Études de cas pratique

EGC

Intégration d’un système photovoltaïque

Intégration d’un Système Photovoltaïque (Énergies Renouvelables)

Intégration d’un Système Photovoltaïque

Comprendre l'Intégration d'un Système Photovoltaïque

L'intégration de systèmes photovoltaïques (PV) dans les bâtiments est une composante essentielle de la transition vers les énergies renouvelables. Ces systèmes convertissent directement l'énergie solaire en électricité grâce à des cellules photovoltaïques, généralement regroupées en panneaux. L'électricité produite, sous forme de courant continu (CC), est ensuite transformée en courant alternatif (CA) par un onduleur pour être utilisable par les appareils domestiques ou injectée dans le réseau électrique public. Le dimensionnement d'un système PV dépend de plusieurs facteurs : la consommation électrique du bâtiment, l'irradiation solaire disponible sur le site (qui varie selon la localisation géographique, l'orientation et l'inclinaison des panneaux), la surface disponible pour l'installation, les caractéristiques des panneaux et de l'onduleur, ainsi que les pertes diverses du système. Une analyse correcte permet d'optimiser la production d'énergie, de réduire la dépendance au réseau et de minimiser l'empreinte carbone.

Données de l'étude

Une famille souhaite installer un système photovoltaïque sur le toit de sa maison pour couvrir une partie de sa consommation électrique annuelle.

Informations sur la consommation et le site :

  • Consommation électrique annuelle de la maison : \(C_{\text{annuelle}} = 6000 \, \text{kWh/an}\)
  • Objectif de couverture par le système PV : 50% de la consommation annuelle.
  • Localisation : Lyon, France.
  • Productible annuel moyen estimé pour une installation PV bien orientée à Lyon : \(P_{\text{roductible}} = 1350 \, \text{kWh/kWc/an}\) (kilowattheures produits par kilowatt-crête installé par an). Ce chiffre tient déjà compte des rendements moyens de conversion et des pertes du système (Performance Ratio global).

Caractéristiques des composants envisagés :

  • Panneau Photovoltaïque :
    • Puissance crête unitaire (\(P_{\text{panneau}}\)) : \(400 \, \text{Wc}\) (soit \(0.4 \, \text{kWc}\))
    • Dimensions d'un panneau : \(1.7 \, \text{m} \times 1.0 \, \text{m}\)

Données environnementales :

  • Facteur d'émission de CO2 du mix électrique français (pour l'électricité évitée du réseau) : \(f_{\text{GES,elec}} = 0.079 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh}\)
Schéma : Système Photovoltaïque Résidentiel
Système Photovoltaïque Résidentiel {/* Soleil */} Rayonnement Solaire {/* Panneaux PV */} Panneaux PV CC {/* Onduleur */} Onduleur CA {/* Compteur et Maison/Réseau */} Compteur Maison Réseau

Schéma de principe d'une installation photovoltaïque raccordée au réseau avec autoconsommation.

Questions à traiter

  1. Calculer l'énergie annuelle que le système photovoltaïque doit produire (\(E_{\text{PV,objectif}}\)) pour atteindre l'objectif de couverture de 50%.
  2. Calculer la puissance crête totale du système PV (\(P_{\text{crête,totale}}\)) nécessaire pour atteindre cet objectif de production, en utilisant le productible annuel donné.
  3. Déterminer le nombre de panneaux PV (\(N_{\text{panneaux}}\)) requis. Arrondir à l'entier supérieur pour s'assurer d'atteindre l'objectif.
  4. Calculer la surface totale (\(A_{\text{panneaux,totale}}\)) occupée par ces panneaux sur le toit.
  5. Avec le nombre de panneaux arrondi, recalculer la puissance crête réellement installée (\(P_{\text{crête,réelle}}\)) et estimer la production énergétique annuelle réelle (\(E_{\text{PV,réelle}}\)) du système.
  6. Calculer la quantité d'émissions de CO2 évitées annuellement grâce à cette installation.

Correction : Intégration d’un Système Photovoltaïque

Question 1 : Énergie Annuelle à Produire par le Système PV (\(E_{\text{PV,objectif}}\))

Principe :

L'objectif est de couvrir un certain pourcentage de la consommation électrique annuelle de la maison. L'énergie que le système photovoltaïque (PV) doit produire est donc ce pourcentage appliqué à la consommation totale.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ E_{\text{PV,objectif}} = \text{Consommation annuelle} \times \text{Taux de couverture objectif} \]
Données spécifiques :
  • Consommation annuelle (\(C_{\text{annuelle}}\)) : \(6000 \, \text{kWh/an}\)
  • Taux de couverture objectif : 50% = 0.50
Calcul :
\[ \begin{aligned} E_{\text{PV,objectif}} &= 6000 \, \text{kWh/an} \times 0.50 \\ &= 3000 \, \text{kWh/an} \end{aligned} \]
Résultat Question 1 : L'énergie annuelle que le système photovoltaïque doit produire est \(E_{\text{PV,objectif}} = 3000 \, \text{kWh/an}\).

