Centrale solaire photovoltaïque

Dans les régions qui manquent de place pour leurs installations solaires, les fermes photovoltaïques flottantes se développent, en particulier au Japon qui concentre près de 80 % des fermes solaires flottantes en service en 2017[17]. Après un test (15 kWc) dans une gravière de la vallée du Rhône à Piolenc[18], une centrale photovoltaïque flottante a été installée au Japon (en 2013) par l'entreprise lilloise Ciel & Terre. Cette centrale est composée de 4 600 modules polycristallins répartis en deux îlots sur un bassin d'irrigation de 3 ha, en banlieue de Tokyo[19] (sa puissance est de 1,16 MW soit environ 1 540 MWh/an, l'équivalent de la consommation de 550 foyers). Poser les capteurs sur l’eau froide améliore leur rendement, mais cette technologie « Hydrelio » n’est pas adaptée à la mer ou aux grands lacs où le sel et les vagues détérioreraient l’installation. Son concepteur la recommande pour les lacs de carrières et estime que 2 000 MW au moins pourraient concerner les lacs de carrières de France[19]. En Chine, une installation de 40 MWc a été mise en service en mai 2017 dans la région de Huainan. Ses 160 000 panneaux solaires couvrent sur plus de 800 000 m² un lac artificiel qui s'est formé à la suite de l'abandon d’une ancienne mine de charbon ; l'eau, très polluée par la mine, ne peut pas servir pour d'autres fonctions. Dans la même province, une centrale de 150 MWc est en construction depuis juillet 2017. Une centrale flottante d'une puissance de 330 MWc est en chantier en Australie et l'Inde développe un projet d'une puissance de 648 MWc qui devrait recouvrir une surface de 10 km². Au sud de Strasbourg, la commune d'Illkirch-Graffenstaden installe sur l'étang artificiel de Girlenhirsch une centrale solaire qui alimentera plusieurs services municipaux ; sa production annuelle de 40 000 kWh permettra de couvrir 35 % de la consommation des installations municipales voisines ; mais des associations de protection de l'environnement redoutent une déstabilisation de l'écosystème aquatique[17].

Les avantages de tels panneaux sont la réduction de l'évaporation naturelle et de l'échauffement de l’eau. Par rapport aux installations terrestres, le photovoltaïque flottant évite par ailleurs la concurrence de l'agriculture ou de l'exploitation forestière sur des surfaces fertiles. Le centre d'une grande étendue d'eau n'est jamais à l'ombre et dispose donc d'un ensoleillement maximal. Surtout, la fraîcheur de l'eau permet d'éviter la surchauffe des panneaux et leur rendement est dès lors nettement amélioré. En outre, la technique permet d’orienter et d'incliner les panneaux de façon optimale face au Soleil, ce qui est rarement le cas en toiture. Ces installations sont également moins coûteuses que lorsqu'elles sont posées sur des toitures ou des surfaces terrestres[17].

Des panneaux solaires peuvent aussi être installés en couverture de parking, formant des ombrières pour les véhicules. L’avantage de ces petites centrales solaires est qu'elles n'entrent pas en conflit avec les activités industrielles, commerciales ou agricoles. Par ailleurs, le sol étant déjà bétonné, leur impact environnemental est quasi nul[20].

En France, sur les 17 764 sites aménageables répertoriés par l'Ademe en 2019, un tiers sont des parkings, qui représentent un gisement potentiel de 3,7 GW (les friches représentant 50 GW et les toitures 364 GW). Pour comparaison, la puissance installée dans le pays en 2019 était de 8,7 GW[21]. Certaines sociétés de tiers-investisseur ont fait du parking photovoltaïque leur spécialité, qui prennent en charge des projets sur vingt ans, moyennant un loyer et en comptant un amortissement en une quinzaine d'années[20] - [22]. Les parkings de supermarchés sont notamment une ressource, qui représenterait « plusieurs centaines de milliers d’hectares » équipés en 2019.

Une installation de ce type a vu le jour en Belgique en 2020, qui couvre 12 500 places de stationnement et doit produire 20 000 MWh/an. Les structures portantes sont réalisées en bois certifié PEFC et le « temps de retour » en CO₂ est estimé à moins de trois ans[20].

