs trackers différents, si une chaîne de panneaux produit moins en raison d’un ombrage, cela n’affecte pas la capacité de production de l’autre chaîne (il peut d’ailleurs en avoir plusieurs). L’ensoleillement dont les panneaux bénéficient doit être équivalent au sein d’une même chaîne, les panneaux subissant un ombrage doivent bien entendu être dissociés de ceux qui sont mieux exposés au rayonnement solaire.
Les technologies dans le domaine du photovoltaïque évoluent très vite, il existe maintenant des onduleurs de chaîne qui intègrent une fonction permettant de mieux gérer l’ombrage. Outre le tracker MPP intégré pour trouver le point de puissance maximale et optimiser constamment la production, l’ingénierie et l’algorithme intelligent utilisés peuvent également permettre de ne pas « tenir compte du panneau ombragé » dans les calculs. L’onduleur avec dispositif de gestion d’ombrage peut repérer la baisse de puissance provoquée par une ombre portée et agir sur les diodes by-pass dont la fonction est de contourner le circuit qui serait impacté par un ombrage. La perte de production est ainsi limitée.

Les micro-onduleurs
Pour réduire l’impact d’un ombrage sur l’ensemble de la production, il est possible d’opter pour un système avec des micro-onduleurs, cette solution est souvent privilégiée. Dans cette configuration, les micro-onduleurs sont installés sous les panneaux photovoltaïques, chacun d’eux convertit séparément le courant continu généré par le panneau auquel il est relié en courant alternatif.
L’utilisation de micro-onduleurs implique la mise en parallèle du circuit, les panneaux ne sont plus branchés en série et restent ainsi « indépendants ». Chaque micro-onduleur dispose d’un tracker MPP pour optimiser la production de l’ensemble des cellules. Chaque panneau ayant son propre micro-onduleur, il devient effectivement « indépendant » en production selon son exposition au rayonnement solaire. Si un panneau se situe dans une zone d’ombre, seule sa production est réduite, il n’y a pas d’impact sur la puissance du courant et la production des autres panneaux. Le reste de l’installation continue de fonctionner normalement et de produire de manière optimale.
Certains fabricants proposent des micro-onduleurs pouvant gérer 2 voire quatre panneaux.

Les optimiseurs
Certains systèmes peuvent être équipés d’optimiseurs de puissance placés sous les panneaux photovoltaïques, comme leur nom l’indique leur fonction est d’optimiser et d’améliorer la production en fonction des contraintes d’exposition.   
Le terme « optimiseur » est en réalité à modérer puisque tous les onduleurs de chaîne et les micro-onduleurs ont cette fonction d’optimisation grâce au dispositif MPPT précédemment évoqué. L’atout majeur serait leur capacité à mieux gérer et améliorer la production même par faible luminosité.
Attention, contrairement aux micro-onduleurs, les optimiseurs ne convertissent pas le courant généré par les panneaux en courant alternatif, il est donc nécessaire d’ajouter un onduleur de chaîne pour assurer cette fonction. En fait, il y a alors double optimisation, celle de la production d’un panneau avec son optimiseur et celle de l’ensemble du générateur grâce à l’onduleur de chaîne.
La garantie d’un optimiseur est généralement de 20 ans. Mais il faut aussi tenir compte de l’onduleur qui lui bénéficie d’une garantie n’excédant pas 10 ou 12 ans dans la plupart des cas. En outre, sa durabilité est de 10 à 12 ans en moyenne. Ces  critères ne doivent pas être négligés.
⤷ Avec des optimiseurs+onduleur, on multiplie les équipements et les branchements, ce qui augmente, de facto, les risques de défaillances et pannes. Enfin, les optimiseurs consomment eux aussi de l’énergie, cette consommation est additionnelle à celle de l’onduleur (même en veille), les quelques gains en capacité de production sont donc à pondérer avec l’énergie consommée pour leur fonctionnement.

     ✥ Les panneaux photovoltaïques à demi-cellules

Un panneau standard est constitué de 3 chaînes de cellules. Si une seule chaîne est trop fortement impactée par un ombrage, la diode By-pass qui lui est associée devient passante. La diode, située dans le boitier de jonction à l’arrière du panneau, permet de contourner la chaîne concernée. Ce dispositif de protection évite tout risque de surchauffe au niveau des cellules ombragées. Dans ce cas, la production du panneau est réduite d’un tiers (une chaîne sur 3).
Les panneaux à demi-cellules sont divisés en deux zones distinctes où sont connectées à chaque fois trois chaînes de cellules : la zone couvrant la moitié supérieure comporte trois chaînes, et la moitié inférieure est composée de trois autres chaînes de cellules. Si une seule chaîne de cellule est impactée par un ombrage alors c’est seulement un sixième de la production qui est impactée (une chaîne sur 6). En outre, si la moitié supérieure ou la moitié inférieure du panneau est ombragée, l’autre moitié étant totalement indépendante, elle continue de produire de manière optimale et sans être affectée.