Question 2 : Puissance Crête Totale du Système PV Nécessaire (\(P_{\text{crête,totale}}\))

Principe :

Le productible annuel (\(P_{\text{roductible}}\)) est une mesure de la performance d'un système PV dans des conditions géographiques et d'installation données. Il indique la quantité d'énergie (en kWh) produite annuellement pour chaque kilowatt-crête (kWc) de puissance de panneaux installée. Pour déterminer la puissance crête totale nécessaire pour atteindre un objectif de production énergétique annuel, on divise cette énergie objectif par le productible annuel.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ P_{\text{crête,totale}} = \frac{E_{\text{PV,objectif}}}{P_{\text{roductible}}} \]
Données spécifiques :
  • \(E_{\text{PV,objectif}} = 3000 \, \text{kWh/an}\) (résultat Q1)
  • Productible annuel (\(P_{\text{roductible}}\)) : \(1350 \, \text{kWh/kWc/an}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} P_{\text{crête,totale}} &= \frac{3000 \, \text{kWh/an}}{1350 \, \text{kWh/kWc/an}} \\ &\approx 2.2222 \, \text{kWc} \end{aligned} \]

Arrondissons à \(P_{\text{crête,totale}} \approx 2.22 \, \text{kWc}\).

Résultat Question 2 : La puissance crête totale du système PV nécessaire est d'environ \(2.22 \, \text{kWc}\).

Quiz Intermédiaire 1 : Si le productible annuel du site était plus faible (par exemple, dû à un moins bon ensoleillement ou plus d'ombrage), la puissance crête nécessaire pour produire la même quantité d'énergie annuelle serait :

Question 3 : Nombre de Panneaux PV Requis (\(N_{\text{panneaux}}\))

Principe :

Pour déterminer le nombre de panneaux photovoltaïques à installer, on divise la puissance crête totale requise pour le système par la puissance crête d'un seul panneau. Étant donné qu'on ne peut installer qu'un nombre entier de panneaux, il est nécessaire d'arrondir le résultat au nombre entier immédiatement supérieur. Cela garantit que la puissance installée sera au moins égale à la puissance calculée pour atteindre l'objectif de production, voire légèrement supérieure.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ N_{\text{panneaux}} = \frac{P_{\text{crête,totale}}}{P_{\text{panneau}}} \]
Données spécifiques :
  • \(P_{\text{crête,totale}} \approx 2.2222 \, \text{kWc} = 2222.2 \, \text{Wc}\) (valeur non arrondie de Q2)
  • Puissance crête d'un panneau (\(P_{\text{panneau}}\)) : \(400 \, \text{Wc}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} N_{\text{panneaux}} &= \frac{2222.2 \, \text{Wc}}{400 \, \text{Wc/panneau}} \\ &\approx 5.555 \, \text{panneaux} \end{aligned} \]

En arrondissant à l'entier supérieur pour s'assurer d'atteindre l'objectif, on installe \(N_{\text{panneaux}} = 6\) panneaux.

Résultat Question 3 : Il faut installer 6 panneaux PV.

Question 4 : Surface Totale Occupée par les Panneaux (\(A_{\text{panneaux,totale}}\))

Principe :

La surface totale occupée par les panneaux sur le toit est simplement le produit du nombre de panneaux installés par la surface unitaire de chaque panneau. La surface d'un panneau rectangulaire se calcule en multipliant sa longueur par sa largeur.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ A_{\text{un_panneau}} = \text{Longueur}_{\text{panneau}} \times \text{Largeur}_{\text{panneau}} \] \[ A_{\text{panneaux,totale}} = N_{\text{panneaux}} \times A_{\text{un_panneau}} \]
Données spécifiques :
  • Nombre de panneaux (\(N_{\text{panneaux}}\)) : 6
  • Dimensions d'un panneau : \(1.7 \, \text{m} \times 1.0 \, \text{m}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} A_{\text{un_panneau}} &= 1.7 \, \text{m} \times 1.0 \, \text{m} = 1.7 \, \text{m}^2 \\ A_{\text{panneaux,totale}} &= 6 \times 1.7 \, \text{m}^2 \\ &= 10.2 \, \text{m}^2 \end{aligned} \]
Résultat Question 4 : La surface totale occupée par les 6 panneaux est de \(10.2 \, \text{m}^2\).

