Concevoir une installation photovoltaïque : principes de base et méthodologies

Une installation photovoltaïque est composée d’un ensemble de modules (panneaux) photovoltaïques et dun composant électrique (câbles) et dune électronique (onduleur). Les modules exploitent l’énergie solaire incidente pour produire de l’énergie électrique par effet photovoltaïque.

Le recours à cette technologie naît du besoin de conjuguer : 

• la compatibilité avec les exigences architecturales et de protection de l’environnement ;
• aucune pollution sonore ;
• une économie de combustibles fossiles ;
• une production d’énergie électrique sans émissions de substances polluantes.

L’objectif de l’installation photovoltaïque est cependant d’obtenir une économie d’énergie significative pour la structure desservie. Si vous commettez des erreurs de calcul, votre projet est voué à l’échec et n’apporte aucun des bénéfices mentionnés. Pour ne pas risquer de concevoir un système photovoltaïque peu productif, je vous suggère d’essayer gratuitement un logiciel photovoltaïque capable de vous aider à comprendre le fonctionnement de chaque type d’installation.

Dans cet article, nous illustrons les caractéristiques techniques d’une installation photovoltaïque et évoquons les critères de conception.

Qu’est-ce que la conception d’une installation photovoltaïque et pourquoi est-elle fondamentale

La conception d’une installation photovoltaïque n’est pas simplement la disposition de modules sur un toit, mais un processus d’ingénierie multidisciplinaire qui vise à transformer l’irradiation solaire en énergie électrique utilisable, maximisant le retour sur investissement (ROI). Concevoir signifie prévoir le comportement d’un système dynamique dans un contexte environnemental variable, en équilibrant des variables physiques, réglementaires et économiques.

La valeur d’une conception précise

Dans le contexte actuel, où l’intégration architecturale et l’efficacité énergétique sont des piliers du Green Deal, une conception approximative est un luxe que aucun technicien ne peut se permettre. Voici pourquoi ce processus est crucial : 

• optimisation du Performance Ratio (PR) – seul une étude précise des ombres (shading analysis) et du mismatching permet de réduire les pertes d’énergie, garantissant que l’installation produise autant que prévu lors de la phase de business plan ;
• sécurité et conformité réglementaire – de la statique des structures de support à la protection contre les surtensions (SPD), chaque composant doit répondre à des normes techniques strictes (comme les normes CEI en Italie) pour garantir la longévité du système ;
• intégration dans le flux BIM – aujourd’hui, la conception photovoltaïque doit dialoguer avec le modèle d’information du bâtiment. Considérer l’installation comme un « objet intelligent » permet de prévoir les interférences des systèmes et de faciliter la maintenance future (Asset Management).

Pourquoi le « faites-le vous-même » est un risque

Se fier à des calculs empiriques ou à des logiciels non certifiés expose le concepteur à des erreurs de dimensionnement qui peuvent compromettre la rentabilité de l’œuvre. Une méthodologie de calcul correcte est la seule garantie pour fournir au client final une donnée certaine sur le temps de retour de l’investissement (Payback Period).

Pour transformer cette complexité en un flux de travail fluide et sans erreurs, il est essentiel de se doter d’un logiciel photovoltaïque qui permet de gérer chaque phase, de la mesure à la simulation économique, avec une précision extrême.

Comment aborder la conception d’une installation photovoltaïque pour la première fois

Le secret d’un début réussi dans le secteur réside dans la rigueur méthodologique. On ne commence jamais par le choix des panneaux, mais par la compréhension du contexte et des besoins.

L’analyse des besoins énergétiques

Le premier pas n’est pas technique, mais analytique. Il faut examiner le profil de consommation de l’utilisateur (domestique ou industriel) à travers les factures d’électricité ou, mieux encore, via les données de prélèvement horaire. L’objectif est de dimensionner l’installation pour maximiser l’autoconsommation, car l’énergie produite et consommée instantanément est celle qui garantit la plus grande économie.

