Systèmes photovoltaïques non raccordés au réseau : Systèmes autonomes et hybrides de sites isolés

Parmi les systèmes d’énergies solaires photovoltaïques non raccordés au réseau, on peut distinguer les systèmes autonomes fonctionnant sans autre source d’énergie que le photovoltaïque et les systèmes hybrides faisant appel à une ou plusieurs sources d’énergie complémentaires, d’origine renouvelable ou non du type éolien, biomasse, biogaz, hydraulique, groupe électrogène ou autres.

Ces systèmes non raccordés au réseau sont conçus pour apporter avant tout un service aux utilisateurs. C’est pour cela que la notion de système photovoltaïque évoque l’ensemble des composants : production, stockage, gestion, conversion, distribution et utilisation.

Vous trouverez dans nos produits photovoltaïques, plusieurs kits solaires autonomes et hybrides, pompes ou produits spécifiques de haute qualité et garantis qui correspondent à vos besoins de systèmes d’énergies solaires. N’hésitez pas à nous contacter pour vos besoins personnalisés. 

On peut distinguer les systèmes fonctionnant sans stockage (au fil du soleil) et les systèmes avec stockage par accumulateurs.

1. Systèmes photovoltaïques autonomes sans stockage

Ils fonctionnent de la façon suivante (voir Figure 7-Système PV autonome sans stockage – Pompage au fil du soleil)

En journée, le générateur photovoltaïque alimente l’utilisation directement ou via un convertisseur Courant Continu/Courant Continu (CC/CC) ou Courant Continu/Courant Alternatif (CC/AC). La puissance délivrée à l’utilisation est fonction de l’ensoleillement.
Durant la nuit, l’utilisation n’est plus alimentée et donc est à l’arrêt.

Les principales applications photovoltaïques fonctionnant au fil du soleil sont les suivantes : le pompage, la ventilation, la production de froid, le dessalement d’eau de mer, entre autres.

Figure 7 : Schéma de principe d’un système PV autonome sans stockage (pompage au fil du soleil)

 

 

2. Systèmes photovoltaïques autonomes avec stockage

Leur principe de fonctionnement est le suivant.

En journée, le générateur photovoltaïque alimente les récepteurs courant continu en fonctionnement et charge la batterie de stockage. Un contrôleur de charge évite la surcharge de la batterie en cas de surproduction solaire. Durant la nuit et par mauvais temps, les récepteurs sont alimentés par la batterie. Un limiteur de décharge protège la batterie en cas de décharge profonde. En présence de récepteurs fonctionnant en alternatif, un onduleur autonome convertit la tension continue en tension alternative, permettant ainsi leur alimentation.

Figure. 8 : Schéma de principe d’un système PV autonome avec stockage

3. Applications

On peut distinguer les systèmes photovoltaïques autonomes selon leur puissance et leurs applications :

  1. alimentation autonome de produits grand public (lampes solaires ou bornes de jardin) par générateur photovoltaïque de faible puissance,
  2. électrification de bâtiments (de quelques centaines de watts à quelques kW) :
    Ministères, Casernes militaires, Commissariats de Police, Gendarmeries, Ambassades, ONG, centre Radio et TV, centres administratifs sensibles, Résidence de personnalité importante (Présidence, Membres Gouvernement, Députés, Préfets, Maires, etc), organismes secondaire, écoles, banques, agences de transfert d’argent et centres de santé (hôpitaux, cliniques, dispensaires) dans les pays en développement par kits photovoltaïques ( Solar Home Systems -­ SHS), Universités, Instituts, Centres de recherche, etc.
  3.  alimentation d’applications professionnelles (de quelques dizaines de watts à quelques kW): signalisation, protection cathodique, télécom…

 

 

 

 

4. Systèmes photovoltaïques hybrides

On peut considérer deux architectures électriques de systèmes hybrides selon la présence ou non de
stockage :

  • des systèmes photovoltaïques avec accumulateurs couplés avec une source d’énergie renouvelable
    (éolien, microhydraulique…) et/ou un groupe électrogène,
  •  des systèmes photovoltaïques sans accumulateurs couplés avec des groupes électrogènes.

