On se doute bien que l’ombre ne fait pas bon ménage avec la production d’électricité via des panneaux solaires. Il en est de même pour l’orientation et l’inclinaison. Afin de mettre des chiffres sur ces certitudes, nous avons effectué plusieurs relevés. Nous en avons profité pour nous « amuser » un peu avec la technologie bifaciale au passage.

Il y a plusieurs mois, nous avons publié un premier article sur le kit Play de Sunology. Nous avions alors détaillé les caractéristiques techniques du panneau chinois DMEGC de 405 watts et du micro-onduleur Hoymiles HM-400.

• Panneaux solaires en autoconsommation : on décortique le kit Play de Sunology

Avec du retard sur le planning, il est temps de passer aux mesures de production d’électricité. Il ne s’agit pas de vous donner un relevé sur x mois avec un joli chiffre de production (qui ne veut pas dire grand-chose dans l’absolu tant les paramètres sont nombreux), mais plutôt de vous expliquer l’influence de l’ombre, de la position et de l’inclinaison sur la production d’électricité, avec des relevés chiffrés.

Des demi-cellules pour deux fois plus de… quoi au juste ?

Mais commençons par un détour sur le mode de fonctionnement du panneau solaire. Vincent Arrouet, cofondateur de Sunology, nous indique que ses panneaux, comme « plus de 98 % des panneaux photovoltaïques dans le monde, sont basés sur une approche en demi-cellules (half cut). Les (demi) cellules sont réparties sur deux moitiés du panneau ». 108 au total, donc 54 de chaque côté avec notre panneau DMEGC.

Dans la liste des avantages des demi-cellules, on retrouve une réduction de la température de chaque cellule (et donc d’avoir un point chaud), mais aussi (et surtout) une séparation des zones de production. Pour faire simple, de l’ombre sur une moitié du panneau n’affecte pas la seconde moitié, contrairement à des panneaux full-cell avec des cellules entières.

Dans le cas du panneau Sunology, on voit clairement les deux zones, à gauche et à droite, sur la photo ci-dessous (avec une ligne centrale, sur laquelle sont d’ailleurs branchés les connecteurs à l’arrière). Chaque zone est ensuite divisée en trois, avec deux rangées de demi-cellules à chaque fois.

Le panneau est donc divisé en six zones de 18 demi-cellules, soit un total de 108 demi-cellules. Le compte est bon.

Une histoire de tension, d’intensité, de série et de parallèle

Mais pourquoi des demi-cellules et pas six zones de neuf cellules ? Cela tient à la malice de l’électricité : en série, les tensions de chaque cellule s’additionnent, tandis qu’en parallèle, ce sont les intensités qui s’additionnent. Dans le premier cas, il faut des tensions identiques sur tous les éléments, cela signifie que l’intensité de la cellule la plus faible est prise par défaut. Dans le second cas, c'est la même chose avec la tension.

Sur un panneau full-cell avec 3 groupes de 18 cellules, la tension de chaque groupe est donc la somme de celle des 18 cellules. Si maintenant, nous séparons nos cellules sur 6 zones, on a donc des groupes de 9 cellules. Conséquence directe : la tension est deux fois plus basse qu’avec les groupes de 18.

Si maintenant, on passe sur des demi-cellules pour nos groupes, on revient à 18 cellules, et donc à une tension identique à celle des panneaux full-cell. L’intensité de chaque groupe de demi-cellules est du coup deux fois moins importante qu’avec des cellules complètes, mais ils sont deux fois plus nombreux. La production totale théorique est donc la même dans les deux cas, mais avec six groupes au lieu de trois.

Sur des panneaux avec des demi-cellules, chaque zone est indépendante pour la production d’électricité : de l’ombre sur l’une d’entre elle ne pénalise pas les autres. Par contre, au sein d’une même zone, l’ensemble des demi-cellules se calent sur celle qui produit le moins de courant. En effet, l’intensité doit pour rappel être la même dans l’ensemble des demi-cellules du circuit.

Si une demi-cellule est défectueuse ou à l’ombre et produit donc moins, c’est comme si toutes les demi-cellules du groupe étaient à l’ombre ou défectueuses. Plus il y a de zones, moins la perte est importante en cas d’ombre partielle ou de défaut. Six zones, c'est donc bien mieux que trois.

Le branchement interne d’un panneau est important à comprendre pour saisir les différences que nous avons mesurées en fonction de l’ombre.

Un panneau au Soleil, de l’ombre artificielle et des mesures

Lors de nos tests, nous avions une production aux alentours de 330 watts sur notre panneau solaire, avec des conditions météorologiques (température, ensoleillement, vent) stables lors des différentes mesures (elles sont généralement faites à partir de trois relevés pour confirmer qu’il ne s’agit pas d’une erreur).