Les panneaux solaires sont les sous-systèmes qui convertissent le rayonnement solaire incident en énergie électrique[29]. Ils comprennent une multitude de modules solaires, montés sur des structures de support et interconnectés pour fournir une sortie de puissance aux sous-systèmes électroniques de conditionnement de puissance[30].

Une minorité de parcs solaires à grande échelle sont configurés sur des bâtiments[31] et utilisent donc des panneaux solaires intégrés aux bâtiments. La majorité sont des systèmes « à champ libre » utilisant des structures montées au sol[23], habituellement de l'un des types qui suivent.

De nombreux projets utilisent des structures de montage où les modules solaires sont montés à une inclinaison fixe calculée pour fournir le profil annuel optimal[24]. Les modules sont normalement orientés vers l'équateur, à un angle d'inclinaison légèrement inférieur à la latitude du site[32]. Dans certains cas, selon les conditions climatiques locales, topographiques ou du prix de l'électricité, différents angles d'inclinaison peuvent être utilisés.

Une variante de cette conception est l'utilisation de panneaux dont l'angle d'inclinaison peut être ajusté deux ou quatre fois par an pour optimiser la production saisonnière[24]. Ils exigent également plus de superficie pour réduire l'ombrage interne (d'un panneau sur l'autre) à l'angle d'inclinaison d'hiver, qui est plus raide. Parce que l'augmentation de la production est en général de seulement quelques pour cent, elle justifie rarement l'augmentation du coût et de la complexité que représente cette conception.

Bellpuig Solar Park, près de Lérida, en Espagne, utilise des pylônes à deux axes montés sur poteaux.

Afin de maximiser l'intensité du rayonnement entrant, les panneaux solaires peuvent être orientés face aux rayons du soleil[33]. Pour ce faire, les panneaux peuvent être conçus à l'aide de trackers à deux axes, capables de suivre le soleil dans son orbite quotidienne à travers le ciel[34].

Ces panneaux doivent être espacés afin de réduire l'inter-ombrage au fur et à mesure que le soleil se déplace et que les orientations des panneaux changent, ce qui nécessite une plus grande superficie[35]. L'espacement nécessaire dépend fortement de la latitude et augmente avec celle-ci[36]. Ces trackers requièrent également des mécanismes plus complexes pour maintenir la surface des panneaux à l'angle requis.

L'augmentation de la production peut être de l'ordre de 30 %[37] dans les endroits où les rayonnements directs (en) sont élevés, mais l'augmentation est plus faible dans les climats tempérés ou ceux qui présentent un rayonnement diffus plus important en raison des conditions nuageuses. Pour cette raison, les trackers à double axe sont les plus couramment utilisés dans les régions subtropicales[35].

Une troisième approche permet d'obtenir certains des avantages en matière de suivi, avec une pénalité moindre quant à la superficie, au capital et aux coûts d'exploitation. Cela implique de suivre le soleil dans une dimension sans s'ajuster aux saisons[38]. L'angle de l'axe est normalement horizontal, bien que certains, comme le parc solaire de la base aérienne de Nellis, qui ont une inclinaison de 20 °[39], inclinent l'axe vers l'équateur dans une orientation nord-sud — en fait un hybride entre le tracker et l'inclinaison fixe[40].

Les systèmes de suivi à un axe (en) sont alignés suivant des axes pratiquement Nord-Sud[41]. Certains utilisent des liaisons entre les rangées afin que le même actionneur puisse ajuster l'angle de plusieurs rangées à la fois[38].

Les panneaux solaires produisent de l'électricité en courant continu (CC), les parcs solaires ont donc besoin d'équipements de conversion[30] pour les transformer en courant alternatif (CA), qui est la forme transmise par le réseau électrique. Cette conversion est effectuée par onduleurs. Pour maximiser leur efficacité, les centrales solaires intègrent également des Maximum Power Point Tracking, soit dans les onduleurs, soit en unités séparées. Ces dispositifs maintiennent chaque chaîne de panneau solaire proche de son point de puissance de crête[42].

