Installation photovoltaïque : cours, calcul de chaîne et onduleur

Il y a quinze ans, le photovoltaïque était un métier de spécialistes. Aujourd'hui, l'électricien du bâtiment en pose, en raccorde et en dépanne régulièrement, et c'est un support classique des épreuves de bac pro et de BTS. Le piège, c'est de le traiter comme un circuit de plus : le courant continu ne se coupe pas comme l'alternatif, les modules ne s'éteignent pas, et une tension mal calculée un matin de janvier suffit à détruire un onduleur.

Ce cours d'installation photovoltaïque suit l'ordre d'un chantier : comprendre ce que produit un module, calculer une chaîne, choisir l'onduleur, protéger le côté DC puis le côté AC, et boucler les démarches jusqu'à la mise en service.

De la cellule au module : Voc, Isc, MPP et kWc

La cellule photovoltaïque est une fine plaque de silicium qui, éclairée, se comporte comme un petit générateur de courant continu. Sa tension est faible, de l'ordre de 0,6 V à vide, et elle ne dépend presque pas de l'ensoleillement ; son courant, lui, est proportionnel à la lumière reçue. Pour obtenir une tension exploitable, le fabricant câble les cellules en série sous un même verre : c'est le module, que tout le monde appelle panneau.

La fiche technique d'un module donne ses valeurs en conditions STC (Standard Test Conditions) : éclairement de 1 000 W/m², cellule à 25 °C. Quatre grandeurs y reviennent toujours.

La courbe I-V se lit de gauche à droite. Module en court-circuit, la tension est nulle et le courant vaut Isc ; module à vide, le courant est nul et la tension vaut Voc. Entre les deux, la puissance P = U × I passe par un maximum, le MPP. C'est ce point que l'onduleur cherche en permanence grâce à sa fonction MPPT (suivi du point de puissance maximale), puisqu'il bouge avec l'éclairement et la température.

Deux effets sont à retenir. Le courant suit la lumière : par ciel voilé, Isc et Impp chutent, la tension beaucoup moins. La tension suit la température, en sens inverse : une cellule froide donne plus de tension, une cellule chaude moins. Or en plein été, une cellule au soleil dépasse facilement 60 °C, et un matin d'hiver elle est à la température de l'air. C'est tout l'enjeu du calcul de chaîne.

Enfin, le kilowatt-crête (kWc) additionne les puissances crêtes des modules : 14 modules de 425 Wc font 5,95 kWc. C'est une puissance de référence, pas une puissance garantie. Pour estimer une production annuelle, on multiplie par un productible en kWh par kWc et par an, qui dépend de la région, de l'orientation et de l'inclinaison, et que les logiciels de calcul fournissent. Le choix du nombre de modules, lui, relève d'une étude de consommation : notre article sur les démarches et les coûts d'une installation photovoltaïque aborde ce volet client.

Le schéma d'une installation photovoltaïque raccordée au réseau

Avant les calculs, il faut avoir en tête le trajet de l'énergie. Le schéma d'installation photovoltaïque type, pour une maison en autoconsommation, se lit de gauche à droite.

Les modules, reliés entre eux par des connecteurs débrochables (type MC4), forment une ou plusieurs chaînes. Des câbles solaires spécifiques descendent jusqu'au coffret DC, qui contient au minimum l'interrupteur-sectionneur DC et, selon les cas, les parafoudres et les fusibles de chaîne. L'onduleur convertit le continu en alternatif. Le coffret AC protège la liaison vers le tableau, en aval de l'AGCP. Le compteur Linky compte à la fois l'énergie soutirée et l'énergie injectée sur le réseau.

Chaînes en série, chaînes en parallèle

Les règles sont celles de n'importe quel générateur. En série, les tensions s'additionnent et le courant reste celui d'un module : 7 modules donnent une chaîne à 7 × 38,9 = 272,3 V à vide et à 7 × 32,2 = 225,4 V au MPP, où elle débite 13,2 A. En parallèle, les courants s'additionnent et la tension reste celle d'une chaîne : deux chaînes identiques sur la même entrée donnent 2 × 13,2 = 26,4 A sous la même tension.

