Comment mener à bien un projet photovoltaïque ?
Un “ toit solaire photovoltaïque raccordé au réseau ” (que nous appellerons “ toit solaire ”) est un générateur photovoltaïque installé chez l’utilisateur, et qui est raccordé au réseau de distribution de la compagnie électrique par l’intermédiaire de l’installation électrique intérieure.
Il est composé d’un ou plusieurs champs de panneaux produisant du courant continu. Ce courant est ensuite transformé par un ou plusieurs onduleurs en courant alternatif compatible avec les exigences de qualité, de fiabilité et de sécurité du réseau.
Le courant produit peut être soit :
- consommé directement par le foyer : seul le surplus est vendu en cas d’excédent et le courant nécessaire lorsque la consommation dépasse la production (nuit, ciel couvert, brouillard) est fourni par le réseau ;
- injecté directement dans le réseau : la totalité du courant produit est vendu et la totalité du courant consommé est fournie par le réseau.
Compte tenu des lois de la physique, l'électricité sera dans tous les cas utilisée au plus près de son lieu de production. Pour soutenir le développement de la filière, le tarif d'achat du kWh produit par une installation photovoltaïque est supérieur au prix pratiqué par les compagnies électriques pour la vente d'électricité à leurs clients. Il est donc nécessaire de compter séparément les kWh injectés et ceux prélevés sur le réseau, ce qui oblige à installer deux compteurs unidirectionnels (électroniques). En cas d’arrêt de la distribution d’électricité venant du réseau (panne, travaux de la compagnie d’électricité), l’onduleur ne débite aucun courant sur le circuit intérieur ni sur le réseau.
Son installation, sur le toit ou la façade de n’importe quel bâtiment raccordé au réseau et disposant d’une surface suffisante (avec un minimum raisonnable de 10 m2), orientée le plus possible vers le Sud (au moins entre Sud-Est et Sud-Ouest), et si possible sans obstacle masquant la course du soleil en toute saison. Différentes solutions techniques et architecturales peuvent être envisagées.
La production annuelle d’électricité d’un toit solaire peut être calculée avec une marge d’erreur inférieure à 10 %. Elle dépend :
• de l’ensoleillement annuel du site, qui peut être évalué assez précisément pour presque tous les sites en Europe et même dans le monde entier
• d’un facteur de correction calculé à partir de l’écart d’orientation par rapport au Sud, de l’inclinaison des panneaux par rapport à l’horizontale et le cas échéant, des ombrages relevés sur le site
• des performances techniques des modules photovoltaïques et de l’onduleur (rendement et disponibilité).
Principe :
Les modules photovoltaïques transforment l’énergie du rayonnement solaire directement en électricité. La conversion directe a lieu dans un semi-conducteur (aujourd’hui principalement en silicium).
Un onduleur permet de transformer le signal continu (DC) - quelques centaines de volt 10 à 13 A environ - sortant des modules photovoltaïques en courant alternatif (AC) - 230 V - exploitable par la plupart des appareils et par le réseau.
Il existe plusieurs solutions techniques et plusieurs modes de pose : les systèmes incorporés en toiture, les membranes photovoltaïques...
Conception :
ATTENTION : Le principal risque rencontré concerne le défaut d'étanchéité. Il faut également faire attention au risque d'incendie.
Respect des règles d’urbanisme
• Travaux sur bâtiments neufs : l'installation photovoltaïque fait partie de la demande de permis de construire.
• Travaux sur bâtiments existants : l'installation est soumise à déclaration préalable auprès de la mairie.
Dimensionnement
Le système photovoltaïque pouvant être un élément constitutif de la toiture, il doit être dimensionné, ainsi que son support, en fonction des règles de calculs, en particulier les règles neige, vent et sismique en vigueur dans le lieu considéré.
ATTENTION
La position du champ sur la toiture (en rive ou centrée) à une incidence sur les efforts appliqués à la charpente .
La puissance-crête d’un toit solaire, donnée en Wc ou kWc, mesure la puissance théorique maximale que ce toit peut produire dans des conditions standards d’ensoleillement. La carte ci-contre donne la production électrique moyenne attendue dans les conditions optimales d’installation pour un toit solaire d’une puissance de 1 kWc (environ 10 m2). Voir tableau ci-dessous.