Il existe deux principales possibilités pour configurer cet équipement de conversion[43], bien que dans certains cas individuels, ou des micro-onduleurs soient utilisés[44]. Un seul onduleur permet d'optimiser la sortie de chaque panneau et de multiples onduleurs augmente la fiabilité en limitant la perte de sortie lorsqu'un onduleur échoue[45].

Waldpolenz Solar Park est divisé en blocs, chacun avec un onduleur centralisé.

Ces unités ont une capacité relativement élevée, typiquement de l'ordre de 1 MW[46], de sorte qu'ils conditionnent la production d'un bloc important de panneaux solaires, jusqu'à deux hectares[47]. Les parcs solaires utilisant des onduleurs centraux sont souvent configurés en blocs rectangulaires discrets, avec l'onduleur correspondant dans un coin ou le centre du bloc[48] - [49] - [50].

Les onduleurs de chaîne sont sensiblement inférieurs en capacité, de l'ordre de 10 kW[46] - [51], et conditionnent la production d'une seule chaîne de panneau. Il s'agit normalement de tout ou d'une partie d'une rangée de panneaux solaires dans l'ensemble de l'installation. Les onduleurs de chaîne peuvent améliorer l'efficacité des parcs solaires, où les différentes parties du réseau connaissent différents niveaux d'ensoleillement, par exemple lorsqu'elles sont disposées à des orientations différentes ou très serrées pour réduire la superficie du site[45].

Les onduleurs fournissent typiquement une sortie de puissance à des tensions de l'ordre de 480 V_AC[52] - [53]. Les réseaux d'électricité fonctionnent à des tensions beaucoup plus élevées de l'ordre de dizaines ou de centaines de milliers de volts[54], les transformateurs sont donc incorporés pour fournir la puissance nécessaire au réseau. Les transformateurs ont généralement une durée de vie de 25 à 75 ans et ne nécessitent normalement pas de remplacement pendant la vie d'une centrale photovoltaïque.

La performance d'un parc solaire est en fonction des conditions climatiques, de l'équipement utilisé et de la configuration du système. L'entrée d'énergie primaire est l'éclairement lumineux globale sur le site des panneaux solaires, et ceci à son tour est une combinaison du rayonnement direct et du rayonnement diffus[55].

Un facteur déterminant de la production du système est le rendement de conversion des modules solaires, qui dépendra notamment du type de cellule solaire utilisée[56].

Il y aura des pertes entre la production du CC des modules solaires et la puissance CA livrée au réseau, en raison d'un large éventail de facteurs tels que les pertes d'absorption de lumière, l'inadéquation, la chute de tension du câble, les rendements de conversion et autres pertes parasites[57]. Un paramètre appelé «ratio de performance»[58] a été développé pour évaluer la valeur totale de ces pertes. Le rapport de performance donne une mesure de la puissance CA de sortie fournie en proportion de la puissance CC totale que les modules solaires devraient être capables de fournir dans les conditions climatiques ambiantes. Dans les parcs solaires modernes, le rapport de performance devrait normalement dépasser 80%[59] - [60].

La production des premiers systèmes photovoltaïques a diminué jusqu'à 10 % par an[5], mais à partir de 2010, le taux de dégradation était de 0,5 % par an, les modules fabriqués après 2000 ayant un taux de dégradation nettement inférieur, de sorte qu'un système perdrait seulement 12 % de son rendement en 25 ans. Un système utilisant des modules qui se dégradent 4 % par an perdra 64 % de sa production pendant la même période. De nombreux fabricants de panneaux offrent une garantie de performance, généralement 90 % en dix ans et 80 % sur 25 ans. La production de tous les panneaux est généralement garantie à plus ou moins 3 % pendant la première année d'exploitation.

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Par pays

• Liste des plus grandes centrales au monde
• Énergie solaire en Allemagne : Principales centrales photovoltaïques
• Énergie solaire en Chine : Principales centrales photovoltaïques
• Énergie solaire en Espagne : Principales centrales photovoltaïques
• Énergie solaire aux États-Unis : Principales centrales photovoltaïques

• (en) World's largest photovoltaic power plants.