L'essor de la technologie photovoltaïque bifaciale (PV) a révolutionné l'industrie solaire, offrant des augmentations de rendement énergétique allant jusqu'à 30 % en capturant la lumière réfléchie sur la face arrière du module. Cependant, cette énergie “bonus” s'accompagne d'un défi d'ingénierie crucial : gain de courant. Pour les ingénieurs électriciens et les concepteurs de systèmes, la nature variable de l'éclairement arrière signifie que les règles standard de dimensionnement de la protection contre les surintensités sont souvent insuffisantes.
Si vous dimensionnez les fusibles uniquement en fonction de la valeur nominale des conditions d'essai standard (STC) de la face avant, vous risquez un déclenchement intempestif, une fatigue de l'équipement et des risques d'incendie potentiels lors des pics d'albédo. En tant que fabricant leader d'équipements de protection électrique, VIOX Electric comprend que le dimensionnement correct des fusibles pour les réseaux bifaciaux nécessite une compréhension nuancée à la fois du Code national de l'électricité (NEC) et de la physique de l'éclairement réfléchi.
La physique du gain de courant bifacial
Contrairement aux modules monofaciaux traditionnels, les panneaux bifaciaux sont dotés d'une feuille arrière transparente ou d'une conception à double vitrage qui permet à la lumière d'atteindre les cellules solaires par l'arrière. La face arrière contribue à la puissance de sortie totale, mais plus important encore pour la protection du circuit, elle contribue directement au courant de court-circuit (I_{sc}).
La quantité de courant supplémentaire généré dépend fortement de l'albédo (réflectivité) de la surface sous les panneaux et de la hauteur d'installation. Un panneau au-dessus d'une toiture commerciale blanche (albédo élevé) générera beaucoup plus de courant qu'un panneau au-dessus d'asphalte ou d'herbe.
Coefficient de bifacialité et facteur de gain
Pour dimensionner correctement la protection, nous devons quantifier ce gain.
- Coefficient de bifacialité: Le rapport entre l'efficacité de la face arrière et l'efficacité de la face avant (généralement 70 à 80 % pour les cellules PERC ou TOPCon modernes).
- Facteur de gain bifacial (BGF): L'augmentation réelle en pourcentage du courant pendant le fonctionnement. Bien que les fabricants puissent indiquer un gain de “référence”, le BGF réel se situe généralement entre 10 % et 15 %, avec des pics allant jusqu'à 25-30 % dans des conditions optimisées (par exemple, neige ou membranes blanches).
Les ingénieurs ne peuvent pas simplement ignorer ce courant supplémentaire. Le fusible doit être capable de supporter le I_{sc} combiné total sans se détériorer, tout en protégeant le fil et le module contre les défauts.
NEC 690.8 et la règle 1.56 : Adapté pour le bifacial
Le Code national de l'électricité (NEC) fournit le cadre pour le dimensionnement des circuits PV, mais les modules bifaciaux ajoutent une couche de complexité à l'article 690.8.
Le dimensionnement standard suit la “règle 1.56” :
I_{fuse} \ge I_{sc} \times 1.25 \text{ (Facteur d'éclairement)} \times 1.25 \text{ (Facteur de service continu)}
Pour des conseils détaillés sur le dimensionnement standard, consultez notre Guide de dimensionnement des sectionneurs de fusibles PV (règle NEC 1.56).
Cependant, pour les modules bifaciaux, I_{sc} n'est pas un nombre statique. NEC 690.8(A)(2) permet un calcul basé sur la “moyenne de courant la plus élevée sur 3 heures”, mais une pratique d'ingénierie plus courante et plus sûre consiste à ajuster la base I_{sc} avant d'appliquer les facteurs de sécurité.