 

4.1. Systèmes photovoltaïque hybrides avec stockage

En journée, le générateur photovoltaïque charge la batterie et alimente simultanément l’onduleur, qui convertit la tension continue en tension alternative et permet l’alimentation des récepteurs fonctionnant en alternatif (Figure 10). Un régulateur ou contrôleur de charge évite la surcharge de la batterie en cas de surproduction solaire.

Vous trouverez dans nos produits photovoltaïques, plusieurs kits solaires hybrides premium ou produits spécifiques correspondants à vos besoins de systèmes hybrides. N’hésitez pas à nous contacter pour vos besoins personnalisés. 

Durant la nuit, l’onduleur est alimenté par la batterie de stockage.

En cas d’insuffisance d’ensoleillement ou de plus forte consommation des récepteurs, un groupe électrogène de secours ou d’appoint permet l’alimentation directe des récepteurs et la recharge de la batterie pour assurer la
continuité de service.

Les systèmes hybrides avec stockage (de quelques kW à quelques centaines de kW) sont très utilisés notamment pour l’alimentation d’habitations individuelles, de refuges de montagne, des relais de télécommunications de
forte puissance, pour l’électrification rurale et villageoise, de gros centres de santé (hôpitaux, cliniques, maternité).

Figure. 10 : Exemple de système hybride

 

4.2. Systèmes photovoltaïques hybrides sans stockage

Les groupes électrogènes alimentent en permanence un réseau électrique de distribution. Le
générateur PV injecte sur le réseau une puissance variable en fonction de l’ensoleillement. Toute l’énergie
délivrée par le générateur PV n’est pas à fournir par les groupes électrogènes et réduit de fait la
consommation de carburant et les coûts d’exploitation (Figures 11 et 12).

Les systèmes hybrides sans stockage (de quelques dizaines de kW à quelques MW) sont essentiellement utilisés pour l’électrification d’administration, de centres de sécurité ou d’entreprises isolées des centre villes (électrification province, rurale) et  pour l’alimentation électrique de mines d’extraction de matières premières nécessitant une puissance élevée.

Figure 11 – Système hybride sans stockage (couplage PV et groupe électrogènes)

 

Figure 11 – Exemple de système hybride PV et Générateur diesel ou ENR – Site isolé.

   

Qu’est ce qu’un panneau photovoltaïque?

Les panneaux photovoltaïques convertissent l’énergie lumineuse en énergie électrique (courant continu DC). On les appelle aussi de modules photovoltaïques.

Ils sont composés de cellules photovoltaïques encapsulées dans un support souple ou rigide. On les distingue généralement par la technologie de cellules dont ils sont composés :

– Panneaux au silicium cristallin (monocristallins ou polycritallins)

– Panneaux au silicium amorphe

– Panneaux multi-jonctions

Les panneaux sont en général reliés en série entre eux de façon à augmenter la tension du système, puis ces séries de panneaux sont reliée entre elles en parallèles de façon à augmenter le courant. Ces groupes de chaînes sont ensuite connectés à un chargeur DC/DC et à des batteries, ou à un onduleur pour convertir directement l’énergie continue en courant alternatif pour l’usage courant.

Exemple de panneaux photovoltaïques :

panneau solaire photovoltaïque cristallin

Panneau photovoltaique cristallin

Puissance crète d’un panneau photovoltaïque

La puissance que peut fournir un module est fonction de sa surface et de l’ensoleillement incident. Elle s’exprime en Watt-crête (Wc) et représente la puissance maximale du module pour l’ensoleillement maximal de référence (1000 Watt par m² (W/m²)).

La tension délivrée par un module dépend du nombre de cellules connectées en séries. Pour les modules de petite puissance (< 75 Wc), la tension d’usage est généralement comprise entre 12 et 15 Volts. Des modules de puissance plus importante sont obtenus par une augmentation du nombre de cellules en série (augmentation de la tension) et augmentation du nombre de branches de cellules en parallèle (augmentation de la valeur du courant). La tension d’usage peut alors être de 12, 24, 48 Volts ou plus selon la configuration du système à alimenter.

