Publié à l'origine dans le numéro de mars/avril de Solar Today .
Dans le secteur de l'énergie solaire, il est communément admis que l'orientation optimale des panneaux solaires photovoltaïques (PV) dans l'hémisphère nord est généralement le sud, afin de maximiser la production d'électricité pendant la durée de vie du système. Récemment, cependant, il y a eu beaucoup de discussions, et même des offres, pour orienter les systèmes PV vers le sud. incitations proposés, pour orienter les systèmes PV vers l'ouest.
Pourquoi devrions-nous orienter les panneaux PV vers l'ouest ? La réponse réside dans l'exigence fondamentale des services publics de fournir un réseau fiable et stable. Pour ce faire, les services publics doivent maintenir l'équilibre à tout moment entre l'énergie consommée (la charge du réseau) et l'énergie produite par toutes les sources, y compris les sources fossiles, nucléaires et renouvelables. Dans ce mélange, l'énergie solaire photovoltaïque représente une ressource variable qui est active du lever au coucher du soleil, et qui atteint son maximum à différents moments de la journée selon l'orientation des panneaux photovoltaïques.
Dans les scénarios de faible pénétration du PV, où peu de panneaux photovoltaïques ont été installés sur les toits, la variabilité et la production de pointe n'auraient que peu ou pas d'effet sur la stabilité du réseau. Cependant, dans les zones à forte pénétration du PV, la variabilité de l'énergie PV et la production de pointe affecteront le réseau de différentes manières. En ce qui concerne la variabilité, les fluctuations de la production PV peuvent être gérées par des prévisions précises et de haute qualité, combinées à une offre adéquate de " réserves tournantes " - des technologies de production rapides et relativement coûteuses. La variabilité de la production d'électricité est très similaire pour les systèmes orientés au sud et à l'ouest.
Programmation de la charge du réseau
La production photovoltaïque peut également avoir un impact sur le réseau en fonction du moment de la journée où l'électricité est produite. Au fur et à mesure que le nombre de systèmes installés (dont la plupart sont orientés vers le sud) augmente, la charge du réseau sera réduite pendant les heures centrales de la journée. Il en résulte un pic de charge plus important en fin d'après-midi, lorsque l'énergie produite par le solaire est moins importante et que la charge électrique atteint son maximum en raison de l'utilisation des lumières, des appareils, des systèmes de climatisation, des chauffe-eau, etc. dans les foyers après le travail et l'école.
C'est au cours de ces périodes - où la production d'énergie photovoltaïque ne correspond pas bien à la demande d'électricité de pointe - que les services publics sont confrontés à un problème. Traditionnellement, les compagnies d'électricité se sont appuyées davantage sur les réserves tournantes pour répondre aux demandes de charge de l'après-midi. Pour éviter d'avoir à recourir à des réserves coûteuses, les services publics et les agences de l'énergie recherchent des solutions créatives pour atténuer les pics de charge de l'après-midi.
L'une de ces solutions consiste à orienter les panneaux solaires photovoltaïques vers l'ouest afin qu'ils produisent davantage d'énergie l'après-midi, pendant les périodes de pointe. C'est l'une des principales motivations de l'incitation incitant la Commission californienne de l'énergie offre en Californie aux utilisateurs qui installent des systèmes orientés vers l'ouest plutôt que vers le sud.
Pour mieux comprendre comment les systèmes photovoltaïques orientés vers l'ouest peuvent contribuer à atténuer les pics de charge électrique, examinons la charge nette réelle déclarée par la Pacific Gas & Electric Company (PG&E) en août 2014. La figure 1 montre la charge du réseau (en gris) du jeudi 21 août au dimanche 24 août. À titre d'illustration, le graphique montre également la production photovoltaïque simulée pour 1 000 mégawatts (MW) de PV distribué, ce qui équivaut à peu près à la capacité PV distribuée actuellement installée sur le territoire de PG&E. La ligne orange représente le profil de production si tous les systèmes simulés étaient orientés vers le sud, et la ligne bleue représente les installations orientées vers l'ouest.
La figure 1 nous permet d'observer comment la production d'énergie des systèmes PV orientés sud et ouest peut affecter le réseau. Les systèmes orientés au sud produisent le plus d'énergie plus tôt dans la journée, tandis que la production de pointe orientée à l'ouest est concentrée plus tard dans la journée, coïncidant plus étroitement avec le pic de charge électrique pendant cette période. Dans le cas du vendredi 22 août, le pic de charge a eu lieu vers 18 heures, heure locale. Alors que les systèmes orientés vers le sud auraient atteint leur pic vers 13 h 30, les systèmes orientés vers l'ouest l'auraient atteint vers 15 h, produisant plus d'énergie pendant le reste de la journée, au moment où les services publics en ont le plus besoin.
Il est également intéressant de noter que la charge du réseau est dynamique, dans la mesure où elle est fortement influencée par les utilisations résidentielles et commerciales. Dans cet exemple, les charges électriques des jours de semaine atteignent leur maximum lorsque les gens rentrent chez eux après le travail. Le week-end, lorsque de nombreux bureaux sont fermés, la charge globale était plus faible.