Quiz Intermédiaire 2 : Si les panneaux étaient moins puissants (ex: 300 Wc au lieu de 400 Wc), pour obtenir la même puissance crête totale, il faudrait :

Question 5 : Puissance Crête Réelle et Production Énergétique Annuelle Réelle

Principe :

Après avoir déterminé le nombre entier de panneaux à installer (en arrondissant à l'entier supérieur), on calcule la puissance crête totale qui sera effectivement installée. Cette puissance réelle est ensuite utilisée avec le productible annuel pour estimer la production d'énergie annuelle que l'on peut attendre du système dimensionné.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ P_{\text{crête,réelle}} = N_{\text{panneaux}} \times P_{\text{panneau}} \] \[ E_{\text{PV,réelle}} = P_{\text{crête,réelle}} \times P_{\text{roductible}} \]
Données spécifiques :
  • Nombre de panneaux (\(N_{\text{panneaux}}\)) : 6
  • Puissance crête d'un panneau (\(P_{\text{panneau}}\)) : \(0.4 \, \text{kWc}\)
  • Productible annuel (\(P_{\text{roductible}}\)) : \(1350 \, \text{kWh/kWc/an}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} P_{\text{crête,réelle}} &= 6 \times 0.4 \, \text{kWc} = 2.4 \, \text{kWc} \\ E_{\text{PV,réelle}} &= 2.4 \, \text{kWc} \times 1350 \, \text{kWh/kWc/an} \\ &= 3240 \, \text{kWh/an} \end{aligned} \]
Résultat Question 5 :
  • Puissance crête réellement installée : \(P_{\text{crête,réelle}} = 2.4 \, \text{kWc}\)
  • Production énergétique annuelle réelle estimée : \(E_{\text{PV,réelle}} = 3240 \, \text{kWh/an}\)

Cette production (\(3240 \, \text{kWh/an}\)) est supérieure à l'objectif de \(3000 \, \text{kWh/an}\), ce qui est attendu car nous avons arrondi le nombre de panneaux à l'entier supérieur.

Question 6 : Émissions de CO2 Évitées Annuellement

Principe :

L'énergie électrique produite par le système photovoltaïque est une énergie renouvelable qui se substitue à une quantité équivalente d'énergie qui aurait autrement été fournie par le réseau électrique national. Chaque kilowattheure produit par le réseau électrique a une empreinte carbone moyenne, exprimée par un facteur d'émission de CO2. En produisant sa propre électricité solaire, la maison évite donc les émissions de CO2 qui auraient été associées à la production de cette même quantité d'électricité par le mix énergétique du réseau.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{CO}_{2,\text{évitées}} = E_{\text{PV,réelle}} \times f_{\text{GES,elec}} \]
Données spécifiques :
  • Production PV réelle (\(E_{\text{PV,réelle}}\)) : \(3240 \, \text{kWh/an}\)
  • Facteur d'émission GES électricité (\(f_{\text{GES,elec}}\)) : \(0.079 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{CO}_{2,\text{évitées}} &= 3240 \, \text{kWh/an} \times 0.079 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh} \\ &\approx 255.96 \, \text{kgCO}_2\text{eq/an} \end{aligned} \]
Résultat Question 6 : Les émissions de CO2 évitées annuellement grâce à cette installation sont d'environ \(256 \, \text{kgCO}_2\text{eq/an}\).

Quiz Intermédiaire 3 : Si le facteur d'émission du mix électrique était plus élevé (par exemple, dans un pays utilisant plus de charbon), les émissions de CO2 évitées par la même installation PV seraient :

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. La puissance crête (Wc ou kWc) d'un panneau photovoltaïque représente :

2. Le "productible annuel" d'un système PV (en kWh/kWc/an) dépend principalement :

3. L'onduleur dans un système photovoltaïque a pour rôle principal de :

Glossaire

Photovoltaïque (PV)
Technologie qui convertit directement la lumière du soleil (photons) en électricité (électrons) grâce à des cellules semi-conductrices.
Puissance Crête (\(\text{Wc}\) ou \(\text{kWc}\))
Puissance électrique maximale qu'un panneau ou un système photovoltaïque peut produire dans des Conditions de Test Standard (STC) : irradiation de \(1000 \, \text{W/m}^2\), température de cellule de \(25^\circ \text{C}\), spectre solaire AM1.5.
Productible Annuel (\(\text{kWh/kWc/an}\))
Quantité d'énergie électrique (en kWh) qu'un système photovoltaïque d'une puissance crête de 1 kWc peut produire en une année dans des conditions réelles d'installation (localisation, orientation, inclinaison, ombrages, pertes du système).
Onduleur (Inverter)
Appareil électronique qui convertit le courant continu (CC) produit par les panneaux photovoltaïques en courant alternatif (CA) compatible avec le réseau électrique et les appareils domestiques.
Performance Ratio (PR)
Indicateur de la qualité globale d'une installation photovoltaïque. C'est le rapport entre l'énergie réellement produite et l'énergie qui serait produite si le système fonctionnait à son rendement nominal sans aucune perte. Il prend en compte les pertes dues à la température, aux câbles, à l'onduleur, à la salissure, etc.
Irradiation Solaire
Quantité d'énergie solaire reçue par unité de surface pendant une période donnée. Généralement exprimée en \(\text{kWh/m}^2\text{/jour}\) ou \(\text{kWh/m}^2\text{/an}\).
Autoconsommation
Consommation de l'électricité photovoltaïque produite directement sur le lieu de production, au moment où elle est produite.
Intégration d’un Système Photovoltaïque - Exercice d'Application

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