 

Différentes technologies de panneaux solaires : rendements, prix, avantages, inconvénients et principaux producteurs

Technologie Rendement Prix (€/m²) Avantages Inconvenients Producteurs
Monocristallin 13-15% 130 – 140 Produit « classique »
forte puissance
Forte baisse de production avec les températures (-0,5%/°C)
dépendance au silicium de bonne qualité
LG                              Victron                    Ecowatt                DualSun            SunPower            Sharp
BP solar
ATEN
Kyocera
Q-cell
Schott
Suntech
Isophoton
Mitsubishi
Tenesol
Photowatt
Polycristallin 11-13% 100 Produit « classique »
forte puissance
Forte baisse de production avec les températures
(-0,5%/°C)
dépendance au silicium
Victron                    Ecowatt                DualSun            SunPower                Sharp
BP solar
ATEN
Kyocera
Q-cell
Schott
Suntech
Isophoton
Mitsubishi
Tenesol
Photowatt
Hybride 15-18% 120 – 140 Résiste aux hautes températures
(-0,3%/°C)
Forte puissance et utilisation du soleil diffus
existe aussi en version transparente
Approvisionnement difficile Sanyo
Amorphe rigide 5-6% 180 fonctionne même à hautes températures (-0,2%/°C)
utilise le rayonnement direct et diffus
Faible puissance Uni solar
Biosol
Kaneka
Schott
Mitsubishi
Amorphe souple 4-5% 100 fonctionne même à hautes températures (-0,2%/°C)
utilise le rayonnement direct et diffus
Très léger
Faible puissance EcoWorthy                  Uni solar
Biosol
Couche mince (tellurure de cadnium) 7-9% Nouvelle technologie Indépendance du silicium
fonctionne même à hautes températures (-0,2%/°C)
utilise le rayonnement direct et diffus
Assez faible puissance
Dangeureusité
First solar
Antec
Couche mince CIS 8-11% 75- 120 Indépendance du silicium
fonctionne même à hautes températures (-0,2%/°C)
utilise le rayonnement direct et diffus
couleur noir
Faible puissance Solar Frontier
Shell solar
Würth solar
Avancis
Nanosolar
Polycristallin gravé 13-14% Nouvelle technologie Produit « classique » légèrement modifié
forte puissance
dépendance au silicium
forte baisse de la puissance à la température (-0,47%/°C)
Schott

Installation de panneaux solaires : vous avez droit à des aides !

L’autoconsommation photovoltaïque, qu’est-ce que c’est ?

L’autoconsommation photovoltaïque est la consommation de sa propre production d’électricité à partir de l’énergie solaire. Elle permet d’utiliser une énergie non polluante et abondante et de réduire sa dépendance vis-à-vis du réseau national d’électricité.

Pour autoconsommer son électricité, il faut en règle générale installer des panneaux solaires sur le toit de son habitation. Selon les zones géographiques, une façade ou un jardin peuvent aussi constituer une alternative à la toiture. Les panneaux sont raccordés à un ou plusieurs ondulateurs qui convertissent le courant continu produit en courant alternatif identique à celui du réseau et utilisable chez soi. Un compteur communicant (comme les compteurs Linky en France) permet de mesurer conjointement la production et la consommation d’électricité. L’ensemble de l’installation est raccordée au réseau national d’électricité (en France).

Il existe différentes options de gestion de l’électricité produite impliquant un contrat et un type de raccordement spécifique :

  • l’autoconsommation totale  : vous consommez la totalité de votre production. Cela vous permet de faire des économies sur votre facture de consommation d’électricité issue du réseau.
  • l’autoconsommation avec vente de surplus : vous consommez votre production et vous vendez le surplus à un organisme habilité. Dans ce cas, vous bénéficiez d’une baisse de votre facture de consommation d’électricité provenant du réseau et vous avez des revenus liés à la vente d’électricité.

Lire aussi : Abonnements d’électricité : tout comprendre en 10 questions

Les aides financières pour la production d’électricité solaire

Afin d’encourager le recours aux énergies renouvelables, l’État a mis en place plusieurs dispositifs pour aider les particuliers à financer leurs travaux d’économies d’énergie.

La prime à l’autoconsommation photovoltaïque

Les installations de vente en surplus sont éligibles à une prime à l’investissement. Cette prime est dégressive et variable en fonction de la puissance de l’installation. Elle est répartie sur les 5 premières années de fonctionnement.