La formule ajustée
Pour garantir la conformité et la sécurité, utilisez le I_{sc} ajusté :
I_{sc, ajusté} = I_{sc, avant} \times (1 + \text{Gain bifacial})
Appliquez ensuite les facteurs de protection standard :
\text{Calibre minimum du fusible} = I_{sc, ajusté} \times 1.56
Tableau 1 : Comparaison du calcul du courant bifacial vs. monofacial
| Paramètre | Module monofacial | Module bifacial (gain de 15 %) |
|---|---|---|
| I_{sc} nominal (avant) | 13.0 A | 13.0 A |
| Gain côté arrière | 0 A | +1.95 A (13.0 × 0.15) |
| I_{sc} effectif | 13.0 A | 14.95 A |
| Multiplicateur NEC | 1.56 | 1.56 |
| Fusible min. calculé | 20.28 A | 23.32 A |
| Taille de fusible standard | 20A ou 25A | 25A ou 30A |
Notez comment le gain bifacial pousse l'exigence à la taille de fusible standard suivante.
IEC 60269-6 et exigences relatives aux fusibles gPV
Bien que le calcul du dimensionnement soit essentiel, le taper type de fusible sélectionné est tout aussi critique. Pour les applications photovoltaïques, vous devez utiliser des fusibles avec une gPV caractéristique selon CEI 60269-6.
Contrairement aux fusibles AC standard ou aux fusibles DC à usage général, les fusibles gPV sont conçus pour interrompre les faibles surintensités (généralement 1,35x à 2x le courant nominal) qui sont courantes dans les chaînes PV lors d'événements d'ombrage ou de désadaptation.
Pourquoi gPV est important pour le bifacial
Les modules bifaciaux peuvent supporter des courants légèrement supérieurs à leur valeur nominale pendant de longues périodes lors des journées à albédo élevé. Un fusible non gPV pourrait se fatiguer sous cette charge thermique continue, entraînant une défaillance prématurée. De plus, les tensions CC élevées (1000 V ou 1500 V) nécessitent des capacités spécifiques de coupure d'arc que l'on trouve dans les fusibles gPV en céramique.
Pour une comparaison plus approfondie des matériaux de fusibles, lisez notre article sur Guide de sécurité des fusibles en verre vs. fusibles en céramique.
Méthodologie de calcul complète
Pour dimensionner les fusibles d'un système bifacial, suivez ce processus d'ingénierie étape par étape.
Étape 1 : Déterminer le I_{sc} de Référence
Consulter la fiche technique du module. Rechercher “ Irradiance Nominale Bifaciale ” ou des tableaux de données spécifiques indiquant le I_{sc} à différents niveaux de gain (par exemple, 10 %, 20 %, 30 %). Si ces données ne sont pas disponibles, un ingénieur prudent suppose généralement un gain de 20 à 25 % pour les calculs afin d’assurer la sécurité, sauf si une modélisation de l’albédo spécifique au site prouve le contraire.
Étape 2 : Appliquer les Facteurs NEC 690.8
Calculer le calibre minimal du dispositif de protection contre les surintensités (OCPD).
I_{OCPD} = I_{sc, bifacial} \times 1.25 \times 1.25
Étape 3 : Vérifier le Calibre Maximal du Fusible en Série du Module
Il est crucial que le fusible sélectionné ne dépasse pas le “ Calibre Maximal du Fusible en Série ” indiqué sur la fiche technique du module. Cela crée une fenêtre de conception :
- Plancher : Calibre minimal calculé de l’OCPD (pour éviter les déclenchements intempestifs).
- Plafond : Calibre Maximal du Fusible en Série du Module (pour protéger le module).
Si la valeur calculée dépasse le calibre maximal du module, vous ne pouvez pas simplement augmenter la taille du fusible. Vous devrez peut-être augmenter le nombre de chaînes (réduire les connexions parallèles) ou consulter le fabricant du module pour obtenir des certifications mises à jour.
Pour les systèmes combinant plusieurs chaînes, assurez-vous de bien comprendre les exigences relatives aux connexions parallèles décrites dans notre guide : Exigences relatives aux fusibles PV solaires : Chaînes Parallèles NEC 690.9.
