Système photovoltaïque connecté au réseau

Installer un système photovoltaïque est le meilleur moyen de produire de l’énergie propre et économiser sur les coûts de la facture. Un système de type connecté au réseau (en anglais grid-connected) est le choix le plus indiqué si vous recherchez un approvisionnement stable et la possibilité de céder à l’opérateur national l’énergie électrique produite et non utilisée sur place.

Comment concevoir un système photovoltaïque connecté au réseau ?

Si vous devez concevoir un système photovoltaïque grid connected, ou tout autre type de système photovoltaïque, et que vous souhaitez être sûr qu’il ait un rendement optimal et qu’il soit calculé, positionné et dimensionné au mieux, l’utilisation d’un logiciel spécifique pour le dimensionnement photovoltaïque peut vous être utile. Mais allons-y par étapes et voyons en détail quels types de systèmes photovoltaïques existent, quelles sont leurs caractéristiques principales et quels outils utiliser pour éviter les erreurs d’évaluation.

Qu’est-ce qu’un système photovoltaïque connecté au réseau

Un système photovoltaïque grid-connected, ou système photovoltaïque connecté au réseau, est un système de génération d’énergie solaire qui est connecté au réseau électrique national ou local. Ce type de système exploite l’énergie solaire pour générer de l’électricité via des panneaux photovoltaïques, puis transmet l’énergie produite, en totalité ou en partie, directement au réseau électrique, convertie en courant alternatif.

Pour approfondir, lisez aussi Types d’installations photovoltaïques : caractéristiques et avantages.

Composants principaux d’un système solaire connecté au réseau

Les systèmes connectés au réseau incluent : 

• modules photovoltaïques : monocristallins ou polycristallins, avec des caractéristiques spécifiques ;
• onduleurs de chaîne, micro onduleurs ou onduleurs centraux : conversion DC/AC, MPPT intégrés, fonctions de soutien au réseau ;
• tableaux électriques DC/AC : protections contre les surintensités, surtensions et isolation ;
• système de surveillance : passerelle, capteurs d’irradiance, température des modules ;
• structures de montage : systèmes aérés, lestés ou intégrés à la couverture ;
• câblages et connecteurs certifiés : classe II, résistants aux UV et conformes aux normes ;
• dispositifs d’interface réseau : protections anti-islanding et dispositifs de sectionnement.

Comment ça fonctionne

Le système photovoltaïque connecté au réseau est composé d’un champ photovoltaïque dédié à la collecte d’énergie solaire, divisé en différentes chaînes de modules photovoltaïques disposés en parallèle.

Il est essentiel d’orienter les panneaux photovoltaïques de manière optimale pour bénéficier de l’exposition au soleil. L’exposition optimale est entre sud, sud-est/ouest, est, mais il faut également tenir compte de facteurs plus spécifiques tels que la présence d’arbres ou de bâtiments environnants pouvant projeter de l’ombre sur les panneaux, les reliefs montagneux, etc.

L’élément distinctif d’un système grid connected est l’onduleur, nécessaire pour convertir l’énergie générée par le champ photovoltaïque, c’est-à-dire le courant continu (CC), en énergie pour le réseau électrique sous forme de courant alternatif (CA). Il est à noter qu’étant «connecté au réseau», le système nécessite des câbles de connexion résistants aux températures élevées et aux rayons UV.

Toutes ces parties contribuent au fonctionnement du système et à la production d’énergie qui est ensuite injectée dans le réseau national.

Modélisation 3D et dimensionnement de l’installation photovoltaïque issu du logiciel Solarius-PV

Types de systèmes photovoltaïques

Il existe plusieurs types de systèmes photovoltaïques qui se différencient par l’utilisation de l’électricité produite : 

• systèmes photovoltaïques autonomes (stand-alone ou off-grid) : ces systèmes ne sont pas connectés au réseau électrique de distribution, donc l’énergie produite est entièrement utilisée pour répondre aux besoins du bâtiment individuel sur lequel ils sont installés ou à proximité. Les systèmes photovoltaïques autonomes représentent la solution optimale pour garantir la production d’énergie même dans des zones isolées non desservies par le réseau électrique de distribution ;
• systèmes photovoltaïques connectés au réseau (grid-connected) : dans ce contexte, le système est connecté au réseau électrique. L’énergie produite est prélevée par le gestionnaire du réseau de distribution, tandis que, inversement, elle est fournie par le gestionnaire du réseau électrique pendant les heures où le système ne produit pas d’énergie. L’électricité produite et injectée dans le réseau constitue un crédit pour l’utilisateur ;
• systèmes photovoltaïques hybrides : ces systèmes sont connectés au réseau électrique, mais la présence d’une batterie permet d’utiliser l’énergie solaire stockée pour répondre entièrement aux besoins de l’utilisateur. Si l’énergie stockée est également consommée, le bâtiment se reconnectera au réseau via une centrale électrique.