Le relevé technique et les contraintes environnementales

Avant d’envisager une solution, il faut analyser le « contenant ». Les éléments critiques à évaluer sont : 

• orientation et inclinaison (Tilt et Azimut) – une exposition au Sud avec une inclinaison optimale est idéale, mais la conception moderne permet d’obtenir d’excellents résultats même avec des orientations Est-Ouest ;
• analyse des ombres – des obstacles éloignés (montagnes, immeubles) ou proches (cheminées, antennes, arbres) peuvent provoquer des chutes de tension drastiques ;
• état des toitures – vérifier la tenue statique et l’adéquation des matériaux (ex. présence d’amiante ou nécessité de renforts structurels).

Le choix de la technologie et des composants

Ce n’est qu’à ce stade que l’on passe à la configuration du système. Le concepteur doit choisir entre des modules monocristallins (plus efficaces) ou des technologies alternatives, et associer l’onduleur le plus adapté (de chaîne ou avec optimiseurs). À ce stade, la compatibilité électrique entre les chaînes et l’onduleur est fondamentale pour éviter des pannes ou des inefficacités.

L’intégration entre projet et réalité réglementaire

Une erreur courante des néophytes est d’ignorer le processus bureaucratique. Chaque projet doit s’interfacer avec les portails des gestionnaires de réseau et respecter les contraintes paysagères ou communales. Concevoir avec un logiciel photovoltaïque approprié permet de générer plus facilement la documentation technique et les schémas unifilaires, réduisant ainsi considérablement le risque de rejet des demandes.

Facteurs clés à considérer dans la conception de systèmes photovoltaïques

La conception moderne nécessite une approche holistique. Chaque décision technique a un impact direct sur la productivité spécifique (kWh/kWp) et sur la durée de vie des composants. Voici quelques aspects que vous devez considérer pour procéder à une conception plus consciente.

Site d’installation

Le dimensionnement énergétique de l’installation photovoltaïque, connecté au réseau du distributeur, ainsi que la disponibilité économique, est effectué en tenant compte des aspects suivants : 

• disponibilité d’espaces sur lesquels installer l’installation photovoltaïque
• disponibilité de la source solaire
• facteurs morphologiques et environnementaux (ombrage et albédo)

Identification des espaces sur lesquels installer l’installation photovoltaïque

La première opération à effectuer est d’identifier les espaces où positionner les modules photovoltaïques. Généralement, dans le cas d’installations civiles, on cherche à positionner les panneaux sur les pentes du toit. Si possible, on préfère une installation intégrée dans le toit. Il faut donc identifier la pente exposée vers le SUD.

L’exposition optimale est celle coïncidant avec le SUD plein ; par conséquent, la productivité maximale se produit pour azimut égal à 0°.

De plus, il faut identifier l’inclinaison optimale des panneaux par rapport au plan horizontal ; cette valeur est définie comme tilt.

Généralement, les valeurs maximales de productivité se produisent pour tilt = latitude -10°.

Irradiation solaire et données climatiques locales

Tous les « Sud » ne sont pas égaux. La conception doit se baser sur des bases de données climatiques certifiées (comme PVGIS ou Meteonorm). Il est essentiel de considérer : 

• composante directe et diffuse – dans les zones avec une forte nébulosité, la radiation diffuse joue un rôle clé.
• albédo – la réflexion du sol ou des surfaces environnantes (surtout en cas de toits blancs ou de neige) peut augmenter le rendement, surtout si l’on utilise des modules bifaciaux.

Azimut

Inclinaison

Disponibilité de la source solaire

La disponibilité de la source solaire pour le site d’installation doit être vérifiée en utilisant les données relatives aux valeurs journalières moyennes mensuelles de l’irradiation solaire sur le plan horizontal.

Production moyenne d’énergie

Facteurs morphologiques et environnementaux (ombrage et albédo)

Les effets d’ombrage causés par des volumes à l’horizon, dus à des éléments naturels (reliefs, arbres) ou artificiels (bâtiments), déterminent la réduction des apports solaires et le temps de retour de l’investissement.

Il faut également tenir compte du surplus de radiation dû à la réflectance des surfaces (capacité de réfléchir une partie de la lumière incidente sur une surface ou un matériau donné) de la zone dans laquelle l’installation est située. Les valeurs moyennes mensuelles d’albédo sont donc définies.

Une évaluation inadéquate de ces éléments pourrait compromettre l’efficacité de l’ensemble de l’installation. Pour obtenir les résultats souhaités et dimensionner correctement une installation photovoltaïque, je te conseille d’utiliser immédiatement le logiciel photovoltaïque capable de t’assister tout au long de la conception.