Prime à l’autoconsommation en euros par kWc*
Puissance de l’installation Montant de la prime pour une installation
Inférieure ou égale à 3 kWc 390 €/kWc
Entre 3 et 9 kWc 290 €/kWc
Entre 9 et 36 kWc 180 €/kWc
Entre 36 et 100 kWc 90 €/kWc

(*) KWc = kilowatt-crête, notion permettant de prévoir la quantité d’électricité produite par les panneaux photovoltaïques.

La vente du surplus d’électricité

Depuis 2017, il est également possible de vendre son surplus d’électricité au fournisseur choisi (Électricité de France-EDF ou une régie locale de distribution d’électricité). Les tarifs d’achat sont fixés par l’arrêté du 9 mai 2017 modifié par l’arrêté du 30 juin 2020. Tous les ans, à la date d’anniversaire de la mise en service de votre installation photovoltaïque, vous envoyez votre facture au producteur qui vous achète l’électricité.

Tarifs d’achat photovoltaïque
Puissance de l’installation Prix de revente en surplus au kWh
Inférieure ou égale à 9 kWc 10 centimes d’euros/kWh
Entre 9 et 100 kWc 6 centimes d’euros/kWh

Taux de TVA réduit

Les installations photovoltaïques raccordées au réseau d’une puissance inférieure ou égale à 3 kWc en autoconsommation totale ou vendant le surplus ou la totalité de l’électricité produite peuvent bénéficier d’un taux de TVA à 10 %.

les aides des collectivités locales

Vous êtes peut-être éligible à des aides locales en plus des aides de l’État ! Renseignez-vous auprès de votre mairie, conseil général ou conseil régional pour connaître les soutiens financiers dont vous pourriez bénéficier.

Décroissance du coût des panneaux photovoltaïques

L’essor mondial des systèmes photovoltaïques raccordés au réseau constaté depuis le début du XXIe siècle a permis un changement d’échelle des filières de production et de diffusion des équipements, principalement les panneaux ou modules photovoltaïques et l’électronique de conversion associée. Le prix des modules photovoltaïques qui était de l’ordre de 29 € en 1980, est proche en 2016 du seuil symbolique de 0.5 €/Wc, soit une réduction de coût d’un facteur 50 (Figure 1). Par conséquent le marché des systèmes photovoltaïques raccordés au réseau, autonomes et hybrides connaît depuis quelques années un net accroissement d’intérêt, bénéficiant de la baisse des coûts et de la démocratisation des équipements, renforcé par l’accroissement constant des préoccupations environnementales et la hausse inéluctable des prix des énergies fossiles.

Voir article diffusé sur notre site concernant « l’installation des panneaux photovoltaïques ».

Figure 1: Décroissance du coût des panneaux photovoltaïques en fonction de la production ces 35 dernières années

 

Principe et types de raccordement

Un système photovoltaïque connecté au réseau est raccordé au réseau public de distribution d’électricité ( Exemple de réseau public d’électricité NIGELEC (Niger Electricité), SENELEC (Sénégal Electricité), CIE (Compagnie Ivoirienne d’Electricité), CEB (Compagnie d’Elelectricité du Bénin), EDF (Electricité De  France), régies municipale…).

La connexion ou le raccordement de votre installation d’énergie solaire au réseau public d’électricité nécessite une demande auprès de votre fournisseur du réseau, de l’administration compétente (Mairie, etc), et l’intervention d’un installateur agrée et habilité comme ceux de POWER-AFRICA (nos installateurs sont tous formés, expérimentés, agrées QualiPV/QualiENR et habilités en électricité) pour vous installer votre système d’énergie solaire en toute conformité aux règles administratives et normes en vigueur et en toute sécurité (habilitation électrique). Plusieurs installations non-conformes ont engendré souvent des problèmes, accidents et parfois même des incendies ayant causé des drames et pertes économiques et sociales non prises en charges par les assurances.

L’intervention de nos installateurs agrées vous permettra d’assurer et de garantir votre installation en toute conformité et en toute sécurité.

