AIDE AU DIMENSIONNEMENT DE VOTRE INSTALLATION PHOTOVOLTAIQUE

 

Pour utiliser au mieux son installation autonome et pour être sûr de faire le bon achat matériel, voici une synthèse pour vous aidez dans le dimensionnement et la compréhension du fonctionnement d'un site autonome. Ce guide se veut le plus accessible et court possible pour que vous maitrisiez simplement les éléments clefs d'une installation réussie et pérenne.

Professionnels de l'installation , nous nous tenons à votre disposition pour répondre par devis aux demandes. Nous livrons partout en France. Nous contacter sur la page contact.

Bonne lecture.


Une installation photovoltaïque autonome doit être capable de fournir de l'énergie, y compris lorsqu'il n' y a pas de soleil. Il faut donc qu'une partie de la production de la journée soit stockée dans des batteries. Cette installation se compose essentiellement de modules photovoltaïques adaptés à l'alimentation électrique des sites autonomes, d'un régulateur de charge, d'un parc batterie ( une ou plusieurs ) et d'un onduleur ( appelé aussi convertisseur de tension 12/24/220 V ).

Les caractéristiques du photovoltaique font qu'il est adaptable à de nombreuses applications ( maison, mobil home, chalet, yourte, refuge, camping-car, nautisme, nomade en camp itinérant, etc... )

 

 schéma d'une installation photovoltaïque

 

En site isolé non raccordé au réseau de distribution électrique, pour s'équiper il faut raisonner selon 3 axes :


1/ La production  d'énergie:


Panneaux photovoltaïques

Eoliennes

Panneaux photovoltaïques en situation 

 

2/ La conversion, le stockage et le transport de l'énergie produite :

Batteries solaires à décharges lentes de technologie gel ou agm ou  semi stationnaires à plomb ouvert

Régulateurs Pwm ou Mppt.

Convertisseurs de tension pure sinus qui délivrent un signal équivalent réseau.Avec un régulateur quasi-sinus, vous prenez le risque d'endommager vos appareils électroniques ( Tv, Pc ) ainsi que les appareils possédant des moteurs ou compresseurs ( frigo, congélateur ).

Les convertisseurs chargeurs peuvent vous permettre de charger extérieure les batteries grâce à une source extérieure ( groupe électrogène )


Câbles, connectiques, protections électriques tels que disjoncteurs, fusibles, parafoudre ou boîte de dérivation

 

Un panneau, une batterie et une ampoule basse consommation

 

3/ Optimiser la consommation avec des équipements basse consommation

Eclairage : La Led est aujourd'hui le produit le plus adapté car elle consomme très peu, éclaire très bien et à une durée de vie 5 fois supérieur à une lampe fluo.

Réfrigération : L'option frigo gaz miniminise les besoins électriques.

Cuisson : Idéalement, bois ou gaz.

Pompage : En fonction du besoin avec des pompes prévus pour les installations solaires.

Confort domestique via prises de courant pour utiliser vos équipements habituels.

Il est donc nécessaire de choisir pour tous les appareils ceux qui sont le plus économes en énergie. L'énergie la moins chère étant celle que l'on ne consomme pas, on essai autant que possible de remplacer les gros consommateurs électriques tels que le chauffage par d'autres substitut d'énergie.

La 1ere chose à faire : effectuer une étude de consommation:

Cette étude va permettre de lister la puissance de tous les appareils électriques avec leurs nombres d'heures d'utilisations quotidiennes. C'est la puissance mulitipliée par la durée de production qui va nous donner l'énergie dont on a besoin :
on va transformer des watts ( w : puissance) en watts-heures ( wh : énergie ).

A noter que lorsque vous souhaitez calculer l'ampérage du consommateur avec la formule P= UxI soit la puissance égale à la tension par l'intensité, il faut  raisonner avec la tension de  batterie
Donc I (en Ah ) = P ( en watts )/ U ( en volts batteries )

Pour être précis, on intégre aussi le rendement du convertisseur soit une perte de 5 à 10% en fonction de la qualité du matériel ( 5% suffisant si matériel pure sinus ).