Une contrainte en découle : toutes les chaînes raccordées sur une même entrée MPPT doivent être identiques, même nombre et même modèle de modules, même orientation. Une chaîne plus courte imposerait sa tension aux autres, et l'onduleur ne trouverait le bon point pour aucune. D'où l'intérêt des onduleurs à deux entrées MPPT quand le toit a deux pans : une chaîne par pan, chacune suivie séparément.

Côté sécurité, la mise en série est ce qui rend le photovoltaïque dangereux. Un module seul reste sous 60 V ; dix modules en série approchent 400 V en continu, sans aucun moyen de les éteindre tant qu'il fait jour.

Calcul d'une chaîne photovoltaïque : tensions et température

C'est le calcul qui tombe dans tous les sujets de bac pro et de BTS. On cherche combien de modules on peut mettre en série sans sortir des limites de l'onduleur, en été comme en hiver. Prenons, comme données d'exemple, l'onduleur d'une maison : tension d'entrée maximale 600 V, plage MPPT de 90 V à 520 V, 20 A au plus par entrée.

Le nombre maximal de modules : on calcule au froid

Le cas le plus dangereux pour l'onduleur est un matin d'hiver, ciel clair, onduleur encore arrêté : les modules sont à vide et froids, leur tension est au plus haut. Le guide UTE C 15-712-1 demande de dimensionner tout le matériel DC sur Uoc max = k × Uoc STC, où k dépend de la température ambiante minimale du lieu. Pour un site où il peut faire −10 °C, le tableau du guide donne k = 1,14 ; faute de connaître la température minimale, on prend k = 1,2.

Avec notre module : Uoc max = 1,14 × 38,9 = 44,35 V. Le nombre maximal de modules vaut N max = 600 / 44,35 = 13,5, que l'on arrondit toujours à l'entier inférieur : 13 modules. À 14 modules, la chaîne atteindrait 14 × 44,35 = 620,9 V et dépasserait la tension maximale de l'onduleur. La même Uoc max sert à choisir la tension d'emploi de l'interrupteur-sectionneur, des fusibles, des parafoudres et des câbles.

Le nombre minimal de modules : on calcule au chaud

À l'inverse, une journée de canicule fait baisser la tension. Si la tension de la chaîne au MPP descend sous le bas de la plage MPPT, l'onduleur ne suit plus le point de puissance maximale, voire décroche. On prend une cellule à 70 °C, soit 45 °C au-dessus des conditions STC, et on applique à Umpp le coefficient de température de Voc, faute de coefficient propre sur la fiche (approximation à annoncer dans la copie) : Umpp à 70 °C = 32,2 × (1 − 0,0027 × 45) = 32,2 × 0,878 = 28,3 V. D'où N min = 90 / 28,3 = 3,2, arrondi à l'entier supérieur : 4 modules.

Le courant

Un module ne peut pas débiter beaucoup plus que son Isc, mais l'éclairement réel dépasse parfois les 1 000 W/m² des conditions STC, par exemple quand un nuage réfléchit le soleil. Le guide retient donc Isc max = 1,25 × Isc STC, ici 1,25 × 13,9 = 17,4 A par chaîne. On vérifie que ce courant reste sous le courant d'entrée admissible de l'onduleur (ici 17,4 A < 20 A : conforme), et c'est lui qui sert à dimensionner les câbles et l'interrupteur-sectionneur.

Pour nos 14 modules, deux chaînes de 7 sur deux entrées MPPT conviennent : 7 × 44,35 = 310 V au plus au froid, 7 × 28,3 = 198 V au moins au chaud, toujours dans la plage.