Orientation, inclinaison, masques
Une bonne orientation permet d'optimiser la production d'électricité.
En France métropolitaine, l’orientation optimale est le sud, avec 30-35° d’inclinaison. Le schéma ci-dessous représente le pourcentage de production par rapport à l'optimum.
Il faut éviter les masques, car la chute de rendement qu' ils engendrent est bien supérieure au pourcentage de la surface de capteur occulté.
• Il faut anticiper la croissance des arbres.
• Il faut se renseigner sur la constructabilité des abords (POS ou PLU).
• Il faut dimensionner et calepiner les chaînes de manière à minimiser l'effet des masques.
Pour limiter l'effet de masque, il est obligatoire que les modules soient équipés de diodes bypass ; elles permettent de limiter leur incidence ainsi que les problèmes de surchauffe. Elles sont le plus souvent incorporées au produit. Il convient de s'assurer que le fabricant en équipe ses panneaux.
La production attendue d’un toit solaire peut être rapportée à la consommation du lieu (mesurée ou prévue) et s’exprimer en pourcentage des besoins. Par exemple, 10 m2 en France peuvent produire de 30 à 50 % de la consommation spécifique (hors chauffage électrique) d’une famille.
Durée de vie des panneaux : Les fabricants de panneaux cristallins, actuellement les plus répandus, garantissent une perte de rendement inférieure à 5 ou 10% pour une durée de 25 à 30 ans. Le rendement des panneaux au silicium amorphe, moins performants mais aussi moins chers, ne tient pas aussi longtemps. Dans un futur proche, les filières “ couches minces ” rassembleront les avantages de ces deux technologies : le bas prix du silicium amorphe, l’efficacité et la fiabilité des produits cristallins.
L’installation d’un toit solaire. Un toit solaire a généralement une taille comprise entre 10 et 30 m2 – une surface non négligeable : il faut donc tout d’abord choisir l’emplacement exact du champ de panneaux.
L‘idéal est une orientation plein Sud avec une inclinaison par rapport à l’horizontale comprise entre 15 et 45 ° en Europe du Sud et entre 25 et 60 ° en Europe du Nord. Dans le cas d’un bâtiment neuf, ces prescriptions doivent être intégrées dès la phase de conception, mais il faut à ce qu‘elles interfèrent avec d’autres paramètres plus ou moins contraignants comme l’orientation du bâtiment, l’inclinaison du toit, les masques inévitables, le risque de vandalisme, la réglementation esthétique, l’accessibilité physique... de telle sorte que le choix final ne sera probablement pas autre chose qu’un compromis.
Pour obtenir une production maximale du toit solaire, il faut donc éviter tout ombrage des panneaux pendant la période d’ensoleillement à tout moment de la journée et aux différentes saisons.
Attention ! Si un seul panneau dans une série est ombragé, même partiellement, c’est la production de la série tout entière qui peut être diminuée. Il faut donc apporter un soin particulier à cette question. Il est parfois impossible d’éviter totalement les masques : montagnes, arbres, cheminée, poteau électrique... peuvent constituer autant d’obstacles qui vont provoquer des pertes plus ou moins importantes. On peut tailler un arbre, mais il est difficile de déplacer une montagne !
Vos cheminées et vos antennes satellites peuvent avoir un impact non négligeable sur la production annuelle s’ils sont trop proches des modules. Pensez à vérifier que ces éléments ne porteront aucun ombrage à votre système. C’est pourquoi il peut être utile de mesurer ces pertes à l’aide d’un "relevé de masques". Une méthode simplifiée peut vous être envoyée par l’association Hespul »
Une fois qu’un compromis raisonnable a pu être trouvé, la production attendue (en kWh par kWc par an) peut être estimée à partir de la production théorique donnée pour une orientation idéale. Le facteur de correction à appliquer peut être déduit des différents angles par rapport à l’horizontale et par rapport au Sud. A l’aide de ce facteur, il est possible de déduire la production moyenne à attendre d’un champ de panneaux d’une puissance donnée en multipliant simplement le chiffre par la puissance nominale.