Principaux équipements et composants

  1. panneaux photovoltaïques
  2. un ou plusieurs coffrets de protection électrique coté courant continu « coffrets DC », ils contiennent des fusibles, interrupteurs sectionneurs, parafoudres.
  3. des supports d’accessoires de systèmes de fixation des panneaux, de câbles solaires, de connectiques, etc.
  4. un ou plusieurs onduleurs qui convertissent l’énergie continue en courant alternatif synchronisé au réseau (230V, 50 Hz pour le Niger, le Sénégal, la Côte d’Ivoire, le Bénin, la France)
  5. un coffret de protection coté alternatif « coffret AC » avec disjoncteur et parafoudre
  6. un ou plusieurs régulateurs de charge pour réguler la charge du système photovoltaïque et en particulier des batteries d’accumulation de l’énergie
  7. un ou plusieurs accumulateurs ou batteries pour le stockage de l’énergie produite par les panneaux photovoltaïques
  8. Eventuellement un système de supervision et surveillance (monitoring).

Les systèmes PV raccordés au réseau sont avant tout des équipements de production destinés à produire de l’énergie électrique d’origine photovoltaïque qui va être injectée sur un réseau électrique alimenté par d’autres sources de production, à partir de machines tournantes de puissance beaucoup plus importante. On peut considérer deux architectures électriques de raccordement, selon que l’énergie produite est consommée sur le site de production (autoconsommation) ou non (injection totale).

1. Systèmes PV raccordés au réseau avec injection totale

Ils peuvent être conçus sans ou avec stockage.

1.1. Injection totale sans stockage

Le principe de fonctionnement de ces systèmes est le suivant (Figure 2 ci-dessous).                                                    Un générateur photovoltaïque transforme directement le rayonnement solaire en électricité. Le courant continu produit par les modules photovoltaïques est transformé, via un onduleur PV, en courant alternatif compatible avec les caractéristiques électriques du réseau public de distribution. L’énergie produite est intégralement injectée sur le réseau public de distribution afin d’être valorisée dans les meilleures conditions économiques pour le producteur. En cas de défaillance du réseau électrique (perte de tension ou tension et fréquence hors tolérance), l’onduleur PV s’arrête de fonctionner.

            Figure 2 : Exemple de système photovoltaïque à injection totale sans stockage

 

1.2. Injection totale avec stockage 

Le principe de fonctionnement est le même que précédemment mais un stockage d’énergie par accumulateurs est intégré à la centrale de production (Figure 3). Toutefois, pour des raisons économiques, le stockage est très limité et a pour but de lisser la production et/ou de restituer l’énergie en fin de journée pour faire face à un pic de consommation sur le réseau électrique.

Figure 3 : Exemple de système photovoltaïque à injection totale avec stockage


2. Systèmes PV raccordés au réseau avec autoconsommation

En autoconsommation, deux configurations sont possibles.

2.1. Autoconsommation sans stockage

Le système photovoltaïque fonctionne comme précédemment mais il est connecté directement sur l’installation électrique intérieure du site (Figure 4).

L’électricité solaire est autoconsommée par les récepteurs en service. Le surplus ou excédent éventuel d’électricité solaire produit est injecté dans le réseau public de distribution.
En cas de défaillance du réseau électrique (perte de tension ou tension et fréquence hors tolérance), l’onduleur photovoltaïque s’arrête de fonctionner et les récepteurs ne sont plus alimentés.
L’intérêt d’un tel système est le suivant :
• pour le producteur/consommateur : réduction de sa facture d’électricité (surtout si le prix du kWh
acheté au réseau est supérieur au coût de l’énergie photovoltaïque produite) et valorisation éventuelle
du surplus d’énergie produite, si un tarif d’achat est institué ;
• pour le gestionnaire de réseau : réduction de la fourniture d’électricité (tout ce qui est fourni
localement n’est pas à produire par les autres sources généralement d’origine fossiles). Cela permet de réduire les délestages électriques et de maintenir à long terme les infrastructures du réseau local.

Figure 4 : Exemple de système photovoltaïque avec autoconsommation sans stockage

 

2.2. Autoconsommation avec stockage

Le principe est le même que précédemment, mais un stockage d’énergie par accumulateurs est intégré au système, ce qui permet de stocker l’énergie produite par le générateur photovoltaïque en journée et de la restituer le soir
pour la consommation locale (Figure 5).
Cependant, pour des raisons économiques, le stockage est limité à quelques heures de fonctionnement et ne permet pas de s’affranchir totalement du réseau électrique.