En fonction de l’emplacement des panneaux, on trouve également des systèmes photovoltaïques : 

• sur toiture ;
• sur façade ou brise-soleil de bâtiments neufs ou existants ;
• au sol (parcs photovoltaïques avec des panneaux du type «suiveur solaire») ;
• sur terrasse plate ;
• sur auvent photovoltaïque (parking).

Installation d’un système photovoltaïque sur le toit

Fonctionnement en autonome et connecté au réseau des systèmes photovoltaïques : les différences

Les différences majeures entre un système photovoltaïque connecté au réseau et un système autonome concernent la connexion au réseau électrique, la gestion de l’énergie et l’indépendance énergétique. Voici un aperçu des différences : 

• connexion au réseau
  • connecté au réseau : ce type de système est relié au réseau électrique national ou local. L’énergie produite peut être utilisée localement et/ou injectée dans le réseau. De plus, lorsque le système ne produit pas suffisamment d’énergie, il est possible de puiser de l’électricité depuis le réseau
  • autonome : dans un système autonome, l’énergie produite est utilisée directement pour alimenter les charges locales ou stockée dans des batteries de stockage pour une utilisation lorsque le soleil n’est pas disponible (nuits, journées peu ensoleillées, etc.). Aucune connexion au réseau électrique externe n’est établie
• gestion de l’énergie
  • connecté au réseau : dans un système connecté au réseau, l’excès d’énergie peut être injecté dans le réseau, et le propriétaire peut recevoir des crédits ou des compensations pour cette énergie. L’approvisionnement en énergie depuis le réseau est possible lorsque le système ne produit pas suffisamment
  • autonome : dans un système autonome, l’énergie doit être gérée localement. Des systèmes de stockage d’énergie, tels que des batteries, sont souvent présents pour assurer un approvisionnement continu lorsque le soleil n’est pas disponible
• fiabilité énergétique
  • connecté au réseau : les systèmes connectés au réseau offrent une plus grande fiabilité, car ils peuvent puiser de l’énergie depuis le réseau lorsque la production solaire est insuffisante
  • autonome : les systèmes autonomes dépendent entièrement de la production solaire et de la capacité des batteries à stocker de l’énergie. Leur fiabilité est liée aux conditions météorologiques et à la taille du système de stockage
• applications et utilisation
  • connecté au réseau : couramment utilisé dans les zones urbaines et suburbaines, le système connecté au réseau est adapté à ceux qui souhaitent contribuer à l’énergie renouvelable, bénéficier des tarifs de comptage net et disposer d’une alimentation énergétique fiable
  • autonome : les systèmes autonomes sont idéaux dans des endroits isolés où l’accès au réseau électrique n’est pas disponible. Ils sont souvent utilisés dans des applications telles que les stations météorologiques, les systèmes de pompage d’eau ou les habitations hors réseau.

En résumé, la principale distinction entre les deux types de systèmes réside dans la connexion ou non au réseau électrique, entraînant des différences dans la gestion de l’énergie et la fiabilité énergétique.

Conception d’un système photovoltaïque

La conception d’un système photovoltaïque nécessite une planification précise et la prise en compte de différents facteurs, notamment : 

• Analyse du site
  Localisation géographique : évaluez l’emplacement du site pour déterminer l’exposition au soleil et la quantité de rayonnement solaire disponible
  Ombrage : identifiez d’éventuels obstacles tels que des arbres ou des bâtiments pouvant causer des ombrages sur les panneaux photovoltaïques.
• Dimensionnement du système
  Calcul de la charge énergétique : estimez la consommation énergétique quotidienne du bâtiment ou de l’appareil auquel le système sera connecté
  Dimensionnement des installations : déterminez la taille du système en fonction de la puissance requise et du rayonnement solaire prévu.
• Sélection des composants
  Panneaux photovoltaïques : choisissez des panneaux avec une efficacité et une capacité adaptées
  Onduleur : sélectionnez un onduleur adapté à la puissance des panneaux photovoltaïques. Vous pouvez opter pour des onduleurs centralisés ou des onduleurs de chaîne selon le projet
  Structures de support : évaluez les options de montage des panneaux, telles que les cadres fixes, les systèmes de suivi solaire ou les structures intégrées aux bâtiments.
• Conception du système
  Configuration du tableau : déterminez l’orientation et l’inclinaison optimales pour maximiser le rayonnement solaire
  Disposition des éléments : planifiez l’emplacement des panneaux, des onduleurs et des câbles en fonction des caractéristiques du site.
• Évaluation économique
  Analyse financière : évaluez le retour sur investissement (ROI) et les avantages fiscaux
  Coûts : calculez les coûts initiaux et opérationnels de l’ensemble du système.

Tous ces aspects peuvent être considérés de manière beaucoup plus simple en utilisant un processus guidé, grâce à un logiciel de dimensionnement photovoltaïque.
Dans cette vidéo, je vous montre un exemple pratique pour savoir comment procéder.