Il existe trois manières de concevoir un toit solaire :
•un système centralisé, avec un seul onduleur dimensionné pour la puissance totale des panneaux
• un système “ modulaire ”, avec plusieurs petits onduleurs, chacun relié à une série de panneaux
• un système avec “panneaux alternatifs”, chaque panneau étant équipé d’un tout petit onduleur à la place du boîtier de connexion habituel
Chaque système a ses avantages et ses inconvénients et le choix peut se faire sur la base de critères techniques, financiers ou commerciaux. Le système “ modulaire ” semble le mieux adapté aux petites installations, car plus souple, plus performant, plus sûr et en principe moins coûteux, mais l’évolution des technologies des onduleurs est si rapide que cela peut changer. En tout état de cause, le champ de panneaux et le ou les onduleurs doivent être correctement dimensionnés les uns par rapport aux autres afin d’optimiser techniquement et économiquement l’installation. La puissance nominale de l’onduleur doit être comprise entre 70 %et 100 %de la puissance-crête du champ de panneaux. Par exemple, un champ de 1 kWc recevra un onduleur de 700 W (600 W pour une façade). Dans l’autre sens, un onduleur de 1 kW doit correspondre à un champ de 1,4 kWc, (1,6 kWc pour une façade).
La puissance-crête ne doit jamais (sauf cas très particulier) être inférieure à la puissance de l’onduleur (1 kW pour 1 kWc), faute de quoi l’onduleur serait sous-utilisé, ou le champ de panneaux surdimensionné, conduisant dans les deux cas à un mauvais équilibre économique.
Le meilleur compromis entre efficacité, fiabilité et prix doit être actuellement recherché du côté des modules “ cristallins ”. Mais d’autres filières, comme les couches minces, sont de plus en plus souvent utilisées, notamment avec des produits d'intégration au bâti car elles sont moins sensibles aux risques d’échauffement par manque de ventilation en face arrière. Outre la filière technologique, de nombreux paramètres peuvent influer sur le choix de panneaux, qu’il soit effectué par l’utilisateur lui-même ou par un professionnel. Citons pour mémoire: poly ou mono cristallins (rendement et couleurs différents), opaques ou translucides, avec ou sans cadre aluminium, surface et puissance unitaire, tension, emplacement et taille des boîtiers de connexion, couleur, aspect…
L'incorporation sur toiture inclinée existante :
Lorsque l'on souhaite incorporer un système photovoltaïque à une toiture existante, une vérification préalable doit être effectuée et aura pour but :
• de vérifier la planéité du support (risque de défaut d'étanchéité) ;
• de déterminer si la structure est capable de supporter le système (risque d'effondrement) ;
• de localiser les contreventements (risque d'effondrement) et de les reconstituer le cas échéant ;
• d'identifier la nature des matériaux (combustibilité, inflammabilité) sous la toiture (risque d'incendie) ;
• de vérifier si le module photovoltaïque pourra être ventilé en sous-face ou non (risque d'incendie, vieillissement...) ;
• de choisir un système d'étanchéité adapté à la nature de la toiture (bacs acier, tuiles, ardoises...).
Onduleur :
L'onduleur doit être conçu spécifiquement pour le raccordement au réseau. Son dimensionnement et le fait qu'il soit installé dans un local ventilé, accessible et sec auront une influence forte sur le rendement de l’installation et sur sa durée de vie.
Le choix de l'onduleur doit être fait en fonction de toutes les caractéristiques de l'installation et des données du constructeur.
La nouvelle génération de ces appareils de haute technologie est relativement fiable. D’après les fabricants, ils doivent tenir 10 ans en moyenne avant la première panne. Le prix de l’onduleur représente en principe 10 à 20% de l’investissement global; son coût de remplacement en cas de panne après la période de garantie peut donc être pris en compte dans le calcul du retour sur investissement.
Un toit solaire étant modulaire, il doit en principe être facile d’en remplacer une partie en cas de défaillance, à condition que cela ait été prévu lors de la conception du projet et que les fabricants proposent des produits de dimensions et de caractéristiques identiques... De même, un toit solaire peut être agrandi et complété par un autre toit solaire à tout moment, éventuellement avec des équipements de modèles différents. La compatibilité des onduleurs aux normes sévères du réseau garantit aussi la compatibilité des onduleurs entre eux.
L'onduleur assume une fonction de liaison directe avec le réseau électrique et il est susceptible de causer de graves dommages : il doit donc répondre à des impératifs concernant la qualité du courant (tension, fréquence, phasage), la sécurité (risque de production sur le réseau lorsque ce dernier est coupé) et de fiabilité (les performances ne doivent pas diminuer dans le temps).