Aucun nuage à l’horizon pour éviter une baisse de production inattendue. Nous avons donc pu simuler de l’ombre avec une planche (sans la coller au panneau, elle était à environ 1 mètre) afin de pouvoir la déplacer en fonction de nos besoins et mesurer l’influence sur la production électrique.

De 73 à 195 watts avec de l’ombre sur 1/4 du panneau

Nous avons commencé par mettre de l’ombrage sur la moitié de la partie droite, puis la moitié de la partie gauche du panneau, soit quatre mesures en tout (côté intérieur et extérieur à chaque fois). Les relevés étaient relativement stables entre 187 à 195 watts, au lieu des 330 watts de production en plein Soleil.

Par contre, nous sommes passés à 73 watts seulement avec la même quantité d’ombre (1/4 de la surface) sur le milieu du panneau. Elle se trouvait donc à cheval entre les deux moitiés gauche et droite. Un résultat pas surprenant puisque de cette manière, nous impactons les six groupes de cellules, contre seulement trois si on reste à gauche ou à droite (les trois autres peuvent tourner à plein régime).

On double la superficie de l’ombre

On augmente la quantité d’ombre sur notre panneau avec deux nouvelles mesures : toute la moitié droite est ombragée, puis toute la gauche, en prenant bien soin de ne pas dépasser la moitié du panneau : 180 et 185 watts mesurés. C’est la situation ci-dessus, avec la zone bleue ombragée.

On retombe donc quasiment sur les mesures lorsqu’un quart du panneau seulement est à l’ombre. Pas spécialement étonnant non plus puisque dans les deux cas, on affecte la production de trois groupes à chaque fois. Et comme la production au sein d’un groupe se cale sur la cellule qui produit le moins, que l’ombre soit sur une seule cellule, la moitié ou la totalité, cela ne change pas grand-chose.

Éviter d’avoir de l’ombre au milieu du panneau

Si maintenant, on met la moitié du panneau à l’ombre, mais avec un quart d’ombre sur chaque extérieur (la moitié ensoleillée est donc au milieu du tableau), on tombe entre 35 et 40 watts selon les mesures. C’est sensiblement la même chose avec l’ombre au milieu du panneau.

Là encore, c'est normal puisqu’on affecte les six groupes de cellules. Avec la même quantité d’ombre, la production d’électricité peut varier d’un rapport de 1 à 5, suivant où elle se trouve.

Avec les panneaux équipés de demi-cellules, la pire situation est donc lorsque l’ombre traverse le milieu du panneau. Vincent Arrouet nous confirme la situation : « l’impact d’un ombrage sur une seule des deux moitiés a moins d’impact qu’une ombre plus petite, mais à cheval sur les deux moitiés ».

Notre test permet d’avoir une idée des ordres de grandeur. Sur l’image ci-dessous, on coupe quasiment un tiers de la production.

La présence d’ombre est évidemment à considérer lorsque vous installez des panneaux solaires. Les simulateurs de rendement prennent toujours la meilleure exposition possible, sans ombre. Si vous avez des arbres, une maison, un poteau ou n’importe quoi susceptible de faire de l’ombre, le temps nécessaire à rembourser l’investissement sera d’autant plus long.

Un panneau bifacial… on sort le miroir !

Nous avons également voulu voir ce que donnait la technologie bifaciale. On essaye de doper un peu les performances en plaçant un miroir à l’arrière du panneau afin de rediriger les rayons du Soleil sur les cellules. Nous ne couvrions pas la totalité des cellules par l’arrière, mais une bonne partie déjà (entre 50 et 75 %).

Résultat des courses, nous sommes passés de 315 à 334 watts lors de nos mesures, soit une augmentation de 20 watts (6 % seulement). Joueurs, nous avons aussi mis le panneau complétement à l’envers : la plaque avant posée sur le sol et les pieds du support en l’air.

La production était aux alentours de 200 watts, mais l’intégralité du panneau n’était pas au Soleil : le cadre, le support et le micro-onduleur font de l’ombre sur les cellules. De plus, l’inclinaison du panneau n’était pas idéale, loin de là. En théorie, bien placé et sans ombre, on devrait avoir quasiment les mêmes productions d’un côté ou de l’autre.

5 % minimum selon Sunology, plus de 10 % en moyenne

Sunology nous explique que, pour faire du bifacial, il y a deux approches : « La première, c'est une feuille un peu plastique (qui s'appelle un backsheet) transparente. Ainsi, le panneau va laisser passer la lumière à l'avant et, par réflexion, on va venir récupérer du rendement en face arrière. Il y a une autre approche qu’on utilise parce qu’elle offre plus de durabilité et d'efficacité, c’est le bi verre. Les cellules sont encapsulées entre deux feuilles de verre qui sont généralement de 2 mm chacune ». Sur l’approche backsheet, « vous avez une plaque de verre à l'avant qui fait en général 3,2 mm et une feuille souple juste derrière. Les cellules sont prises en sandwich entre les deux ».

