L'ombrage est un défi majeur dans la conception et l'installation de systèmes photovoltaïques. En tant que professionnel de l'installation solaire en France, il est crucial de comprendre les mécanismes de l'ombrage, ses sources et les solutions pour en minimiser l'impact.

Mécanisme de l'effet d'ombrage

Principe fondamental

Les panneaux solaires convertissent la lumière du soleil en électricité grâce à l'effet photovoltaïque. Chaque cellule solaire produit un courant électrique lorsqu'elle est exposée à la lumière. Dans un panneau, les cellules sont généralement connectées en série, créant ainsi une interdépendance entre elles.

Impact sur le courant électrique

Le courant traverse toutes les cellules en série, et la cellule la plus faible, souvent celle qui est ombragée, devient un goulot d'étranglement. Imaginez le courant électrique comme un débit d'eau dans un tuyau : si une section du tuyau est rétrécie à cause d'un ombrage, le débit total est affecté, même si le reste du tuyau est intact. Ainsi, une seule cellule ombragée peut réduire la performance de tout le panneau, voire de la chaîne entière de panneaux.

Sources d'ombrage

Ombrage environnemental

• Bâtiments : Leur hauteur et leur distance influencent l'ombrage. Cet impact varie selon la position du soleil au fil des saisons, étant plus critique en hiver lorsque le soleil est bas.
• Arbres : Les arbres provoquent un ombrage variable selon les saisons. Les feuillus offrent un ombrage estival, tandis que les conifères peuvent ombrager toute l'année. La croissance des arbres doit être prise en compte lors de la planification.

Auto-ombrage

• Entre rangées de panneaux : Un espacement insuffisant entre les rangées peut provoquer un ombrage mutuel, surtout le matin et le soir. Un calcul précis de la distance minimale est nécessaire pour éviter ce phénomène.

Ombrage d'horizon

• Relief environnant : Dans les zones montagneuses ou vallonnées, le relief peut bloquer le soleil à certaines périodes de la journée. Une étude spécifique du site est alors indispensable.

Pourquoi l'ombrage a-t-il un impact si important ?

L'ombrage affecte non seulement la cellule concernée mais peut compromettre la performance de tout le système. Les cellules ombragées limitent le courant de la chaîne, provoquent des pertes de puissance et peuvent générer des "points chauds" qui endommagent les panneaux. De plus, les pertes ne sont pas proportionnelles à la surface ombragée ; même un petit ombrage peut entraîner une réduction significative de la production.

Solutions techniques pour réduire l'impact de l'ombrage

Optimisation des chaînes (stringing)

En regroupant les modules selon leur exposition et en isolant les modules ombragés dans des chaînes dédiées, on peut minimiser l'impact de l'ombrage. Cette méthode simple et peu coûteuse nécessite une conception minutieuse et est plus efficace pour les ombrages statiques.

Diodes de dérivation (bypass diodes)

Intégrées dans les panneaux, les diodes de dérivation créent un chemin alternatif pour le courant lorsque des cellules sont ombragées. Elles divisent le panneau en sections indépendantes, généralement trois, permettant au courant de contourner les zones affectées. Bien que cette solution soit passive et efficace pour éviter les points chauds, elle entraîne une perte de production proportionnelle à la section contournée.

Électronique au niveau du module (MLPEs)

Optimiseurs DC et Micro-onduleurs

Pour une analyse détaillée des différentes solutions d'onduleurs et leur impact sur la gestion de l'ombrage, consultez notre guide complet sur le choix des onduleurs photovoltaïques.

Comment évaluer l'impact de l'ombrage ?

Une évaluation précise de l'ombrage est essentielle pour optimiser la conception et la performance des installations photovoltaïques.

Outils et méthodes d'analyse

• Études sur site : Utilisation d'appareils tels que le Solar Pathfinder ou le SunEye pour mesurer l'ombrage directement sur le terrain.
• Logiciels de simulation : Des logiciels comme PVsyst ou PV*SOL permettent de modéliser en 3D l'environnement du site et de simuler l'impact de l'ombrage tout au long de l'année.
• Données 3D et LIDAR : L'utilisation de données LIDAR (Light Detection and Ranging) permet de reconstruire l'environnement en 3D avec une grande précision. Le LIDAR est une technologie de télédétection par laser qui mesure la distance en éclairant la cible avec un laser et en analysant la lumière réfléchie.

Vesta : une solution pour l'analyse de l'ombrage

Vesta est un logiciel de dimensionnement photovoltaïque qui utilise des données LIDAR pour reconstruire automatiquement le bâtiment et son environnement en 3D. Grâce à cette technologie, il peut prendre en compte tous les ombrages, qu'ils soient proches (arbres, bâtiments) ou lointains (collines, reliefs environnants), avec une grande précision. Sur environ 90 % du territoire français, les données LIDAR sont suffisamment détaillées pour permettre une analyse fiable de l'ombrage. L'utilisation de Vesta facilite grandement la planification et l'optimisation des installations en intégrant automatiquement les contraintes d'ombrage dès la phase de conception.

Analyse comparative des performances

Étude de cas : système de 3,12 kW en Île-de-France

• Conditions : Présence d'arbres à proximité provoquant un ombrage partiel régulier.
• Résultats :
  • Système standard : Production annuelle de 2 500 kWh.
  • Avec micro-onduleurs : Augmentation de 17 %, soit 2 925 kWh/an.
  • Avec optimiseurs : Augmentation similaire de 17 %, soit 2 925 kWh/an.
• Analyse économique :
  • Le surcoût initial des MLPEs est compensé par les gains de production sur la durée de vie du système.
  • Le retour sur investissement varie en fonction du degré d'ombrage et du coût de l'électricité.

Recommandations pratiques pour les installations

Étapes d'évaluation

1. Analyse du site : Réaliser une étude d'ombrage sur 12 mois, cartographier les obstacles et, si nécessaire, modéliser le site en 3D en utilisant des outils comme Vesta pour une précision optimale.
2. Choix technologique : Sélectionner la solution adaptée en fonction du type d'ombrage, des contraintes budgétaires et des exigences de maintenance.

Optimisation de la conception

• Placement des panneaux : Éviter les zones d'ombrage permanent, optimiser l'orientation et prévoir un espacement adéquat entre les rangées.
• Configuration électrique : Choisir le type de connexion approprié, dimensionner correctement le système et intégrer les solutions anti-ombrage dès la conception.

Conclusion

L'ombrage peut avoir un impact significatif sur la performance des installations photovoltaïques, mais des solutions existent pour atténuer ces effets. En combinant une analyse approfondie du site, une conception optimisée et l'utilisation de technologies adaptées comme les diodes de dérivation, les optimiseurs, les micro-onduleurs ou des outils avancés comme Vesta, il est possible de maximiser la production d'énergie et d'assurer la satisfaction des clients.

En tant que professionnel, il est essentiel de rester informé des avancées technologiques et des meilleures pratiques pour offrir des solutions efficaces et pérennes. L'intégration d'outils d'analyse tels que Vesta dans votre processus peut vous aider à anticiper les défis liés à l'ombrage et à concevoir des systèmes performants sur le long terme.