Il n'existe pas actuellement de norme européenne unifiée pour les onduleurs de connexion, mais en France la norme allemande DIN VDE 0126 1.1 (ou antérieure) et la norme CEI NF 61000 3-2 servent de référence et sont reconnues ; il vaut toutefois mieux s'assurer auprès de son fournisseur de la compatibilité de l'onduleur.
D'autres éléments, à vérifier sur la fiche technique des onduleurs, doivent permettre de s'assurer de la qualité de l'offre :
• rendement de l'onduleur supérieur à 90%pour une charge égale à 10% de sa charge nominale (par exemple, un onduleur de 1 000 Watts chargé à 10%, c'est à dire lorsque les modules PV produisent 100 Watts, doit avoir un rendement au moins égal à 90%)
• rendement maximum de l'onduleur proche de 95% (les meilleurs onduleurs du marché ont un rendement maximum égal à 96%)
• les paramètres internes doivent être réglables pour s'adapter au réseau électrique local (en général meilleur en zone urbaine et lorsque les câbles sont enterrés) et pouvoir être réajustés après quelques mois de fonctionnement.
• une protection contre les surtensions venant par le réseau (foudre) doit être prévue dans l'onduleur. Si ce n'est pas le cas, un électricien local pourra installer une protection externe, mais le fournisseur devra en tout cas donner une information claire à ce sujet, car il s'agit de loin de la principale cause de pannes.
La localisation des éléments résultera la plupart du temps d’un compromis entre plusieurs contraintes parfois contradictoires. Quelques règles de base doivent cependant rester à l’esprit :
• en plus des contraintes techniques, le choix de l’emplacement du champ de capteurs doit prendre en compte les aspects visuels et esthétiques, tout en diminuant au maximum la distance panneaux-onduleur pour éviter des pertes en ligne trop importantes.
• Les onduleurs doivent être situés à un endroit aéré et accessible, et protégés de la pluie et des rayons directs du soleil.
• Bien qu’il soit censé ne jamais fonctionner la nuit, un onduleur peut réveiller un dormeur lorsqu’il se met en route dans un environnement silencieux. Il vaut donc mieux éviter de l’installer dans une chambre à coucher.
• Où que l’onduleur soit situé, un dispositif spécifique de coupure côté réseau (fusible, interrupteur, coupe-circuit) doit être facilement accessible à l’extérieur de la maison de façon à être en mesure à tout moment de l’arrêter rapidement.
Ils doivent être conformes aux normes :
• CEI 61727 pour l’interface réseau ;
• DIN VDE 0126-1-1 pour la protection de découplage ;
• EN 55014 (comptabilité électromagnétique);
• CEI 61000- 3-2 (harmoniques) ;
• EN 60950 (sécurité) ;
• CEI 62109.
Un champ de panneaux photovoltaïques doit résister aux intempéries durant au moins plusieurs décennies. Par conséquent, la qualité des jonctions électriques est une question très importante avec principalement deux paramètres à vérifier :
• les câbles électriques extérieurs (entre les panneaux et des panneaux vers l’onduleur) doivent être d’une qualité appropriée. Des câbles à double isolation et résistants aux UV sont fortement recommandés (norme U100 R2V ou H07 RNF).
• les connexions proprement dites et la pénétration des différents éléments (boîtiers de connexion, onduleurs...) doivent être réalisées avec le plus grand soin afin d’assurer durablement une circulation correcte de l’électricité et une bonne étanchéité. L’utilisation de panneaux pré-câblés et de rallonges spéciales équipées de connecteurs rapides étanches et détrompés est une bonne solution. Le surcoût éventuel est largement contre-balancé par une meilleure sécurité et un moindre coût de la pose. Les panneaux photovoltaïques produisent généralement un courant basse tension élevé, de sorte que les pertes dans les câbles peuvent être importantes. Afin d’éviter des pertes trop importantes, il convient de faire attention aux points suivants :
• les sections de câbles doivent être correctement calculées pour que les pertes ne dépassent pas 3% (idéalement 1%).