Figure 5 : Exemple de système photovoltaïque avec autoconsommation avec stockage


L’intérêt d’un tel système est identique au précédent, mais avec un taux d’autoconsommation supérieur. De plus, en cas de défaillance réseau électrique (panne, intervention ou délestage), cette configuration donne souvent la possibilité d’alimenter d’une manière autonome les récepteurs prioritaires pendant quelques heures, et assure ainsi une fonction de secours. Ce qui peut donner une certaine autonomie tout en étant raccordé au réseau électrique. Toutefois, ce système présente l’inconvénient d’un stockage électrochimique entraînant un coût d’investissement entretien, renouvellement, recyclage, entre autres.

3. Applications

On retrouve les systèmes photovoltaïques raccordés au réseau aussi bien au sol que sur des bâtiments
d’habitation, tertiaires, agricoles et industriels. Les centrales de production électrique à base de générateurs photovoltaïques de grande puissance (de quelques MWe à quelques centaines de MWe) sont destinées à être raccordées directement sur le réseau public de distribution en Haute Tension A (HTA), ou sur le réseau de transport en Haute Tension B (HTB).
Ces systèmes (Figure 6 : Exemples de centrales PV (a), (b), et (c) ) comportent de nombreux points forts :

• renforcement de la puissance électrique nationale installée,
• soutien et service au réseau (fourniture de puissance active et réactive, contribution au plan de tension),
• production d’électricité renouvelable à un coût compétitif par rapport aux solutions à base d’énergies fossiles et sans dégagement de gaz à effet de serre,
• sécurité d’approvisionnement compte tenu de la disponibilité de la ressource locale de l’énergie solaire,
• systèmes de production simples et rapides à mettre en œuvre et nécessitant une faible maintenance,
• systèmes fiables, matures avec une durée de vie supérieure à vingt-cinq ans,
• création d’emplois pour l’ingénierie, l’installation, le suivi et la maintenance.En revanche, ils ont aussi quelques points faibles :
• nécessité d’un réseau fiable et stable pouvant supporter le raccordement de la centrale,
• nécessité d’effectuer une étude spécifique du réseau local avant tout raccordement,
• intermittence et variabilité de l’énergie solaire, d’où la nécessité d’un réseau sous tension en permanence alimenté par d’autres sources.
Les centrales photovoltaïques avec stockage se retrouvent essentiellement dans des territoires avec un réseau électrique de faible puissance (non interconnecté) et pour lequel le stockage permet de lisser les pointes de production ou de consommation.

Définition de l’autoconsommation

L’autoconsommation peut se définir comme le fait de consommer sa propre production d’électricité. Elle est associée à la notion d’autoproduction, qui est le fait de produire sa propre consommation. Cette pratique se développe dans un contexte où les coûts de production des installations d’électricité renouvelable diminuent et où les prix de l’électricité augmentent. Cela est particulièrement vrai pour la filière photovoltaïque, qui comprend peu de contraintes d’installation et dont les coûts de production ont très fortement baissé ces dernières années.

Autoconsommation-schéma

Exemple 1 : Si un consommateur, dans sa maison, recourt à une installation photovoltaïque de taille réduite, la production d’électricité de cette installation sera faible. Sa maison pourra donc consommer entièrement la production locale : son taux d’autoconsommation atteindra 100 %. En revanche, dans la mesure où la taille de l’installation ne permettra pas de produire à hauteur de la consommation totale de la maison, le taux d’autoproduction sera très faible. Le consommateur utilisera donc l’électricité du réseau traditionnel pour assurer une partie de sa consommation.

Exemple 2 : Si le consommateur recourt à une installation de taille plus importante qui lui permet de produire son électricité à hauteur de sa consommation totale, le taux d’autoproduction sera de 100 %. Cependant, dans ce cas, il est très probable que, pour couvrir sa consommation, l’installation soit surdimensionnée et produise en excès à des moments de consommation faible. Dans ce cas, l’autoconsommateur aura également besoin du réseau traditionnel pour réinjecter l’électricité produite localement et son taux d’autoconsommation sera vraisemblablement très faible (inférieur à 30 %).