Températures d’exploitation et ventilation

Une erreur courante est de sous-estimer l’effet de la chaleur. Les modules photovoltaïques perdent en efficacité avec l’augmentation de la température (coefficient de température P_max).

• Floating vs. Intégré: une installation intégrée au toit chauffe plus qu’une installation surélevée.
• Espacement: prévoir une chambre d’air adéquate entre les modules et le plan de pose est vital pour garantir le refroidissement passif et préserver l’électronique de l’onduleur.

Pertes de système (System Losses)

En plus de l’efficacité des modules, il faut comptabiliser les pertes inévitables : 

• chute de tension dans les câbles DC/AC: elle doit être maintenue de préférence en dessous de 1% pour ne pas dissiper d’énergie sous forme de chaleur;
• mismatching: différences constructives minimales entre les modules qui pénalisent le rendement global;
• saleté (Soiling): accumulation de poussière, déjections ou pollution, variable selon la zone (agricole, industrielle ou côtière).

Actions du vent et charges neige

D’un point de vue structurel, une installation est une « voile ». La conception doit inclure le calcul des poussées du vent et de la surcharge neige, en définissant correctement le nombre et le type d’ancrages pour éviter des dommages à l’enveloppe du bâtiment ou, pire, le détachement des panneaux.

Classification des installations photovoltaïques

Voici quelques concepts de base pour la conception des installations photovoltaïques : 

• modules photovoltaïques: dispositifs pour la transformation de l’énergie solaire en énergie électrique
• régulateur de charge: dispositif pour la protection des accumulateurs (règle la recharge et la décharge de ceux-ci)
• accumulateurs: dispositifs pour stocker l’énergie de l’installation photovoltaïque afin de la fournir à l’utilisateur lorsque les modules ne peuvent pas la produire en raison d’un manque d’irradiation solaire
• onduleur: machine pour transformer le courant continu provenant des modules et/ou des accumulateurs en courant alternatif conventionnel à 220  Note: Si les appareils à alimenter sont de type à courant continu, il est possible de se passer de ce composant
• tableau électrique: pour la distribution de l’énergie. En cas de consommations élevées ou en l’absence d’alimentation par les modules photovoltaïques, le courant est prélevé sur le réseau public. Dans le cas contraire, l’énergie photovoltaïque excédentaire est de nouveau injectée dans le réseau. De plus, il mesure la quantité d’énergie fournie par l’installation photovoltaïque au réseau.
• cellule photovoltaïque: la cellule photovoltaïque unique, d’une taille d’environ 10 x 10 cm, constitue le dispositif élémentaire à la base de chaque système photovoltaïque.

Nous pouvons avoir différents types d’installations photovoltaïques : installations connectées au réseau (grid connected) et installations isolées du réseau électrique (stand alone).

Installations connectées

Installations isolées autonomes

Projet d’installation photovoltaïque : procédures de calcul

Le principe de conception normalement utilisé pour une installation photovoltaïque est de maximiser la captation de la radiation solaire annuelle disponible.

Dans la plupart des cas, le générateur photovoltaïque doit être exposé à la lumière solaire de manière optimale, en choisissant prioritairement l’orientation sud et en évitant les phénomènes d’ombrage. En fonction des éventuelles contraintes architecturales de la structure qui accueille le générateur lui-même, des orientations différentes sont néanmoins adoptées et des phénomènes d’ombrage sont acceptés, à condition d’être correctement évalués.

Les pertes d’énergie dues à de tels phénomènes ont un impact sur le coût du kWh produit et sur le temps de retour de l’investissement.

Du point de vue de l’insertion architecturale, dans le cas d’applications sur des toits en pente, le choix de l’orientation et de l’inclinaison doit être effectué en tenant compte qu’il est généralement opportun de maintenir le plan des modules parallèle ou même coplanaire à celui de la pente elle-même. Cela afin de ne pas altérer la silhouette du bâtiment et de ne pas augmenter l’action du vent sur les modules eux-mêmes. Dans ce cas, il est utile de favoriser la circulation d’air entre l’arrière des modules et la surface du bâtiment, afin de limiter les pertes par température.