Comment les systèmes photovoltaïques connectés au réseau s’intègrent dans la conception des bâtiments

L’intégration des systèmes photovoltaïques connectés au réseau dans la conception des bâtiments nécessite une approche multidisciplinaire impliquant l’architecture, l’ingénierie électrique, structurelle et technique. Dès les premières phases de concept, le FV doit être considéré comme une partie intégrante du projet, non comme un simple composant additionnel : cela signifie évaluer les surfaces disponibles, les orientations favorables, les contraintes esthétiques et paysagères, ainsi que les besoins énergétiques du bâtiment.

L’intégration peut se faire de deux manières principales : BAPV (Building-Applied PV), où les modules sont installés sur des surfaces existantes comme les toits et les façades, et BIPV (Building-Integrated PV), où les modules photovoltaïques remplacent des éléments de construction traditionnels tout en remplissant également des fonctions architecturales telles que des protections solaires, des garde-corps, des revêtements de façade ou des composants de toiture.

D’un point de vue électrique, une installation connectée au réseau doit être conçue pour garantir la sécurité, l’efficacité et la conformité réglementaire : cela implique une configuration correcte des chaînes, le choix des onduleurs appropriés, le dimensionnement des tableaux d’interface et le respect des normes de connexion au réseau national. Architectoniquement, la conception doit tenir compte de l’intégration visuelle des modules, de l’accessibilité pour la maintenance, des ombres générées par des éléments du bâtiment et des charges supplémentaires sur la structure. L’utilisation de logiciels de simulation énergétique et d’outils BIM permet d’intégrer le photovoltaïque dans le modèle numérique du bâtiment, de vérifier les interférences, d’évaluer la productivité par rapport à l’irradiation et d’optimiser la disposition sur la base de données réelles.

Une installation FV connectée au réseau, si correctement intégrée, contribue à atteindre les normes énergétiques contemporaines — telles que NZEB, certifications LEED ou protocoles locaux — améliorant les performances du bâtiment tant au niveau de la consommation énergétique que du cycle de vie. L’attention portée à la préparation des espaces pour les onduleurs, les canalisations, les systèmes de surveillance et les futures intégrations (comme les batteries ou les véhicules électriques) rend le bâtiment plus flexible et prêt à s’adapter aux futurs développements technologiques. En résumé, l’intégration des systèmes photovoltaïques connectés au réseau n’est pas seulement une question d’installation, mais un processus de conception complet qui harmonise forme, fonction et performance énergétique, contribuant à la construction de bâtiments plus durables et intelligents.

Meilleures pratiques d’orientation et d’inclinaison des modules photovoltaïques

Les meilleures pratiques pour l’orientation et l’inclinaison des modules photovoltaïques visent à maximiser l’irradiation sur le plan des panneaux et donc la production d’énergie, en tenant compte de variables géométriques, environnementales et techniques.

En général, dans l’hémisphère nord, l’orientation idéale est vers le Sud, avec une tolérance de ±15–30° qui entraîne des pertes minimales ; des déviations plus larges vers l’Est ou l’Ouest réduisent la production annuelle mais peuvent être stratégiques lorsque l’on souhaite optimiser l’autoconsommation à des heures spécifiques.

L’inclinaison optimale dépend en revanche de la latitude : en France, des valeurs comprises entre 25° et 35° garantissent le meilleur rendement annuel, tandis que des inclinaisons plus élevées améliorent la production hivernale et celles plus réduites favorisent celle estivale, tout en réduisant l’auto-nettoyage naturel des panneaux.

Les ombres représentent l’un des principaux facteurs de perte et nécessitent des analyses dédiées avec des logiciels professionnels et le calcul des distances minimales entre les rangées sur les toits plats pour éviter les ombrages internes, souvent de l’ordre de 1,5–2,5 fois la hauteur du module.

La ventilation des panneaux est également cruciale : maintenir un espace de 5–12 cm par rapport à la surface de support réduit les températures de fonctionnement et donc les pertes liées au coefficient thermique. L’aspect électrique impose des attentions supplémentaires, car des ombres partielles sur un seul module peuvent compromettre l’ensemble de la chaîne : pour cela, il est de bonne pratique de séparer les orientations et les inclinaisons différentes sur des MPPT différents et éventuellement d’utiliser des optimiseurs ou des micro onduleurs dans des contextes particulièrement hétérogènes.

L’inclinaison influence également les sollicitations structurelles dues au vent et à la neige, qui augmentent sensiblement pour des inclinaisons supérieures à 35° ou inférieures à 10°, raison pour laquelle sur les toits plats, on adopte souvent un compromis entre 10° et 15°, utile également pour maximiser la densité d’installation.

Enfin, des surfaces à haute réflectance ou des modules bifaciaux peuvent nécessiter des inclinaisons différentes pour tirer parti de la contribution de l’albédo. Dans l’ensemble, une approche intégrée qui considère l’orientation, l’inclinaison, les ombres, l’aération, la disposition électrique et les contraintes structurelles permet d’obtenir des installations plus efficaces, fiables et cohérentes avec les besoins énergétiques et architecturaux du projet.