Tableau 2 : Exemples de dimensionnement de fusibles pour différents calibres de modules bifaciaux
| I_{sc} Avant du Module | Gain Bifacial Utilisé | I_{sc} Ajusté | Calcul du Fusible Minimal (I \times 1.56) | Prochain Calibre de Fusible Standard |
|---|---|---|---|---|
| 10 A | 10% | 11,0 A | 17,16 A | 20 A |
| 15 A | 15% | 17,25 A | 26,91 A | 30 A |
| 18 A | 20% | 21,6 A | 33,70 A | 35 A ou 40 A |
| 20 A | 25% | 25,0 A | 39,00 A | 40 A |
Déclassement de Température : Le Tueur Silencieux de Fusibles
Les fusibles sont des dispositifs thermiques ; ils fonctionnent en fondant lorsqu’ils deviennent trop chauds. Par conséquent, les températures ambiantes élevées affectent leur capacité de transport de courant. Les installations solaires sur les toits connaissent souvent des températures supérieures à 60 °C ou 70 °C.
Pour les modules bifaciaux, le courant supplémentaire génère une chaleur supplémentaire dans la liaison fusible (P = I^2R). Si vous installez un fusible calibré à 25 A dans un boîtier de raccordement qui atteint 60 °C, ce fusible pourrait effectivement être déclassé à 20 A ou moins.
Lors du dimensionnement pour les systèmes bifaciaux, appliquer un facteur de déclassement de température (K_t) à partir de la fiche technique du fabricant du fusible :
I_{fuse, final} = \frac{\text{Courant Minimal Calculé}}{K_t}
Le fait de ne pas tenir compte de la température est une cause principale de fatigue des fusibles dans les climats chauds. Apprenez-en davantage sur la protection des câbles et des fusibles dans les environnements difficiles dans notre Guide de Dimensionnement des Fusibles de Câbles Solaires pour Montage au Sol.
Considérations de Conception Réelles
Tableau 3 : Facteurs de Gain Bifacial par Type d’Installation et Albédo
| Matériau de Surface | Albédo (%) | Gain de Courant Typique | Marge de Sécurité Recommandée |
|---|---|---|---|
| Herbe / Sol | 15-20% | 5-7% | Faible |
| Béton / Sable | 20-30% | 7-10% | Moyen |
| Toit à Membrane Blanche | 60-80% | 15-20% | Haute |
| Neige | 80-90% | 20-30%+ | Très élevé |
Sélection du Boîtier de Raccordement
Le courant supplémentaire des modules bifaciaux a également un impact sur les barres omnibus et la gestion thermique du boîtier de raccordement. Lors de la sélection d’un boîtier de raccordement, assurez-vous que l’indice de protection de l’enveloppe et les barres omnibus internes sont dimensionnés pour le courant total bifacial, et pas seulement pour le calibre côté avant. Pour la planification de l’expansion, consultez notre Guide de Dimensionnement des Boîtiers de Raccordement Solaires.
Surintensité vs. Court-Circuit
Il est important de faire la distinction entre la protection contre les surcharges et la protection contre les courts-circuits. Le gain bifacial augmente le courant de fonctionnement, le rapprochant du seuil de surcharge. L’utilisation de disjoncteurs ou de fusibles avec des réglages de déclenchement réglables peut parfois offrir plus de flexibilité que les fusibles fixes. Pour une comparaison des dispositifs de protection, consultez Protection CC PV Expliquée : MCB, Fusibles et SPD.
Les Erreurs courantes à Éviter
- Ignorer le Gain Arrière: Dimensionner strictement d'après l'étiquette avant est l'erreur n°1. Toujours ajouter le gain bifacial attendu.
- Double comptage des facteurs de sécurité: Certains ingénieurs appliquent inutilement le facteur 1,25 deux fois. Respectez la formule : I_{sc, ajusté} \times 1,56.
- Dépassement du courant maximal admissible du fusible en série du module: Prioriser le courant élevé calculé tout en ignorant la limite de sécurité du module peut annuler les garanties et créer des risques d'incendie.
- Négliger la réduction de courant due à la température: Un fusible dimensionné parfaitement pour 25°C risque de tomber en panne à 65°C à l'intérieur d'un boîtier de raccordement sur le toit.