Onduleur photovoltaïque : fonctionnement, central ou micro-onduleurs

Un onduleur photovoltaïque réalise trois fonctions. Il convertit le courant continu en courant alternatif sinusoïdal, synchronisé en tension et en fréquence sur le réseau. Il optimise la production grâce au MPPT. Et il surveille le réseau grâce à sa protection de découplage : si le réseau disparaît ou sort des tolérances de tension et de fréquence, il se déconnecte. Sans cette fonction, un agent d'Enedis qui travaille sur une ligne coupée pourrait la trouver alimentée par les maisons équipées de panneaux.

Avec des micro-onduleurs, le calcul de chaîne disparaît : chaque module travaille seul, et la question devient celle du nombre maximal de micro-onduleurs par branche AC, donné par le fabricant, et du calibre de la protection de cette branche. Pour la comparaison côté client, prix et cas d'usage, voir notre article onduleur de chaîne ou micro-onduleurs.

Le côté DC : sectionnement, parafoudre, câbles et arc électrique

Pourquoi le courant continu est plus dangereux

Un arc en alternatif s'éteint souvent de lui-même, car le courant repasse par zéro cent fois par seconde. En continu, rien de tel : un arc amorcé peut durer tant que la source débite, et les modules débitent tant qu'il fait jour. Ajoutez que les modules sont des générateurs de courant, dont le court-circuit dépasse à peine le courant normal : un disjoncteur ordinaire ne verra jamais de surintensité.

Les arcs naissent presque toujours d'une mauvaise connexion : connecteur mal serti, mal enclenché, ou connecteurs de deux marques différentes accouplés, un défaut que le Consuel relève systématiquement, comme le raconte notre article sur des connecteurs MC4 de marques différentes. Viennent ensuite les câbles écrasés sous une tuile, frottant sur un rail, ou dont l'isolant a vieilli aux UV.

Ce que demande le guide côté DC

Tout le côté DC est réalisé en classe II : modules, câbles, boîtes et coffrets à double isolation, ce qui dispense de coupure automatique au premier défaut. Les câbles sont des câbles solaires unipolaires, résistants aux UV, le + et le − cheminant côte à côte pour limiter la surface de boucle exposée aux surtensions de foudre. La chute de tension entre modules et onduleur ne doit pas dépasser 3 %, calculée au courant Impp et rapportée à la tension Umpp de la chaîne ; pour limiter les pertes, beaucoup d'installateurs visent 1 %.

Près de l'onduleur, un interrupteur-sectionneur DC omnipolaire, capable de couper en charge, permet d'isoler l'onduleur. Ne pas confondre avec un simple sectionneur ni avec un connecteur, qui ne doivent jamais s'ouvrir en charge. Dans un logement, les dispositifs de coupure d'urgence sont à action manuelle directe.

Les fusibles de chaîne (marquage gPV) ne sont pas nécessaires avec une ou deux chaînes en parallèle. Au-delà, si une chaîne est en défaut, les autres peuvent y renvoyer un courant inverse supérieur à ce que les modules supportent ; avec les modules courants, c'est le cas dès trois chaînes, et le calcul présenté plus bas le vérifie. On protège alors chaque chaîne, sur chaque polarité.

Le parafoudre DC devient obligatoire quand le bâtiment a un paratonnerre, ou quand la longueur de câbles DC dépasse une longueur critique qui dépend de la densité de foudroiement du lieu. On le place en priorité près de l'onduleur, l'appareil le plus fragile. Côté AC, le parafoudre suit les règles de la NF C 15-100 pour le tableau, résumées dans notre article le parafoudre est-il obligatoire.

Enfin, les masses métalliques (rails, cadres de modules, onduleur de classe I) sont reliées à la terre de l'installation, et chaque boîte ou coffret DC porte une étiquette signalant des câbles sous tension, même après coupure.

Le côté AC : protection et raccordement au tableau

Côté alternatif, on retrouve des notions connues. L'onduleur est raccordé par un circuit dédié, qui ne dessert rien d'autre, avec en tête un dispositif de coupure et de sectionnement et une protection contre les surintensités. Le courant d'emploi se prend égal au courant maximal de sortie donné par le fabricant, ou à défaut à 1,1 fois le courant nominal. Pour un onduleur monophasé de 5 kVA : In = 5 000 / 230 = 21,7 A, soit I_B = 1,1 × 21,7 = 23,9 A ; le disjoncteur et la section se choisissent ensuite comme pour tout circuit, avec la méthode du cours sur les sections de câble et la chute de tension.