Ainsi, dans la mesure où certaines installations renouvelables ne produisent pas d’électricité en permanence et ne peuvent donc pas couvrir à tout instant les besoins de consommation d’un site (notamment lors des périodes de pointe comme celle de la consommation du soir pour les installations photovoltaïques par exemple), dans la majorité des cas, le site devra pouvoir avoir recours au réseau électrique traditionnel.

Autoconsommation photovoltaïque : consommation directe de l’énergie PV produite

L’autoconsommation de l’énergie solaire photovoltaïque consiste pour un producteur à consommer directement l’énergie solaire produite pour satisfaire tout ou partie de ses besoins en électricité.

Principe et schéma électrique de l’autoconsommation

Un prérequis à toute autoconsommation est que l’installation photovoltaïque soit connectée au réseau électrique privé de consommation (circuit électrique de la maison ou du bâtiment). L’autoconsommation se distingue ainsi de l’injection totale pour laquelle toute l’énergie est injectée sur le réseau public d’électricité via un compteur dédié. Par contre toute installation raccordée en injection du surplus est une installation d’autoconsommation (pour autant qu’il y ait bien une demande d’électricité sur le circuit électrique privé).

Donc dans le cas de l’autoconsommation PV la sortie AC de l’installation solaire est connectée en aval du compteur électrique de consommation de la maison ou du client. Voir le schéma électrique ci-dessous.

autoconsommation solaire photovoltaïque PV

Autoconsommation sans stockage

Dans le cas de l’autoconsommation sans stockage il est généralement impossible de couvrir tous les besoins électriques du site, ne serait-ce que la nuit ou l’installation PV solaire ne produit pas. Selon la puissance du générateur photovoltaïque la part couverte par le solaire peut varier entre 10% et 50%.

Cette part peut être déterminée à l’aide de logiciels dédiés qui peuvent simuler à la fois la consommation électrique du site (on parle de profil de charge de la puissance électrique) et la production des panneaux photovoltaïques. En corrélant les deux simulations le logiciel peut ainsi calculer le pourcentage d’énergie solaire qui sera autoconsommée et la part qui sera injectée sur le réseau.

Une solution pour augmenter la part solaire autoconsommée consiste à utiliser les appareils électriques de préférence en journée (chauffe-eaux électriques, machine à laver, pompes piscines, autres appareils électro-ménager …) au moment où la production photovoltaïque est la plus forte, cela peut être facilité par l’utilisation de programmateurs horaires.

Le système photovoltaïque fonctionne comme précédemment mais il est connecté directement sur l’installation électrique intérieure du site (Figure 4).

L’électricité solaire est autoconsommée par les récepteurs en service. Le surplus ou excédent éventuel d’électricité solaire produit est injecté dans le réseau public de distribution.
En cas de défaillance du réseau électrique (perte de tension ou tension et fréquence hors tolérance), l’onduleur photovoltaïque s’arrête de fonctionner et les récepteurs ne sont plus alimentés.
L’intérêt d’un tel système est le suivant :
• pour le producteur/consommateur : réduction de sa facture d’électricité (surtout si le prix du kWh
acheté au réseau est supérieur au coût de l’énergie photovoltaïque produite) et valorisation éventuelle
du surplus d’énergie produite, si un tarif d’achat est institué ;
• pour le gestionnaire de réseau : réduction de la fourniture d’électricité (tout ce qui est fourni
localement n’est pas à produire par les autres sources généralement d’origine fossiles). Cela permet de réduire les délestages électriques et de maintenir à long terme les infrastructures du réseau local.

Figure 4 : Exemple de système photovoltaïque avec autoconsommation sans stockage

Autoconsommation avec stockage (batterie plomb acide, lithium-ion…)

Pour augmenter encore plus la part d’énergie photovoltaïque directement consommée il est nécessaire d’installer un système de stockage d’énergie qui va permettre de stocker l’énergie lors des phases de surproduction solaire pour la restituer ensuite lors des phases de sous-production solaire, notamment la nuit. De nombreux systèmes entièrement automatisés et intégrés permettent de réaliser cette opération de façon complètement automatisée.