Tableau 4 : Résumé des facteurs de multiplication NEC
| Facteur de | Valeur | But |
|---|---|---|
| Gain bifacial | Variable (1,10 – 1,30) | Tient compte de l'irradiance côté arrière |
| Irradiance élevée (690.8(A)(1)) | 1.25 | Tient compte de l'intensité solaire > 1000 W/m² |
| Service continu (690.8(B)) | 1.25 | Empêche l'échauffement/la fatigue du fusible pendant > 3 heures |
| Multiplicateur standard total | 1.56 | Facteur de sécurité combiné pour le calcul |
Section FAQ
Q : Pourquoi les panneaux bifaciaux nécessitent-ils un dimensionnement de fusible différent de celui des panneaux monofaciaux ?
R : Les panneaux bifaciaux génèrent du courant des deux côtés. Ce courant supplémentaire augmente le courant de court-circuit effectif (I_{sc}) du circuit. Les fusibles dimensionnés uniquement pour la sortie côté avant peuvent se déclencher pendant les heures de pointe d'ensoleillement lorsque la réflexion du sol est élevée.
Q : Comment déterminer le facteur de gain bifacial (BGF) correct pour mon projet ?
R : Idéalement, utilisez un logiciel de simulation spécifique au site (comme PVSyst) qui tient compte de l'albédo, de l'inclinaison et de la hauteur. Sans simulation, une estimation prudente d'un gain de 15 à 20 % est souvent recommandée pour le dimensionnement des équipements de sécurité, à condition qu'elle reste dans les limites maximales du module.
Q : Que se passe-t-il si la taille de fusible calculée dépasse le courant maximal admissible du fusible en série du module ?
R : Vous ne pouvez pas installer un fusible plus grand que le courant nominal du module. Vous devez repenser la configuration des chaînes (par exemple, moins de chaînes en parallèle) ou sélectionner un module avec un courant maximal admissible du fusible en série plus élevé.
Q : Puis-je utiliser des fusibles CA standard pour les panneaux solaires bifaciaux ?
R : Non. Vous devez utiliser des fusibles conçus pour le CC (généralement 1000 V ou 1500 V) avec une caractéristique gPV. Les fusibles CA ne peuvent pas éteindre de manière fiable les arcs CC et peuvent tomber en panne de manière catastrophique.
Q : Comment la température affecte-t-elle mon choix de fusible ?
R : Les fusibles sont des dispositifs thermiques. Dans les températures ambiantes élevées (courantes dans le solaire), ils se déclenchent à des courants plus faibles. Vous devez diviser votre courant calculé par le facteur de réduction de courant en fonction de la température du fabricant pour sélectionner l'ampérage de fusible correct.
Q : Le facteur 1,56 requis par la norme NEC 690.8 est-il suffisant pour les panneaux bifaciaux ?
R : Le facteur 1,56 s'applique au courant du module. Pour les panneaux bifaciaux, vous devez appliquer ce facteur au courant ajusté (Avant I_{sc} + Gain arrière), et pas seulement au I_{sc} côté avant.
Principaux enseignements
- Le gain bifacial est un ampérage réel: Traitez le gain côté arrière comme un courant continu qui contribue à la chaleur et à la charge, et pas seulement comme un pic temporaire.
- Ajuster I_{sc} en premier: Calculez le I_{sc} effectif total (Avant + Arrière) avant d'appliquer les facteurs de sécurité NEC 1,56.
- Attention à l'écart: Assurez-vous que le courant nominal de votre fusible est suffisamment élevé pour éviter les déclenchements intempestifs, mais suffisamment bas pour respecter le courant maximal admissible du fusible en série du module.
- gPV est obligatoire: Vérifiez toujours que les fusibles sont conformes aux normes CEI 60269-6 pour les applications photovoltaïques ; ne les remplacez jamais par des charges standard.
- L'albédo est important: Plus la surface du sol est claire (par exemple, toits blancs, neige), plus le gain de courant est élevé - dimensionnez votre dispositif de protection contre les surintensités en conséquence.
- Surveillez la chaleur: La température ambiante dans les boîtiers de raccordement réduit considérablement la capacité du fusible ; appliquez des facteurs de réduction de courant pour éviter une défaillance par fatigue.