• une disposition des panneaux en série sera préférée à une disposition en parallèle, de façon à augmenter la tension nominale du champ (en Volts). Cela permet de générer moins de pertes, mais attention : si un seul panneau est occulté, la puissance de toute la série diminue. Il peut être utile de vérifier que le fournisseur ou l’installateur a pris garde à ces questions avant que le travail ne soit terminé.
Le Cheminement des câbles
Le cheminement des câbles doit être conçu de manière à :
• pouvoir séparer les câbles AC et DC ;
• ne pas créer de boucles électromagnétiques ;
• rendre accessible les boîtes de jonction et les connecteurs ;
• empêcher les câbles de pendre.
Protection contre les chocs électriques par contact direct
Pour éviter les chocs électriques (modules, onduleur), il faut utiliser des connecteurs DC spécifiques pour relier les principaux composants et n'utiliser entre eux que les connecteurs du même fabricant, de même marque et de même type. Les connecteurs ne sont pas débrochables sans outils.
Si les coffrets et armoires contenant des parties actives sont accessibles aux personnes non qualifiées et s'ils peuvent être ouverts sans clés ni outils, le matériel électrique doit posséder le degré de protection minimum IP2X ou IPXXB.
Protection contre les chocs électriques par contact indirect
Côté DC : utiliser des composants de classe II ou équivalents sur tout le matériel utilisé (modules PV, câbles, boîtes de jonction...) (1).
Côté AC : prévoir un disjoncteur (différentiel 30 mA pour une habitation).
Utiliser des connexions adaptées en cuivre et/ou aluminium (pour éviter les couples électrolytiques).
Protection contre les surintensités
Côté DC : si le nombre de chaînes en parallèle est supérieur à 2, prévoir des dispositifs de protection des modules contre les courants inverses (selon UTE C 15-712-1).
Côté AC :
• protection contre les courts-circuits : un pouvoir de coupure de 3 kA est suffisant contre les courts-circuits en aval du point de livraison ;
• conformité à la NF C 15-100 (section 433).
Protection contre les surtensions d'origine atmosphérique
La mise en œuvre de protection contre les surten- sions d'origine atmosphérique sont définies par la NF C 15-100 et le guide UTE C 61-740-52.
Selon ce guide : “L'utilisation de parafoudres du côté CC et CA d'une installation PV est obligatoire, sauf spécification contraire sur la base d'un calcul d'évaluation des risques réalisés conformément à la NF EN 62305-2 (voir annexe B)”. Certains compléments figurent dans l'UTE C 15-712-1.
En cas de mise en œuvre de parafoudres AC sur le tableau électrique général, ceux-ci devront être conformes à la norme NF EN 61643-11 et mis en œuvre suivant le Guide UTE 15-443. Ils viennent en complément des dispositifs parafoudres de l’installation photovoltaïque.
Des dispositifs assurant la déconnexion des parafoudres doivent être prévus. Afin de protéger l'installation contre les effets de la foudre, il faut interconnecter toutes les masses (onduleur, structure métallique des modules, des supports) à la prise de terre du bâtiment .
Les points sensibles à surveiller lors de la mise en œuvre :
Les principaux points sensibles sont les suivants :
• l’étanchéité : passage des fixations et passages des câbles, assemblage des modules entre eux et avec les éléments de couverture ;
• le manque de ventilation en sous-face des modules provoque une élévation de leur température et de la lame d'air située en sous-face des modules. Ceci engendre une baisse de rendement et un risque de dégradation des matériaux environnants ;
• la compatibilité des matériaux entre eux ;
• les circuits DC doivent emprunter des cheminements différents des circuits AC.
Sur le personnel et la préparation de chantier. La préparation de chantier doit être réalisée par un professionnel expérimenté, formé aux techniques des systèmes photovoltaïques. Il existe des signes de qualité qui valorisent la compétence des entre- prises (voir la liste sur le site de l’AQC : www.qualiteconstruction.com).
L'entreprise d’installation doit avoir les compétences mixtes requises en couverture/ étanchéité et en électricité, ou s'associer avec une entreprise disposant de compétences complémentaires. Elle doit être assurée spécifiquement pour ces travaux sous garantie décennale.
En fonction de la tâche à effectuer, l'intervenant assurant la mise en œuvre électrique doit disposer d'une habilitation électrique au sens de la NF C 18-510.
Il faut approvisionner un nombre suffisant de connecteurs adaptés à ceux pré-installés sur le module et disposer de la pince à sertir correspondante.
