Les éléments nécessaires pour réaliser une centrale photovoltaïque

L’énergie solaire photovoltaïque est l’énergie électrique produite directement dans une cellule solaire photovoltaïque, à partir du rayonnement solaire qui lui tombe dessus. Le processus de transformation de la lumière en électricité, appelé “effet photovoltaïque”, est produit grâce aux propriétés inestimables des matériaux semi-conducteurs (principalement le silicium et le germanium). Dans celles-ci, une certaine tension peut être générée par l’interaction de l’énergie des particules de lumière incidentes avec les électrons de ce matériau récepteur. Si une charge électrique est connectée à l’appareil, nous obtiendrons de l’électricité. Découvrez les éléments nécessaires à la réalisation de ce phénomène physique.

Le générateur photovoltaïque

Bien que la taille et la puissance des panneaux solaires photovoltaïques aient augmenté avec le développement récent des applications connectées au réseau en raison de leurs propres limites de construction et de transport, il s’agit encore d’un petit équipement. Il convient de rappeler que l’un de leurs principaux avantages est leur modularité, qui leur confère une grande souplesse d’adaptation à des applications et des lieux très différents. L’association électrique de plusieurs panneaux solaires photovoltaïques pour obtenir certaines conditions de courant et de tension (et donc de puissance) est appelée générateur photovoltaïque. Dans un générateur photovoltaïque, il peut arriver qu’une partie soit soumise à des conditions de rayonnement différentes du reste, normalement sous l’effet de l’ombre, de la saleté ou d’un nuage dans le cas de grandes installations.

Le courant produit par une cellule solaire photovoltaïque est proportionnel au rayonnement solaire reçu. Dans le même temps, les cellules photovoltaïques et les panneaux photovoltaïques connectés en série conduisent le même courant, celui du panneau qui va générer moins de courant. Certaines des causes sont impossibles à éviter, comme l’ombrage partiel des nuages, mais on peut essayer d’autres pour minimiser les pertes. Ainsi, lorsque vous configurez un générateur photovoltaïque en série et en parallèle, vous devez essayer de connecter en série les panneaux  photovoltaïques qui vont recevoir un ombrage similaire provenant d’obstacles proches et connus (cheminées, bâtiments, arbres, montagnes, etc.). Si une petite partie de plusieurs branches est ombragée en parallèle, toutes fonctionneront dans des conditions de production réduites. Tout cela en considérant que parfois la meilleure solution à un ombrage excessif est de changer l’emplacement des panneaux solaires photovoltaïques.

Les différents suiveurs solaires

Il existe plusieurs types de structures pour le suivi solaire : sur 2 axes ou sur 1 axe azimutal (axe vertical), axe incliné avec orientation sud (polaire si l’axe d’inclinaison est égal à la latitude) ou horizontal (axe nord-sud). A titre de référence, on peut estimer que pour des latitudes comme celles de l’Espagne péninsulaire, une amélioration de la réception solaire comprise entre 25 et 40. La machine a une position fixe avec une inclinaison d’environ 30° et une orientation sud.

Suivi sur un axe horizontal,

Suivi sur un axe horizontal, Nord-Sud : dans ce type de suivi, les panneaux solaires photovoltaïques sont orientés à l’Est le matin, se déplaçant le long de l’axe Nord-Sud tout au long de la journée vers la position Ouest au coucher du soleil. Après le coucher du soleil, il est possible de revenir à la position initiale en vue de la préparation du lendemain matin. En cas de vent moyen à fort, ils sont maintenus en position horizontale pour réduire les contraintes mécaniques, tandis que si l’on prévoit des chutes de neige, ils sont positionnés verticalement pour éviter toute accumulation. Pour aller plus loin, dans ce type de surveillance dans des installations réelles, il faut noter que si, pendant les premières heures de la journée, les panneaux étaient dans leur position optimale, presque à la verticale, l’ombre qu’ils projetteraient sur les autres rangées de panneaux serait très longue, ce qui soit réduirait la production d’électricité dans celles-ci, soit obligerait à séparer les panneaux de manière excessive, avec une utilisation moindre du terrain.