Critère d’estimation de l’énergie produite

L’énergie générée dépend donc des facteurs suivants : 

• site d’installation (latitude, radiation solaire disponible, température, réflectance de la surface devant les modules)
• exposition des modules : angle d’inclinaison (Tilt) et angle d’orientation (Azimut)
• éventuels ombrages ou dégradations du générateur photovoltaïque
• caractéristiques des modules : puissance nominale, coefficient de température, pertes par découplage ou mismatch
• caractéristiques du BOS (Balance Of System)

La valeur du BOS peut être estimée directement ou comme complément à l’unité du total des pertes, calculées à l’aide de la formule suivante : 

Total des pertes [%] = [1 – (1 – a – b) · (1 – c – d) · (1 – e) · (1 – f)] + g

pour les valeurs suivantes : 

1. pertes par réflexion
2. pertes par ombrage
3. pertes par mismatching
4. pertes par effet de la température
5. pertes dans les circuits en courant continu
6. pertes dans les onduleurs
7. pertes dans les circuits en courant alternatif

Critère de vérification électrique

En correspondance des valeurs minimales de la température de fonctionnement des modules (-10 °C) et des valeurs maximales de fonctionnement de ceux-ci (70 °C), les grandeurs suivantes sont vérifiées : 

• tensions MPPT (Maximum Power Point Tracker), les valeurs de MPPT représentent les valeurs minimale et maximale de la fenêtre de tension utile pour la recherche du point de fonctionnement à la puissance maximale : 
  • tension au point de puissance maximale, Vm, à 70 °C supérieure ou égale à la Tension MPPT minimale (V_{mppt min})
  • tension au point de puissance maximale, Vm, à -10 °C inférieure ou égale à la Tension MPPT maximale (V_{mppt max})
• tension maximale : tension de circuit ouvert, Voc, à -10 °C inférieure ou égale à la tension maximale d’entrée de l’onduleur
• tension maximale module : tension de circuit ouvert, Voc, à -10 °C inférieure ou égale à la tension maximale de système du module
• courant maximal : courant maximal (court-circuit) généré, Isc, inférieur ou égal au courant maximal d’entrée de l’onduleur
• dimensionnement : le rapport pourcentage entre la puissance nominale de l’onduleur et la puissance du générateur photovoltaïque qui lui est connecté (compris entre 70 % et 120 %)

Projet d’installation photovoltaïque : dimensionnement de l’installation

Pour dimensionner correctement une installation, il est nécessaire de définir les données générales : 

• données du client (nom et adresse)
• latitude (N)
• longitude (E)
• altitude (m)
• irradiation solaire annuelle sur le plan horizontal (MJ/m²)
• coefficient d’ombrage

et les données techniques : 

• surface totale des modules (m²)
• nombre total de modules
• nombre total d’onduleurs
• énergie totale annuelle (kWh)
• puissance totale (kW)
• puissance des phases (L1-L2-L3) (kW)
• énergie par kW (kWh/kW)
• système de stockage
• capacité de stockage utile (kW)
• BOS (%)

Système de stockage externe

Le système de stockage externe utilisé permet de stocker l’énergie produite en excès par l’installation pour la réutiliser aux moments où l’installation ne produit pas d’énergie.

Il est nécessaire de définir le type de batterie (code, marque, modèle et caractéristiques) et la configuration du système de stockage.

Comment Solarius PV simplifie la conception d’installations photovoltaïques

Nous présentons ci-dessous les avantages de concevoir avec l’aide d’un logiciel photovoltaïque : 