« On a observé un minimum de 5% et une moyenne de plus de 10 %. C'est lié à ce qu'on appelle l'effet d'albédo, c'est-à-dire que c'est la capacité réflexive de la surface qui est située derrière le panneau ». Nous sommes à 6 % de gain avec un miroir, mais nous avions déjà de la réflexion avant d’ajouter le miroir puisque le panneau était posé sur l’herbe.

Coût vs augmentation de la production

Sunology ajoute que placer une plaque blanche avec une bonne réflexion, c’est « une bonne pratique, dans la mesure où on peut le faire, mais c'est rarement le cas dans un usage résidentiel ». Nous demandons à la société si elle compte commercialiser un accessoire pour augmenter la réflexion :

« On a fait beaucoup d'essais, même assez concluants. Pas avec une plaque, mais avec une espèce de quart de sphère qui était fixé au bras télescopique [la tige ajustable en hauteur sur laquelle est fixé le panneau, ndlr] de Play pour essayer d’avoir des angles de réflexion maximisés durant toute la journée. Ça marchait très bien, mais ça fait un "gros aileron" à l'arrière du produit. Il va falloir le mettre chez les gens, ce n'est pas simple, il n’y a pas forcément la place, ça va avoir un coût et qu'est-ce qu'on va gagner ? […] Le jeu n'en valait pas forcément la chandelle ».

L’influence de l’orientation et de l’inclinaison

Nous avons également effectué quelques relevés avec différentes inclinaisons, en nous positionnant à chaque fois vers le Soleil afin de maximiser la production. À 15h30 lorsque le Soleil est encore haut dans le ciel, on passe de 330 watts avec la position la plus basse à 315 watts avec l’inclinaison la plus importante. À 18 h, on passe respectivement de 268 à 303 watts.

L’idéal pour maximiser la production est donc d’adapter l’inclinaison en fonction de la position du Soleil dans le ciel : au maximum à l’horizontal quand le Soleil est à son zénith, puis d’ajouter de l’angle lorsqu’il commence à descendre pour finir par se coucher.

Durant la journée, nous avons aussi regardé l’influence de la position des panneaux par rapport au Soleil. Sunology explique que « l’orientation optimale est le plein sud. Cependant, vous pouvez aussi opter pour une orientation sud-est, sud-ouest, est ou ouest, qui offrent 80 à 90% du potentiel maximal de rendement ».

À 18 h vers le sud, on est entre 198 et 205 watts (selon l’inclinaison du panneau), par contre si on est face au Soleil (plus vers l’ouest), on passe entre 268 et 303 watts, soit jusqu’à 50 % de plus simplement en tournant le panneau. Nous avons également fait des mesures à 9 h le matin : 81 watts si on est orienté au sud, 240 watts si on est face au Soleil, soit trois fois plus.

On imagine donc bien qu’une installation capable de suivre le Soleil serait efficace… mais c’est une autre histoire, comme la rentabilité d’une telle installation. Les installations sont généralement fixes, la meilleure orientation sur la journée reste donc le sud.

Tracker (ou batterie) vs rentabilité : il faut calculer

Nous demandons à Sunology s’il ne pouvait pas commercialiser des kits avec des roulettes ou un tracker de Soleil intégré. La réponse est non, même si le sujet est venu sur la table :

« On est toujours tenté de faire ce genre de proposition, mais le seul truc qui nous arrête à chaque fois, c'est de se dire : finalement, qu'est-ce que veulent les gens quand ils investissent dans le solaire ? Ils veulent en priorité que ce soit rentable.

Or, l'investissement de départ avec des systèmes de traqueurs et de roulettes vient dégrader cette rentabilité. On n'arrive pas, par rapport au coût que ça représente, à apporter l'équivalent ou même une rentabilité supplémentaire ».

La quadrature du solaire

Pour que ce soit intéressant d’avoir un tracker, « il faut y connecter une certaine puissance […] C'est comme avec les batteries. Vous mettez des batteries parce qu’en additionnant le coût de revient du kWh que vous stockez et du kWh que vous produisez, vous êtes en dessous ou au même niveau que le prix de l'énergie que vous achetez tous les mois par abonnement ».

Il n’y a donc pas de solution universelle, à chacun de voir midi à son panneau solaire, de faire ses calculs et de juger en fonction de ses besoins et de son investissement. Vincent Arrouet indique enfin que l’argent c’est le nerf de la guerre : « C'est pour ça que le solaire se développe en ce moment en France, c'est parce que le prix de l'électricité explose ». Au regard de la fluctuation des tarifs de l’électricité, la donne peut donc changer rapidement.