Dans un logement, le guide de 2013 demande que le circuit de l'onduleur soit protégé par un dispositif différentiel 30 mA. Le type de différentiel compatible est précisé par la notice de l'onduleur : on la lit avant de commander la protection. La chute de tension entre l'onduleur et le point de livraison reste sous 3 %, 1 % étant recommandé pour éviter que l'onduleur ne décroche sur surtension en fin de ligne.

En autoconsommation, l'onduleur se raccorde sur le tableau existant, en aval de l'AGCP : l'énergie produite alimente d'abord les appareils de la maison, le surplus repart vers le réseau à travers le compteur. En vente totale, l'installation dispose de son propre branchement, avec son disjoncteur de branchement et son comptage. Les kits que l'on branche sur une prise relèvent d'une autre logique, hors du champ de ce cours.

Autoconsommation, vente du surplus ou vente totale

Trois modes de fonctionnement existent, et ils se choisissent dès la demande de raccordement.

En autoconsommation avec vente du surplus, la maison consomme sa production et le surplus est injecté puis acheté, en général par EDF OA dans le cadre de l'obligation d'achat. En autoconsommation sans injection, rien ne doit repartir sur le réseau : l'installation est équipée d'un dispositif qui bride l'onduleur, et le producteur signe avec Enedis une convention d'autoconsommation sans injection (CACSI). La déclaration reste obligatoire, même sans injection. En vente totale, toute la production est injectée. Le choix est d'abord économique ; notre article autoconsommer ou revendre compare les deux logiques.

Pour juger une installation en autoconsommation, deux taux se calculent. Le taux d'autoconsommation est la part de la production consommée sur place : énergie autoconsommée / énergie produite. Le taux d'autoproduction est la part des besoins couverte par les panneaux : énergie autoconsommée / énergie consommée. Une installation trop grande a un bon taux d'autoproduction et un mauvais taux d'autoconsommation.

Normes, Consuel et démarches Enedis

Le photovoltaïque se conçoit d'après le guide UTE C 15-712-1, qui complète la NF C 15-100 ; sa version en vigueur date de juillet 2013 et couvre les installations sans stockage raccordées au réseau. En attendant sa révision officielle, un groupe d'experts de la filière a publié en janvier 2024, sous l'égide de l'association Hespul, un guide complémentaire, mis à jour depuis, qui traite notamment des modules bifaces, des fusibles de chaîne, des optimiseurs, des micro-onduleurs, de la coupure d'urgence DC et du raccordement du neutre. Les installations avec batteries relèvent d'un autre texte, le XP C 15-712-3.

Côté démarches, l'ordre est toujours le même. On dépose d'abord en mairie la déclaration préalable ou le permis exigé. On fait ensuite la demande de raccordement auprès d'Enedis, en choisissant le mode : vente totale, surplus ou sans injection. Une fois les travaux terminés, l'installateur obtient l'attestation de conformité visée par le Consuel : attestation bleue sans stockage, violette avec batterie, accompagnée d'un dossier technique SC 144 qui décrit modules, onduleur, protections et schéma. Enedis réalise alors la mise en service ; injecter avant cette date est interdit. Le contrat d'achat du surplus se signe en dernier. Pour bénéficier des aides et de l'obligation d'achat, le client doit passer par un installateur qualifié : notre retour d'expérience sur la formation QualiPV Elec décrit ce parcours.

Habilitation : BP et opérations sur le photovoltaïque

Le courant continu d'une chaîne est de la basse tension, et les modules sont sous tension en permanence : toute intervention relève de la NF C 18-510. Elle prévoit un symbole propre, le BP, pour les opérations élémentaires sur chaîne photovoltaïque. Il est volontairement étroit : le titulaire peut seulement manipuler et connecter les modules à l'aide de connecteurs débrochables lors de l'installation initiale d'une chaîne. C'est l'habilitation du couvreur qui pose les panneaux.