• dessin des surfaces à disposition de l’installation photovoltaïque avec objets graphiques spécifiques, qui comprennent toutes les données nécessaires pour le dimensionnement de l’installation photovoltaïque, ou les importer directement à partir de fichiers DXF/DWG
• positionnement des panneaux photovoltaïques à disposer sur le toit ou sur le sol en les choisissant parmi ceux sélectionnés et proposés automatiquement par le logiciel pour obtenir le meilleur résultat
• simulation de l’ombrage photovoltaïque produit par les éléments à grande distance de l’installation photovoltaïque avec un simple relevé photographique du lieu, l’ombrage photovoltaïque des obstacles proches et celui causé par les chaînes parallèles de modules photovoltaïques
• configuration de l’installation photovoltaïque avec onduleurs monophasés basse tension (BT), onduleurs triphasés basse (BT) et moyenne tension (MT), onduleurs multi MPPT, onduleurs avec stockage intégré ou indépendant (batteries photovoltaïques externes). Batteries photovoltaïques et onduleurs seront sélectionnés et suggérés automatiquement par le logiciel pour obtenir le meilleur résultat
• calcul du rendement de l’installation photovoltaïque (production totale annuelle avec détail horaire de la production) et évaluation de la rentabilité et du délai d’amortissement de l’installation photovoltaïque
• résultats de calcul, sous forme numérique et graphique, toujours mis à jour à chaque modification des données du projet. Toujours soutenu par une diagnostique opérationnelle avec alertes capable de mettre rapidement en évidence d’éventuelles anomalies, afin que tout soit traité correctement.
• possibilité de photoinsertion permettant de visualiser l’installation conçue même avec des représentations photoréalistes pour montrer au client l’impact visuel de l’installation conçue

Pour la rédaction correcte d’un projet d’une installation photovoltaïque, il est donc nécessaire d’utiliser un logiciel photovoltaïque qui vous assiste dans toutes les phases de conception.

FAQ sur le projet d’une installation photovoltaïque

Qu’est-ce que la conception d’une installation photovoltaïque et pourquoi est-elle fondamentale ?

La conception d’une installation photovoltaïque est un processus d’ingénierie multidisciplinaire qui vise à transformer l’irradiation solaire en énergie électrique utilisable, maximisant le retour sur investissement (ROI). Elle est fondamentale car elle permet de prévoir le comportement d’un système dynamique dans un contexte environnemental variable, en équilibrant des variables physiques, réglementaires et économiques. Une conception précise garantit l’optimisation du Performance Ratio (PR), la sécurité, la conformité réglementaire et l’intégration dans le flux BIM.

Comment aborder la conception d’une installation photovoltaïque pour la première fois ?

Pour une approche correcte, il est nécessaire de suivre une rigueur méthodologique qui part de la compréhension du contexte et des besoins. Les étapes clés incluent : 

1. L’analyse du besoin énergétique de l’utilisateur pour maximiser l’autoconsommation ;
2. Le relevé technique pour évaluer les contraintes environnementales telles que l’orientation (Azimut), l’inclinaison (Tilt), l’analyse des ombres et l’état des toitures ;
3. Le choix de la technologie et des composants (modules et onduleurs) ;
4. L’intégration entre projet et réalité réglementaire pour la gestion de l’itinéraire bureaucratique.

Quels sont les facteurs clés à considérer dans la conception ?

Les facteurs clés incluent l’identification des espaces appropriés, la disponibilité de la source solaire basée sur des données climatiques certifiées (composante directe, diffuse et albédo), et les facteurs morphologiques. Il est essentiel d’évaluer les températures de fonctionnement et la ventilation (pour éviter les pertes d’efficacité du module), les pertes de système (chute de tension, mismatching, saleté) et les actions mécaniques telles que le vent et les charges de neige.

Quels sont les critères de vérification électrique pour une installation photovoltaïque ?

Les vérifications électriques doivent être effectuées en tenant compte des températures extrêmes (-10 °C et 70 °C). On vérifie les tensions MPPT (la tension au point de puissance maximale doit se situer dans la fenêtre de l’onduleur), la tension maximale de circuit ouvert (Voc) qui ne doit pas dépasser la tension maximale d’entrée de l’onduleur ou du module, et le courant maximal de court-circuit (Isc). De plus, on vérifie le dimensionnement correct du rapport entre la puissance de l’onduleur et la puissance du générateur (généralement entre 70 % et 120 %).

Comment Solarius-PV simplifie la conception d’installations photovoltaïques ?

Solarius-PV, défini comme le ‘logiciel photovoltaïque’, simplifie le travail en permettant le dessin des surfaces avec des objets graphiques spécifiques ou l’importation DXF/DWG, le positionnement automatique optimal des panneaux, et la simulation avancée des ombrages via un relevé photographique. Le logiciel suggère la configuration optimale pour les onduleurs et les systèmes de stockage, calcule le rendement horaire et la rentabilité économique, fournit une diagnostique opérationnelle en temps réel et permet de réaliser des photoinsertions photoréalistes pour le client.