Combien l'ombre vous coûte-t-elle vraiment ? Les chiffres réels

L'ombre ne fonctionne pas comme vous l'attendriez

La plupart des gens supposent que si une ombre couvre un dixième d'un panneau solaire, on perd un dixième de la puissance. C'est faux, et l'écart entre l'intuition et la réalité est le malentendu le plus coûteux du solaire en toiture.

Les chercheurs du Fraunhofer Center for Silicon Photovoltaics (CSP) le disent sans détour. Dans les cas extrêmes, même 5 pour cent d'ombrage de la surface du module peut conduire à une perte totale de la production de ce module. Une ombre de la taille du bord d'une cheminée, ou d'une seule branche nue, peut faire passer un panneau de pleine puissance à presque rien.

Pour comprendre pourquoi, il faut regarder comment un panneau est câblé à l'intérieur.

Pourquoi une cellule ombragée tire toute la chaîne vers le bas

Un module solaire standard est constitué de 60 cellules individuelles ou plus câblées en série, comme une file indienne de personnes se passant des seaux. Le courant qui traverse le module est limité par la cellule la plus faible de la chaîne. Comme l'explique PVEducation, parce que les cellules sont en série, le courant doit être le même dans chaque cellule, si bien qu'ombrager une cellule abaisse le courant de toute la chaîne au niveau de cette cellule ombragée.

Ombragez complètement une cellule et vous ne perdez pas la puissance d'une seule cellule. Vous étranglez le courant de toutes. Les cellules saines sont toujours éclairées, mais elles ne peuvent pas faire passer leur courant au-delà du goulot d'étranglement.

Cela empire. La cellule ombragée subit désormais la pleine tension des autres cellules poussée à contresens à travers elle. Au lieu de produire de la puissance, elle la dissipe en chaleur. C'est un point chaud, et le Fraunhofer CSP note qu'un ombrage défavorable peut surchauffer une zone d'un module, vieillissant les polymères d'encapsulation et raccourcissant la durée de vie du panneau. Ainsi, une petite ombre est à la fois un problème de performance et un problème de fiabilité.

Ce qu'un seul arbre coûte vraiment par an

La physique du module explique les pics. Le rendement annuel dépend de la fréquence et de la durée durant lesquelles cette physique est déclenchée sur l'année.

Les analyses du secteur sur les systèmes résidentiels situent généralement les pertes par ombrage, sur un parc, entre 5 et 25 pour cent de la production annuelle, les toits individuels s'étalant bien plus largement. Un seul arbre mature ou un bâtiment voisin du mauvais côté est couramment cité comme coûtant 20 à 40 pour cent du rendement annuel, et une obstruction mal placée plein sud peut faire pire.

La direction compte plus que la taille de l'arbre. Dans l'hémisphère nord, le soleil passe toute la journée productive dans le ciel sud. Un objet plein sud de vos panneaux bloque les heures de midi les plus fortes. Un objet au nord est largement sans importance. Les obstructions à l'est et à l'ouest rognent les marges du matin et du soir, ce qui coûte moins mais n'est pas rien.

La conclusion honnête : si un grand conifère se trouve au sud de vous et que vous ne pouvez pas l'enlever, le solaire sur ce toit peut tout simplement être un mauvais investissement, et aucune électronique astucieuse ne le corrige entièrement.

L'ombre dure et l'ombre douce ne sont pas pareilles

Toutes les ombres ne se comportent pas de la même façon, et la distinction change leur coût.

L'ombre douce est diffuse. Pensez à un panneau sous le feuillage fin et mouvant d'un arbre lointain, ou à l'assombrissement général tôt le matin. La lumière atteint encore les cellules, simplement en moindre quantité, et la perte est plus proche du proportionnel.

L'ombre dure est une ombre nette et opaque au contour défini : une cheminée, un tuyau d'aération, une antenne parabolique, une ligne électrique, un acrotère. C'est le type qui déclenche l'effondrement de la cellule la plus faible et le point chaud. Comme le décrit Clean Energy Reviews, l'ombre dure tend à être petite et fixe et tombe souvent au milieu de la journée, lorsque l'irradiation est à son pic, c'est-à-dire exactement quand elle fait le plus mal.

Une habitude utile lorsque vous planifiez une implantation : traquez d'abord les sources d'ombre dure. Un tuyau d'aération de 10 centimètres au mauvais endroit peut coûter plus cher qu'un arbre vaporeux à cinquante mètres.

