L’ombrage constitue la plus grande perte de rendement contrôlable dans la conception d’un système solaire. Un réseau mal espacé peut perdre 5 à 15 % de sa production annuelle à cause de l'ombrage entre les rangées, ce qui équivaut à perdre des mois de production sur une durée de vie de 25 ans. Obtenir le bon espacement des rangées est l’une des décisions les plus importantes de la phase de conception.
Pourquoi les pertes d'ombrage sont disproportionnées
Dans un système d'onduleur de chaîne, les modules d'une chaîne fonctionnent en série. Lorsque la rangée inférieure d'un module (ou la cellule inférieure d'un module portrait) est ombrée par la rangée précédente, elle ne perd pas simplement sa sortie proportionnelle. La section ombrée devient un élément à haute résistance dans le circuit série, activant les diodes de dérivation et réduisant potentiellement la sortie de l'ensemble du module ombré, et pas seulement de la zone de cellule ombrée. Cette perte disproportionnée est « l’effet chaîne » de l’ombrage.
Par exemple : une chaîne de 20 modules dont 1 module perd 50 % de puissance en raison d'un ombrage partiel entre les rangées sous un faible angle d'ensoleillement peut entraîner une perte de puissance de chaîne de 15 à 25 % - et non de 2,5 % (1/20 × 50 %). C’est pourquoi l’optimisation de l’espacement des lignes est bien plus importante qu’il n’y paraît au départ.
La géométrie de l'angle solaire
L’ombrage entre les rangées se produit lorsque le soleil est à un angle d’élévation faible – généralement le matin et le soir, et toute la journée en hiver aux latitudes moyennes à élevées. Le paramètre de conception critique est le angle d'élévation solaire minimum au-dessus duquel la rangée située devant ne projette aucune ombre sur les modules situés derrière.
La relation entre l'espacement des rangées, l'inclinaison du module, la hauteur du module et l'ombre est :
- Longueur de l'ombre projetée par une rangée = hauteur du module × sin (inclinaison) / tan (élévation solaire)
- Pour un ombrage nul : pas de rangée ≥ longueur d'ombre + empreinte de base du module
Concevoir pour zéro ombrage à tout moment nécessiterait un espacement énorme – ce qui serait économiquement peu pratique. L’approche acceptée par l’industrie consiste à concevoir sans ombrage entre les rangées pendant au moins 6 à 8 heures par jour, avec de faibles pertes sous de faibles angles d’ensoleillement tôt le matin et en fin d’après-midi (lorsque l’irradiation est également faible et que la pénalité énergétique est mineure).
Espacement des rangs par latitude
| Latitude du site | Angle d'inclinaison typique | GCR (taux de couverture du sol) | Perte d’ombrage estimée entre les rangées |
|---|---|---|---|
| 10–20° (tropiques) | 10-15° | 0,40-0,50 | 1 à 3 % |
| 20–35° (subtropicales) | 20-25° | 0,35-0,45 | 2 à 4 % |
| 35–45° (Méditerranée) | 25-30° | 0,30-0,40 | 3 à 6 % |
| 45–55° (Europe continentale) | 30-35° | 0,25-0,35 | 4 à 8 % |
| 55°+ (Europe du Nord) | 35-40° | 0,20-0,30 | 5 à 10 % |
Trackers à axe unique : problème différent, solution différente
Les trackers à axe unique (SAT) modifient la géométrie de l'ombrage car l'espacement des rangées par rapport à une référence horizontale change tout au long de la journée. La plupart des installations SAT utilisent un algorithme de « retour en arrière » : à de faibles angles d'élévation solaire, le tracker s'incline vers l'horizontale pour éviter de projeter une ombre sur la rangée adjacente – échangeant une certaine optimisation de l'angle de sortie contre l'élimination de l'ombrage entre les rangées. Le retour en arrière récupère généralement 2 à 5 % de la production annuelle qui serait autrement perdue à cause de l'ombrage des systèmes SAT.
Modules bifaciaux : l'espacement affecte le rendement du côté arrière
Les modules bifaciaux génèrent de l'énergie à partir des surfaces avant et arrière. La face arrière capte l’irradiation réfléchie par le sol – la contribution « albédo ». Un taux de couverture au sol plus élevé (rangées plus serrées) réduit la zone au sol visible depuis l'arrière de chaque module, réduisant ainsi l'irradiation arrière. Pour les modules bifaciaux, le GCR optimal est inférieur à celui pour les modules monofaciaux - généralement 0,25 à 0,35 - pour permettre une contribution adéquate à l'albédo de 5 à 15 % de génération supplémentaire de la face arrière. Les outils de simulation (PVsyst, Bifacial_radiance) modélisent cela explicitement.
Conception de cordes pour minimiser l'impact de l'ombrage
Au-delà de l’espacement des lignes, la configuration des chaînes affecte la manière dont les pertes d’ombrage se propagent :
- Filage horizontal (est-ouest) : Chaque chaîne contient des modules à la même hauteur dans chaque ligne — lorsque la ligne du bas est ombrée, la perte est répartie proportionnellement sur toutes les chaînes. Idéal pour un impact d’ombrage uniforme.
- Enfilage vertical (nord-sud, par rangée) : Chaque chaîne est contenue dans une seule ligne : lorsqu'une ligne est ombrée, seule cette chaîne est affectée. Peut être meilleur ou pire selon architecture MPPT de l'onduleur.
- Modules demi-coupés : Divisez chaque module en deux moitiés électriques indépendantes, avec des diodes de dérivation protégeant chaque moitié. Lorsque l'ombrage entre les rangées affecte uniquement la moitié inférieure des modules portrait, seule la diode de dérivation de la moitié inférieure s'active, ce qui réduit de moitié la perte de sortie par module ombré par rapport aux cellules entièrement coupées.