Les batteries qui stockent l’énergie sont généralement de technologie électrochimique type plomb acide ou lithium-ion. Pour les systèmes de plus forte capacité il existe aussi des système de stockage à base d’hydrogène, des volants d’inertie, des batteries à flux Redox, ou des batteries NaS au sulfure de sodium.

Le principe est le même que précédemment, mais un stockage d’énergie par accumulateurs est intégré au système, ce qui permet de stocker l’énergie produite par le générateur photovoltaïque en journée et de la restituer le soir
pour la consommation locale (Figure 5).
Cependant, pour des raisons économiques, le stockage est limité à quelques heures de fonctionnement et ne permet pas de s’affranchir totalement du réseau électrique.

Figure 5 : Exemple de système photovoltaïque avec autoconsommation avec stockage


L’intérêt d’un tel système est identique au précédent, mais avec un taux d’autoconsommation supérieur. De plus, en cas de défaillance réseau électrique (panne, intervention ou délestage), cette configuration donne souvent la possibilité d’alimenter d’une manière autonome les récepteurs prioritaires pendant quelques heures, et assure ainsi une fonction de secours. Ce qui peut donner une certaine autonomie tout en étant raccordé au réseau électrique. Toutefois, ce système présente l’inconvénient d’un stockage électrochimique entraînant un coût d’investissement entretien, renouvellement, recyclage, entre autres.

Qu’est ce que l’effet photovoltaïque

L’effet photovoltaïque utilisé dans les cellules solaires permet de convertir directement l’énergie lumineuse des rayons solaires en électricité par le biais de la production et du transport dans un matériau semiconducteur de charges électriques positives et négatives sous l’effet de la lumière.

Ce matériau comporte deux parties, l’une présentant un excès d’électrons et l’autre un déficit en électrons, dites respectivement dopée de type n et dopée de type p. Lorsque la première est mise en contact avec la seconde, les électrons en excès dans le matériau n diffusent dans le matériau p. La zone initialement dopée n devient chargée positivement, et la zone initialement dopée p chargée négativement.

Schéma de principe de l'effet photovoltaïque: conversion de l'énergie lumineuse en électricité

Il se crée donc entre elles un champ électrique qui tend à repousser les électrons dans la zone n et les trous vers la zone p. Une jonction (dite p-n) a été formée. En ajoutant des contacts métalliques sur les zones n et p, une diode est obtenue. Lorsque la jonction est éclairée, les photons d’énergie égale ou supérieure à la largeur de la bande interdite communiquent leur énergie aux atomes, chacun fait passer un électron de la bande de valence dans la bande de conduction et laisse aussi un trou capable de se mouvoir, engendrant ainsi une paire électron-trou.

Si une charge est placée aux bornes de la cellule, les électrons de la zone n rejoignent les trous de la zone p via la connexion extérieure, donnant naissance à une différence de potentiel: le courant électrique circule (figure). L’effet repose donc à la base sur les propriétés semi-conductrices du matériau et son dopage afin d’en améliorer la conductivité.

Le silicium employé aujourd’hui dans la plupart des cellules a été choisi pour la présence de quatre électrons de valence sur sa couche périphérique (colonne IV du tableau de Mendeleïev). Dans le silicium solide, chaque atome – dit tétravalent – est lié à quatre voisins, et tous les électrons de la couche périphérique participent aux liaisons.

Si un atome de silicium est remplacé par un atome de la colonne V (phosphore par exemple), un de ses cinq électrons de valence ne participe pas aux liaisons; par agitation thermique, il va très vite passer dans la bande de conduction et ainsi devenir libre de se déplacer dans le cristal, laissant derrière lui un trou fixe lié à l’atome de dopant. Il y a conduction par un électron, et le semi-conducteur dit dopé de type n. Si au contraire un atome de silicium est remplacé par un atome de la colonne III (bore par exemple) à trois électrons de valence, il en manque un pour réaliser toutes les liaisons, et un électron peut rapidement venir combler ce manque et occuper l’orbitale vacante par agitation thermique. Il en résulte un trou dans la bande de valence, qui va contribuer à la conduction, et le semi-conducteur est dit dopé de type p. Les atomes tels que le bore ou le phosphore sont donc des dopants du silicium. Les cellules photovoltaïques sont assemblées pour former des panneaux photovoltaïques.