Bien que les systèmes PV orientés vers le sud produisent globalement plus d'énergie que les systèmes PV orientés vers l'ouest, du point de vue des services publics, l'impact des pertes de production PV globale des systèmes orientés vers l'ouest sera probablement plus que compensé par la valeur de la réduction de la charge de pointe.
Tenez compte de votre toit et d'autres facteurs
Du point de vue du propriétaire d'un système PV, les systèmes orientés vers le sud sont traditionnellement préférés, car ils génèrent généralement la plus grande puissance globale. Cependant, il existe une variété de facteurs qui dictent l'orientation des systèmes en toiture. En général, le toit est un facteur décisif, car la maison dispose d'une structure fixe sur laquelle installer les panneaux photovoltaïques. Bien qu'il soit techniquement possible de donner au système n'importe quelle orientation indépendamment de la conception du toit, les résultats ne sont pas toujours acceptables sur le plan esthétique ou abordables pour le propriétaire.
S'il est possible de choisir l'orientation préférée des panneaux, il est alors possible d'effectuer une simulation de la production photovoltaïque pour les différentes possibilités et de choisir l'option qui produit le meilleur retour sur investissement. Cette analyse prendrait en compte les tarifs d'électricité, ainsi que les obstacles d'ombrage à proximité et à l'horizon lointain, et les conditions météorologiques locales.
Par exemple, dans les endroits où les tarifs en fonction de l'heure d'utilisation sont plus élevés l'après-midi, les panneaux orientés vers l'ouest pourraient être plus rentables, car l'électricité produite par le solaire plus tard dans la journée compense les tarifs électriques plus élevés de l'après-midi. Dans un autre exemple, un bâtiment voisin ou un arbre à l'ouest d'une maison pourrait faire pencher la balance en faveur des orientations sud ou est, tandis que le brouillard matinal récurrent pendant les mois d'été pourrait faire en sorte que les systèmes orientés vers l'ouest produisent globalement plus d'électricité.
La carte de puissance PV de la figure 2 montre la différence relative de production d'énergie pour les systèmes orientés vers le sud par rapport à ceux orientés vers l'ouest pour le sud de la Californie, le sud-ouest du Nevada et l'extrême ouest de l'Arizona, pour le mois d'août 2014. Un système de 1 kilowatt (kW) incliné de 30 degrés est utilisé pour les besoins de cette simulation.
Dans toute la zone d'étude, les systèmes orientés vers le sud ont produit davantage que ceux orientés vers l'ouest au cours du mois d'août 2014. Les différences relatives allaient de 1 % (jaune clair) à 17 % (rouge foncé). Dans les régions côtières, les stratus matinaux de la couche marine qui ont tendance à se consumer dans l'après-midi ont entraîné de petites différences dans la production totale d'énergie pour le mois. Il existe une différence négligeable dans la production par ciel nuageux entre les systèmes PV orientés sud et ouest dans les régions côtières lorsque des stratus marins sont présents, en raison de l'inhibition de l'irradiation normale directe.
Production d'énergie au fil du temps
La figure 3 montre la différence relative de la production mensuelle d'énergie PV entre les systèmes PV orientés vers l'ouest et vers le sud, telle qu'elle varie au cours de l'année. La production d'énergie globale était plus élevée pour les systèmes orientés vers le sud pendant les saisons hors été, mais elle s'est presque égalisée avec celle des systèmes orientés vers l'ouest pendant la période de mai à juillet 2014.
Alors que la production PV globale est souvent maximisée avec l'orientation des systèmes PV en toiture vers le sud, l'orientation des modules PV vers l'ouest peut optimiser la production d'énergie pour atteindre un pic plus tard dans la journée, lorsqu'elle est souvent plus intéressante pour les services publics et les autorités d'équilibrage. Les consommateurs doivent être conscients de toutes les options et tenir compte de toutes les incitations lorsqu'ils prennent des décisions concernant l'installation de systèmes photovoltaïques en toiture.
Remarque : La carte Carte de la puissance PV de la figure 2 a été créée à partir d'estimations de puissance de sortie générées par les services de Clean Power Research. SolarAnywhere Ces services comprennent des capacités de simulation et des données horaires d'irradiation par satellite avec des résolutions spatiales de 1 à 10 kilomètres. Les calculs sont basés sur un système photovoltaïque d'une puissance nominale totale de 1 kW, configuré comme suit : cinq panneaux photovoltaïques de 200 watts avec un onduleur de 1,5 kW ; des panneaux fixes, orientés vers le sud et l'ouest avec une inclinaison de 30 degrés ; pas d'ombrage ; une puissance nominale de 178 watts pour les conditions d'essai PVUSA ; et une efficacité de l'onduleur de 95,5 %. Accédez gratuitement aux données historiques d'irradiance sur www.solaranywhere.com.