Le raccordement au coffret DC, la mise en service et surtout le dépannage demandent une habilitation d'électricien adaptée à l'opération, avec une formation qui traite des spécificités du courant continu photovoltaïque. Symboles, zones et consignation sont détaillés dans le cours sur l'habilitation électrique. Sur un champ PV, la consignation ne supprime pas la tension en amont de l'interrupteur-sectionneur : il faut considérer les câbles de chaîne comme sous tension, ou occulter les modules. L'habilitation ne couvre que le risque électrique : en toiture, le premier danger reste la chute, et la pose se fait avec des protections collectives (échafaudage, garde-corps) ou, à défaut, un harnais sur point d'ancrage, jamais en marchant sur une couverture fragile.

Pour aller plus loin (BTS)

En BTS, on attend le calcul des protections de chaîne. Le guide fixe d'abord le nombre maximal de chaînes que l'on peut mettre en parallèle sans protection : Nc max = 1 + IRM / Isc STC, arrondi à l'entier inférieur, où IRM est le courant inverse que le module supporte, indiqué sur sa fiche comme calibre maximal de fusible. Au-delà, chaque chaîne reçoit un fusible gPV sur chaque polarité, de calibre In tel que 1,4 × Isc STC ≤ In ≤ IRM. Tant que le générateur compte moins de 20 chaînes, le câble de chaîne doit alors supporter le courant conventionnel de fusion de ce fusible, 1,45 In, après application des facteurs de correction ; sous des modules en plein été, on retient couramment 70 °C d'ambiance.

La chute de tension DC se calcule par ΔU = 2 × ρ1 × L / S × Impp, avec ρ1 = 0,023 Ω·mm²/m pour le cuivre en service, L la longueur aller, S la section. On la rapporte à Umpp de la chaîne.

Pour le parafoudre DC, on compare la longueur cumulée L des câbles DC à une longueur critique de la forme Lcrit = k / Ng, où Ng est la densité de foudroiement en impacts par km² et par an et k dépend du type d'installation. Le tableau repris dans les supports de formation donne 115 / Ng pour une habitation individuelle, 200 / Ng pour une centrale au sol et 450 / Ng pour un bâtiment tertiaire, industriel ou agricole ; en examen, on prend la valeur donnée par le sujet. Si L atteint Lcrit, le parafoudre est obligatoire. Sa tension maximale de régime permanent doit dépasser Uoc max, et son niveau de protection Up rester sous la tension de tenue aux chocs du matériel protégé.

Enfin, le coefficient de température permet un calcul plus fin que le tableau du guide : Uoc à −10 °C = 38,9 × (1 + 0,0027 × 35) = 42,6 V, un peu moins que les 44,35 V du tableau, qui garde une marge. En examen, on applique la méthode demandée par le sujet et on justifie.

Les erreurs qui reviennent

La plus coûteuse est de calculer la chaîne à 25 °C. Quinze modules à 38,9 V font 583,5 V : sous les 600 V de l'onduleur, tout va bien sur le papier. Un matin de janvier à −10 °C, ils font 15 × 44,35 = 665 V. L'onduleur ne pardonne pas ce genre de surtension.

Vient ensuite débrancher un connecteur en charge. Le connecteur MC4 n'a aucun pouvoir de coupure : ouvert sous 13 A et 300 V, il amorce un arc qui brûle le connecteur et parfois les mains. On coupe d'abord le côté AC pour que l'onduleur cesse de débiter, puis l'interrupteur-sectionneur DC, et seulement ensuite on touche aux connecteurs, après avoir vérifié à la pince ampèremétrique DC qu'aucun courant ne circule dans la chaîne.

Troisième erreur : mélanger les connecteurs de marques différentes, ou sertir avec la mauvaise pince. Les contacts semblent s'emboîter, mais la résistance de contact chauffe au fil des années. C'est un motif de refus au Consuel et une cause d'incendie.