Ce que font réellement les diodes de dérivation, les optimiseurs et les micro-onduleurs

La première défense du secteur est la diode de dérivation, et presque tous les panneaux modernes en intègrent. La plupart des panneaux répartissent leurs cellules en trois groupes, chacun avec une diode de dérivation. Lorsqu'un groupe est suffisamment ombragé pour que sa tension s'inverse au-delà d'environ 0,7 volt, la diode s'active et laisse le courant contourner ce groupe. Le tiers ombragé est sacrifié, mais les deux autres tiers continuent de fonctionner, et le point chaud dangereux est soulagé.

Les diodes de dérivation limitent les dégâts. Elles ne les récupèrent pas. Au mieux, une diode annule la contribution de la section ombragée plutôt que d'entraîner tout le panneau, et la chaîne, vers le bas. C'est pourquoi le projet SegmentPV du Fraunhofer repense l'agencement des modules et le placement des diodes pour réduire davantage les pertes et le risque de point chaud.

Le levier le plus important est l'électronique de puissance au niveau du module (MLPE) : les optimiseurs DC (par exemple SolarEdge) et les micro-onduleurs (par exemple Enphase). Un simple onduleur de chaîne gère chaque panneau comme une seule chaîne, si bien que le pire panneau impose le rythme à tous. Le MLPE gère chaque panneau séparément. Un panneau ombragé perd toujours sa propre production, mais il ne bride plus ses voisins sains. Sur les systèmes partiellement ombragés, cela récupère couramment une part notable, souvent citée autour de 20 à 30 pour cent, de l'énergie qu'un onduleur de chaîne aurait abandonnée.

L'ordre de priorité est clair. D'abord, évitez l'ombre en choisissant l'emplacement et l'implantation. Ensuite, si une part d'ombre est inévitable, utilisez des optimiseurs ou des micro-onduleurs pour qu'elle reste confinée à un panneau. Aucune électronique ne transforme un toit ombragé en toit dégagé.

L'hiver est le moment où l'ombre mord le plus fort

Une ombre qui épargne vos panneaux en juillet peut les engloutir en décembre, car le soleil se situe bien plus bas dans le ciel.

À Berlin (latitude d'environ 52,5 degrés nord), le soleil de midi atteint environ 61 degrés au-dessus de l'horizon au solstice de juin mais seulement autour de 14 degrés au solstice de décembre. À 14 degrés, chaque arbre, clôture et toit voisin projette une ombre plusieurs fois plus longue qu'en été. Des objets qui n'ont jamais touché votre installation en juin se trouvent désormais directement en travers d'elle à la période exacte de l'année où vous avez le plus besoin du rendement.

C'est aussi pourquoi une seule mesure satellitaire ou un coup d'œil estival rapide induit en erreur. Ce qu'il vous faut, c'est le profil complet des obstructions tout autour de vous, et la hauteur à laquelle chacune s'élève dans le ciel.

Le chiffre qui prédit vraiment vos pertes

Le concept qui relie tout cela est l'horizon d'ombre. C'est le contour, mesuré en degrés d'altitude à chaque direction de la boussole, de tout ce qui bloque votre vue du ciel ouvert : la ligne de faîte de la maison d'à côté, le sommet du chêne au sud-ouest, la lisière des arbres au loin.

Les outils cartographiques et satellitaires comme Google Project Sunroof, les registres régionaux Solarkataster et SunCalc sont utiles, mais ils partagent un angle mort structurel. Ils modélisent le toit et le relief général, et ils manquent régulièrement les obstructions réelles situées sur ou près de votre emplacement, en particulier les arbres, les garde-corps de balcon et les murs adjacents. C'est précisément de là que viennent les pertes disproportionnées.

Le seul remède fiable est de mesurer l'horizon d'ombre depuis l'emplacement exact où les panneaux seront posés. C'est ce que fait SunMeasure : vous vous tenez sur le toit, le balcon ou le coin de jardin, vous balayez le ciel avec votre téléphone, et il enregistre l'altitude de chaque obstruction, puis la combine avec les données d'irradiation locales de sources telles que le PVGIS de l'UE pour estimer combien de soleil l'emplacement reçoit réellement sur l'année. Que vous utilisiez une application ou un diagramme manuel de la course du soleil, mesurez depuis l'emplacement. Le coût d'une mauvaise estimation n'est pas de quelques pour cent. Comme le montre la physique ci-dessus, il peut représenter la majeure partie d'un panneau.