Climate-Driven Performance Assessment and Loss Mechanisms of Utility- Scale Photovoltaic Systems

Résumé technique : Évaluation de la performance et mécanismes de pertes des systèmes photovoltaïques à grande échelle sous l'influence du climat

Énoncé du problème
L'Arabie saoudite possède des ressources solaires exceptionnelles, caractérisées par un rayonnement horizontal global (GHI) élevé, ce qui en fait un candidat de premier plan pour le déploiement de systèmes photovoltaïques (PV) à grande échelle. Cependant, la conversion de cette ressource en électricité n'est pas linéaire ; elle est fortement influencée par les conditions climatiques et environnementales spécifiques au site. Bien qu'un rayonnement élevé suggère un potentiel énergétique élevé, des températures ambiantes élevées, la poussière en suspension (encrassement) et l'humidité côtière peuvent considérablement dégrader l'efficacité des modules et la performance des onduleurs. La littérature existante se concentre souvent sur des analyses de sites uniques ou de systèmes à petite échelle, laissant une lacune dans la compréhension de la manière dont les systèmes PV à grande échelle se comportent à travers les diverses zones climatiques de l'Arabie saoudite — spécifiquement le contraste entre les déserts intérieurs, les régions arides chaudes et les zones côtières humides. Cette étude répond au besoin d'une évaluation systématique et multi-sites pour quantifier comment les variations d'irradiance, de température et de facteurs environnementaux se traduisent par des différences dans les indicateurs clés de performance tels que le ratio de performance (PR) et le rendement spécifique.

Méthodologie
L'étude utilise un cadre d'évaluation hybride pour évaluer les systèmes PV à grande échelle dans trois régions climatiques représentatives de l'Arabie saoudite :

1. Al-Qassim : Représentant un climat désertique intérieur.
2. La Mecque : Représentant un climat aride chaud.
3. Jazan : Représentant un climat côtier chaud et humide.

La méthodologie intègre des données climatiques de long terme dérivées de satellites et de données météorologiques provenant de NASA POWER, Solargis et Meteonorm avec des simulations détaillées via le logiciel PVsyst. Une configuration de centrale PV de référence à grande échelle a été modélisée pour chaque site en utilisant une nomenclature de matériel (BOM) et des spécifications d'onduleurs réalistes, typiques des projets de grande envergure dans la région. Pour garantir une comparaison équitable, la capacité DC nominale et la configuration du système ont été maintenues constantes pour tous les sites, tandis que les entrées climatiques variaient selon les conditions locales.

Les indicateurs de performance clés comprenaient :

• Rendement spécifique : Production d'énergie annuelle CA normalisée par la capacité installée en CC (kWh/kWp).
• Ratio de performance (PR) : Le rapport entre la production d'énergie réelle et la production théorique dans des conditions standard.
• Analyse des pertes : Une décomposition des pertes du système, incluant les pertes thermiques, l'encrassement, les inefficacités de l'onduleur et les pertes électriques.

Des analyses de sensibilité ont été menées pour quantifier l'impact de la température ambiante sur le PR, la relation non linéaire entre le GHI et le rendement énergétique, ainsi que l'influence du rapport DC/AC sur la performance du système sous différentes conditions climatiques.

Résultats clés
L'étude révèle qu'un rayonnement solaire élevé ne suffit pas à lui seul pour prédire la production d'énergie PV dans les environnements désertiques, en raison des effets contrebalants des pertes environnementales et des températures de fonctionnement élevées des modules.

• Rendement spécifique : Les rendements spécifiques annuels ont varié de manière significative selon les sites, allant d'environ 1 650 à 2 050 kWh/kWp. Le site désertique intérieur (Al-Qassim) a obtenu le rendement le plus élevé grâce à une irradiation constante élevée, mais il n'a pas toujours atteint les rendements mensuels les plus élevés lors des pics estivaux en raison des pertes thermiques.
• Ratio de performance (PR) : Les valeurs de PR annuel variaient de 0,76 à 0,84. Les sites intérieurs et arides chauds (Al-Qassim et La Mecque) ont présenté des valeurs de PR plus faibles (0,76–0,81) par rapport au site côtier (Jazan, 0,78–0,84). Cela indique que le stress thermique dans les régions désertiques réduit considérablement l'efficacité du système malgré une disponibilité de ressources plus élevée.
• Mécanismes de pertes :
  • Pertes thermiques : Dominantes dans les régions intérieures et arides chaudes, représentant 7 à 13 % du rendement énergétique annuel. Ces pertes sont entraînées par des températures ambiantes élevées et une forte irradiation sur le plan de l'array.
  • Pertes par encrassement : Plus prononcées dans l'environnement humide et côtier (Jazan), oscillant entre 3 et 8 %, en raison des effets combinés du dépôt de poussière et de l'adhérence des particules accentuée par l'humidité. Les sites intérieurs ont connu des pertes par encrassement plus faibles (2–6 %).
• Résultats de sensibilité :
  • Une corrélation négative claire existe entre la température ambiante et le PR. L'analyse indique que le PR diminue d'environ 0,35 à 0,45 % pour chaque augmentation de 1 °C de la température ambiante.
  • La relation entre le GHI et le rendement énergétique est non linéaire dans les environnements à haut GHI ; les augmentations incrémentielles d'irradiation pendant les mois d'été de pointe contribuent moins au rendement net en raison de la dégradation simultanée de l'efficacité induite par la température et du plafonnement de l'onduleur (clipping).

Signification et contributions
L'article affirme que sa principale contribution est de fournir une évaluation comparative de la performance des systèmes PV à grande échelle, pilotée par le climat, à travers des zones climatiques distinctes de l'Arabie saoudite en utilisant un cadre de modélisation cohérent. L'étude démontre que :

1. Un rayonnement élevé n'est pas suffisant : Se fier uniquement à l'intensité de la ressource solaire pour la prédiction du rendement dans les climats désertiques conduit à une surestimation. Les performances des modules dépendantes de la température et les processus de pertes environnementales doivent être intégrés dans les évaluations.
2. L'optimisation spécifique au site est critique : Les mécanismes de pertes dominants diffèrent selon la localisation. Les régions intérieures nécessitent des stratégies axées sur la gestion thermique (ex: rapports DC/AC optimisés, sélection d'onduleurs), tandis que les régions côtières nécessitent des stratégies renforcées de mitigation de l'encrassement et de nettoyage.
3. Amélioration de la fiabilité des investissements : En quantifiant les impacts spécifiques de la température et de l'encrassement, l'étude offre des perspectives spécifiques au climat qui peuvent réduire l'incertitude dans les évaluations technico-économiques et améliorer la précision des prédictions de rendement pour les projets PV à grande échelle dans les climats désertiques à haut GHI.

L'auteur note que bien que l'étude repose sur la simulation et les données satellitaires, elle établit un cadre comparatif robuste. Il reconnaît les limites concernant l'absence de données opérationnelles SCADA à long terme pour une validation directe et l'exclusion des mécanismes de dégradation à long terme comme la dégradation induite par le potentiel (PID), suggérant que ces points constituent des domaines pour de futures recherches.