Dernière erreur : traiter le coffret DC comme un tableau ordinaire. Un disjoncteur ou un parafoudre prévu pour l'alternatif n'a rien à faire sur une chaîne en continu : il ne saurait pas éteindre l'arc. Tout matériel DC doit être marqué pour le courant continu et pour la tension Uoc max.

Exercices corrigés

Les six premiers exercices correspondent au niveau bac pro, les deux derniers au BTS. Données du module pour tous les exercices : Pc = 425 Wc ; Voc = 38,9 V ; Isc = 13,9 A ; Umpp = 32,2 V ; Impp = 13,2 A ; coefficient de température −0,27 %/°C ; courant inverse admissible IRM = 25 A. Cherchez avant d'ouvrir le corrigé.

Exercice 1. Un client pose 14 modules. Calculez la puissance crête de l'installation, puis sa production annuelle avec un productible de 1 150 kWh par kWc et par an.

Exercice 2. Les 14 modules sont répartis en deux chaînes de 7, raccordées en parallèle sur la même entrée (calcul de principe : on ne vérifie pas ici le courant admissible de l'entrée). Donnez la tension à vide d'une chaîne en conditions STC, puis la tension et le courant au MPP de l'ensemble.

Exercice 3. L'onduleur accepte au plus 600 V en entrée. La température minimale du site est −10 °C (k = 1,14). Combien de modules au maximum par chaîne ? Et si la température minimale est inconnue ?

Exercice 4. Une chaîne de 7 modules est reliée à l'onduleur par un câble solaire cuivre de 4 mm², longueur aller 20 m. Calculez la chute de tension au MPP (ρ1 = 0,023 Ω·mm²/m). Est-elle conforme ? Que donnerait du 6 mm² ?

Exercice 5. Sur une année, l'installation produit 6 840 kWh, dont 2 740 kWh consommés sur place. Le foyer consomme 8 000 kWh par an. Calculez le taux d'autoconsommation, le taux d'autoproduction et l'énergie vendue en surplus.

Exercice 6. La plage MPPT de l'onduleur va de 90 V à 520 V. En prenant une cellule à 70 °C l'été et à −10 °C l'hiver, vérifiez qu'une chaîne de 7 modules reste dans la plage, puis donnez le nombre minimal de modules. On applique le coefficient de −0,27 %/°C à Umpp.

Exercice 7 (BTS). Sur un bâtiment agricole, quatre chaînes identiques sont mises en parallèle dans une boîte de jonction. Faut-il des fusibles de chaîne ? Si oui, quel calibre ? Quel courant minimal pour l'interrupteur-sectionneur de sortie ?

Exercice 8 (BTS). Maison individuelle, densité de foudroiement Ng = 2 impacts/km²/an, longueur cumulée des câbles DC 45 m. On donne Lcrit = 115 / Ng. Le parafoudre DC est-il obligatoire ? Même question pour un site où Ng = 1, avec une longueur de câbles de 120 m.

Sources

• Photovoltaique.info (Hespul), Normes électriques applicables aux systèmes photovoltaïques : guide UTE C 15-712-1 (juillet 2013), guide complémentaire de janvier 2024, XP C 15-712-3, et attestation Consuel et dossiers SC 144.
• Enedis, Installer des panneaux solaires : étapes, démarches, raccordement et mise en service.
• ADEME et SER, Spécifications techniques relatives à la protection des personnes et des biens dans les installations photovoltaïques raccordées au réseau (janvier 2012, d'après l'édition 2010 du guide) : facteurs k, 1,25 × Isc, Nc max, fusibles de chaîne, câbles.
• Université Grenoble Alpes, IUT 1, sujet de licence professionnelle sur le photovoltaïque : annexe « critère de choix des parafoudres » (Lcrit = 115 / Ng, 200 / Ng, 450 / Ng).
• INRS, L'habilitation électrique, démarche de prévention (ED 6127) : symbole BP et opérations sur chaîne photovoltaïque.

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