     ✥ La position des panneaux photovoltaïques (portrait vs paysage)

Une autre astuce consiste à jouer sur la position des panneaux (paysage ou portrait). Un panneau étant constitué de diverses chaînes de cellules branchées en série, l’objectif est de disposer le panneau de manière à éviter l’ombrage sur l’ensemble des chaînes. Comme évoqué précédemment, un panneau photovoltaïque est équipé de diodes by-pass qui permettent d’isoler chaque chaîne de cellule qui serait « non opérationnelle ». C’est donc un atout qui peut être judicieusement utilisé si l’ombrage est partiel.
Moins il y a de chaînes de cellules affectées par l’ombrage, moins la production sera impactée. Il suffit donc de bien analyser où se situe la zone d’ombre, et ce au fil des heures mais aussi des saisons.

     ✥ Mettre ou ne pas mettre des panneaux photovoltaïques dans une zone trop ombragée

Si l’ombrage constaté ne peut être évité, il est bien entendu primordial de considérer si l’impact sur la production est acceptable ou non.
Si l’ombre portée est permanente ou sur une durée prolongée, il est préférable de ne pas mettre les panneaux dans la zone concernée, cela pourrait trop fortement nuire à la production globale et impacter le retour sur investissement. En outre, les diodes By-pass ne sont pas conçues pour être en permanence activées, un ombrage trop prolongé dans la durée pourrait accélérer leur vieillissement.

     ✥ Le contrôle des zones d’ombre

Il est bien sûr recommandé de vérifier régulièrement tout éventuel ombrage qui engendrerait une baisse de production.  Sans oublier que les arbres poussent ! Il faut non seulement anticiper leur croissance mais aussi procéder à une coupe de « rafraichissement » si nécessaire au fil du temps !

Les panneaux photovoltaïques sont intégrés à la toiture ou posés en surimposition ?

      Une installation photovoltaïque en intégration c’est quoi ?

Une installation en « intégration au bâti » (IAB) consiste à remplacer une partie de la couverture (tuiles, ardoises, etc) par des panneaux photovoltaïques.  Les panneaux doivent à la fois assurer la fonction de couverture mais aussi l’étanchéité.

     ✥ Une installation photovoltaïque en surimposition c’est quoi ?

Lorsqu’il s’agit d’une pose en surimposition, un système de fixation permet de positionner les panneaux photovoltaïques au-dessus de la couverture et en parallèle audit plan de couverture. Les panneaux photovoltaïques ne se substituent pas à la couverture existante dont l’étanchéité est ainsi préservée.

     ✥ Installation photovoltaïque en intégration ou surimposition : quelle technique est la plus utilisée

La pose en surimposition est devenue la technique de pose privilégiée et la plus répandue.  Elle présente de nombreux avantages :

 La surimposition permet de ne pas modifier la couverture existante, les risques de défaillance de l’étanchéité et d’infiltrations d’eau sont donc réduits.
La simplicité de mise en œuvre en surimposition permet de réaliser les installations sur de très nombreux types de supports et des éléments de couverture très divers.
 La surimposition permet une meilleure ventilation des deux surfaces des panneaux photovoltaïques, la circulation de l’air contribue à de meilleures performances et capacités de production ainsi qu’à une durabilité accrue.
une installation en surimposition est moins complexe et exige moins de temps de mise en œuvre, le coût est par conséquent moins élevé.  Les éventuelles modifications et interventions de maintenance sont plus aisées

Le principal atout d’une intégration de l’installation au bâti est l’aspect plus esthétique.

➥ Voir article complet  Les types de pose des panneaux photovoltaïques : l’intégration à la toiture et la pose en surimposition 

La couverture et la charpente de ma toiture peuvent-elles supporter une installation photovoltaïque ?

Les capteurs d’un système photovoltaïque peuvent être installés sur presque tous les types de toits. La charpente ou l’ensemble de la structure doit toutefois permettre de supporter la charge des panneaux photovoltaïques et du système de fixation.
La capacité de charge dépend de la nature de la toiture et notamment de l’état de la charpente bien entendu.
La surimposition consiste à positionner les panneaux photovoltaïques au-dessus des éléments de couverture grâce au système de fixation par crochets et rails fixés directement sur la charpente, les panneaux ne sont donc pas une charge pour la couverture. Cette dernière est par ailleurs protégée par les panneaux photovoltaïques qui font office de bouclier.
En surimposition le poids de l’installation représente une charge supplémentaire totale comprise entre 12 et 18 kg/m2 suivant la taille du panneau. En général le poids d’un panneau photovoltaïque standard varie entre 18 et 25 kilos pour une surface d’environ 2 m2. Dans l’immense majorité des cas cela ne représente pas le moindre risque pour la structure du toit (le bon état de la structure est bien entendu une condition sine qua non). En France, pour les diverses couvertures classiques, les charpentes et structures de toitures sont logiquement prévues pour être d’une très grande robustesse et pour supporter des charges bien plus importantes.

Les panneaux photovoltaïques doivent-ils être posés en mode portrait ou paysage ?

Sauf contrainte spécifique liée à l’ombre portée sur une partie de la surface exposée, les panneaux peuvent être disposés en portrait ou paysage. La disposition n’a pas d’incidence sur la production.
L’essentiel est de tenir compte de la surface disponible et de l’ombrage éventuel.
Dans la grande majorité des cas les panneaux sont toutefois posés en portrait principalement pour des raisons esthétiques.

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