Points à surveiller lors de l'incorporation au bâti. La mise en œuvre du système doit débuter par le contrôle de la planéité du support pour envisager un éventuel calage du système. Dans le cadre d'utilisation de rails drainants, leur parallélisme doit être vérifié.
L'éclissage des rails peut générer une fuite d'eau.
Veiller à ce que tous les modules soient correctement fixés à leur support et que leur raccordement avec les éléments environnants (tuiles, ardoises...) assure une bonne étanchéité.
Ne pas marcher sur les modules lors de l'intégration car cela peut entraîner la destruction des cellules.
Points à surveiller sur les interférences électromagnétiques. Pour éviter de générer un champ magnétique pouvant perturber l'environnement, la surface des boucles doit être aussi faible que possible. Les câbles DC (+) et (—) et la liaison équipotentielle doivent être jointifs.
Prévoir l'interconnexion des masses entre les différents éléments de l'installation photovoltaïque, et entre cette installation et le bâtiment.
Réception de l'installation. L’installateur remet au client un dossier technique comprenant au minimum :
• un schéma électrique du système photovoltaïque ;
• un plan d’implantation des différents composants ainsi que des liaisons correspondantes ;
• une description de la procédure d’intervention sur le système photovoltaïque et les consignes de sécurité.
Un certain nombre de démarches sont à entreprendre avant de faire installer un "toit solaire". Ces démarches concernent essentiellement :
• le financement de l’investissement : subventions, crédit d’impôt, emprunts...,
• l’urbanisme : permis de construire, déclaration de travaux,
• l’obtention du statut de producteur bénéficiant d’une obligation d’achat,
• les relations avec la compagnie d’électricité : contrat de raccordement au réseau et contrat d’achat de l’électricité
Ces démarches peuvent être longues et il y a donc tout intérêt à les faire dans le bon ordre en prévoyant des délais assez importants.
Une amélioration constante et une standardisation facilitent l’installation, mais si cette dernière n’est pas réalisée selon les règles de l’art, l'installation peut être défaillante tant au niveau de la réalisation électrique qu'au niveau de l'intégration dans le bâti. Les puissances et les tensions du courant peuvent s’avérer dangereuses, notamment pendant les travaux, et des pertes de rendement importantes ou des dégâts aux appareils peuvent être constatés ultérieurement.
L'étanchéité et la solidité de la toiture (ou autre surface de pose) peuvent être compromis, avec des conséquences importantes sur l'intégrité du bâtiment. De ce fait, il est impératif que la vérification des travaux et la mise en service soient effectuées par une personne qualifiée et compétente, sans quoi la responsabilité du propriétaire pourrait être engagée en cas d’accident ou de dégâts, et il n'aurait pas de recours en cas de détérioration des équipements ou du bâtiment hôte. Il est fortement recommandé de faire appel à une entreprise ou un artisan compétent et correctement assuré pour les travaux électriques et pour les travaux de couverture (garantie décennale). L’installation peut être réalisée par l’utilisateur lui-même, s’il est sûr de satisfaire aux normes de sécurité, et s’il ne craint pas de se passer de la garantie sur les travaux réalisés mais, même dans ce cas, un contrôle des travaux électriques par le Consuel est obligatoire pour la mise en service du raccordement.
Enfin quelques conseils sur la maintenance et sur l’entretien. La vérification et l'entretien doivent être effectués impérativement par un professionnel. Il est conseillé de les faire réaliser une fois par an.
Ces opérations consistent entre autres aux :
• nettoyage des modules et des chemins d'évacuation des eaux avec le matériel adapté : feuilles, déjections, accumulation sur parties en relief (cadre des modules) ;
• contrôle du fonctionnement des dispositifs de sécurité(fusibles,enparticuliersiexistants);
• examen visuel de l’état des modules, de l’étanchéité, du bon état des câbles le long du circuit ;
• contrôle du bon fonctionnement de l’onduleur ;
• nettoyage des orifices de ventilation de l’onduleur.
Le professionnel doit proposer un contrat d'entretien.
N.B. : il est possible de contrôler régulièrement la production si l'installation est équipée d'un dispositif de monitoring : comparatif par rapport à l’historique, à l’ensoleillement et au prévisionnel. Ne pas marcher sur les modules lors des opérations de maintenance.