Dans ces cas, il faut trouver un compromis entre les deux facteurs (inclinaison et ombrage). Ainsi, dans le domaine des panneaux de suivi à axe unique de la centrale de Toledo-PV, en service depuis 1994, l’inclinaison est limitée, tant le matin que l’après-midi, à 60º par rapport à l’horizontale. On estime à 3 % la réduction de la réception solaire, qui est compensée par une plus grande incidence sur les rangées adjacentes. Les systèmes actuels intègrent ce qu’on appelle le “backtracking”, qui consiste à modifier la position des panneaux photovoltaïques afin de réduire l’ombrage au début et à la fin de la journée. Parmi les systèmes de suivi, il est l’un des plus simples, des plus robustes et des moins coûteux. Il convient aux très grands systèmes, car l’utilisation du terrain est maximale, car il n’y a presque pas d’ombrage dans le sens nord-sud et les panneaux adjacents peuvent être placés en longues rangées.

Poursuite sur un axe azimutal

Poursuite sur un axe azimutal (vertical) : à des latitudes plus élevées, la réception de l’énergie est améliorée grâce à la poursuite azimutale sur un axe. L’axe de rotation est vertical, les panneaux étant inclinés d’une valeur égale à la latitude, en permanence. Une configuration qui combine une bonne réception de l’énergie et une bonne utilisation des terres est le suivi avec un axe vers le sud. Lorsque l’inclinaison de cet axe est égale à la latitude, on parle de suivi polaire.

Le suivi à 2 axes

Pour réduire l’ombrage, les systèmes sont conçus avec une inclinaison de l’axe de rotation plus petite, par exemple 20°. De cette façon, la concentration des équipements disponibles sur le terrain peut être augmentée. La configuration qui maximise la réception solaire annuelle en considérant un système individuel sans ombres est, sans aucun doute, le suivi à 2 axes, sauf dans les climats avec un excès de rayonnement diffus. Dans ce type de système, les panneaux solaires photovoltaïques sont orientés perpendiculairement au soleil en permanence, ce qui permet d’obtenir un gain de plus de 40% par rapport aux systèmes sans suivi.

Cependant, lors de la conception de toute centrale, il faut évaluer non seulement l’augmentation du rayonnement due au positionnement, mais aussi les effets de l’ombrage sur le reste des suiveurs et, logiquement, le coût des équipements, du montage et de la maintenance. Les grands trackers à deux essieux provoquent plus d’ombres que les configurations à un essieu décrites ci-dessus, donc toutes les options doivent être envisagées dans certaines circonstances de limitation du terrain. Il existe sur le marché diverses configurations de suiveurs à deux axes qui, ayant en commun leur perpendicularité au Soleil, diffèrent par leur taille, leur conception structurelle, leur entraînement électrique et mécanique, leur coût ou leur facilité de montage. Il s’agit d’un secteur de développement très récent où, pour l’instant, il n’existe pas de norme de système acceptée comme optimale ou plus recommandable.

Le générateur photovoltaïque et les onduleurs

Le générateur photovoltaïque fournit de l’énergie électrique en courant continu. Par conséquent, toute installation connectée au réseau doit comporter un ou plusieurs onduleurs qui transforment l’électricité produite en courant alternatif, avec les conditions de tension et de fréquence requises par le réseau. Les petits onduleurs de puissance sont généralement monophasés. Dans ce cas, l’installation se comporte comme une consommation négative aux fins du bilan énergétique. Dans les installations de grande puissance, comme la plupart de celles qui sont actuellement conçues en Espagne, il est possible de connecter de nombreux petits onduleurs monophasés ou un petit nombre d’onduleurs triphasés de grande puissance. Les deux stratégies peuvent être trouvées sur le terrain.

Différentes structures de support

Les panneaux solaires photovoltaïques en silicium cristallin les plus courants dans les applications connectées au réseau pèsent entre 12 kg et près de 50 kg, selon leur taille/puissance. Les dimensions d’un panneau solaire varient d’environ 1 m2 à plus de 2 m2 par unité. La position la plus courante et la plus simple des panneaux solaires est la position fixe, avec une orientation au sud si possible et une inclinaison d’environ 30º. Dans ce type de conception, les panneaux solaires regroupés sont fixés à une structure de support qui assure l’orientation et l’inclinaison définies. Cette position doit également veiller à ce que l’équipement soit solidement fixé et faciliter le montage et la connexion.

Dans les installations en plein champ, la structure de support est ancrée au sol, avec une fondation plus ou moins profonde selon le nombre de panneaux de chaque structure et, par conséquent, le poids et la charge du vent à supporter. Ce sont des structures qui fonctionnent à l’extérieur et pendant longtemps. Les matériaux les plus courants sont l’acier galvanisé et l’aluminium. Les structures de support sont réalisées presque sur mesure en fonction des caractéristiques des panneaux, de leurs dimensions et du nombre de ceux-ci qui sont regroupés.