Il faudra ensuite distinguer les utilisations saisonnières ou a l'année car un dimensionnement à l'année prends en compte le taux d'ensoleillement du mois le plus faible ( décembre en France ) contrairement à une utilisation de saisons ( printemps-été ) qui forcemment aura un nombre d'heures d'ensoleillement plus intéressant.

En fonction de votre mode de consommation, le parc de stockage sera plus ou moins important....il faut donc maintenant dimensionner le parc batterie.

Attention à la façon dont vous allez consommer cette énergie stockée dans les batteries car décharger une batterie de 20% sur 5h ou sur 24h implique un (sur)dimensionnement. Les batteries semi-stationnaires ou stationnaires sont des produits à décharge lente donc elles sont faites pour restituer longtemps. Plus la restitution est courte, plus la capacité disponible est faible. ( caractéristiques propres à chaque type de batteries ).

Pour dimensionner la capacité en Ah du parc batterie, il est important de tenir compte du taux de décharge que vous acceptez pour le parc batterie : une batterie ne doit jamais être déchargée à plus de 50% de sa capacité, c'est la règle. Plus la  décharge est importante, plus est réduite la durée de vie. En effet, le taux de décharge influe directement sur le nombre de cycles charge/décharge que vous allez pouvoir effectuer. Pour que vos batteries vous donne entière satisfaction dans la durée, il faut dimensionner votre installation avec une décharge quotidienne du parc batterie à hauteur de 10% ( idéal ) à 20%. ( 20% moins cher économiquement ).

Un exemple avec un besoin de 500Wh par jour d'énergie :
Dimensionner à 10% de décharge, vous aurez un parc batterie de 5000Wh soit 12V x 416Ah ( ou 24V x 208Ah ) et à 20%, vous avez un parc batterie de 2500Wh de capacité soit 12V x 208Ah ( ou 24V x  104Ah ). En cas de force majeure, vous avez entre 5 et 10 jours d'autonomie avant d'avoir décharger totalement vos batteries ( décharges très profondes à éviter au maximum ). 

Votre stockage est dimensionné, il faut désormais savoir qui va fournir l'énergie pour le recharger quotidiennement et calculer la puissance de modules ( en Wc ) nécessaire.

 

Un parc de batteries

 

Un mois d'été fournira 5 fois plus d'énergie qu'un mois d'hiver ( en moyenne car variable selon les régions ), 100Wc de modules peuvent ne fournir que 80Wh par jour l'hiver et ce même module fournira 500Wh l'été. Vous comprenez l'importance de dimensionner en fonction de la période d'utilisation. Il est  nécessaire de connaitre la production potentielle du champ photovoltaique.

Quel est le gisement du lieu ? :

On a l'énergie de consommation journalière Ej qui est calculée  en Wh.
On a la puissance panneau en watt crête Pc=Ej/(0.6xGisement en kwW/m2/jour)

Il nous faut donc connaitre l'irradiation solaire du lieu en kWh/m2/jour, on aura cette information grâce à des bases de données. ( nous consulter )


Quelle est l'orientation et l'inclinaison du champ Pv ?
Y a t'il un masque d'ombres ? En effet de l'ombre venant de l'environnement à proximité ( bâtiment, végétation ) influera négativement sur la production. Il peut donc être nécessaire d'effectuer un relevé de masque pour estimer cette influence.

La recharge du parc batterie se fait avec un courant de charge compris entre 1/10eme et 1/20eme de la capacité de la batterie. Pour un parc batteries de 2500Wh soit une intensité de 208Ah en 12V, il faudra envoyer entre 20Ah et 40Ah d'intensité venant des modules.

A ce stade, l'approche de dimensionnement est quasiment terminée, il va falloir choisir le régulateur de charge en fonction de l'intensité délivrée par les modules :
Le choix peut se porter sur un régulateur Pwm ou Mppt ( Mppt optimise la puissance des modules de 30% et est capable de gérer un masque d'ombre).

Différentes options utiles sont possibles  tels que :
Réglages des tensions de charge en fonction du type de batterie ( gel , agm ou plomb ouvert qui nécessite des tensions différentes ).
Réglage en fonction de la T° qui influe sur le système etc.. Un régulateur doit pouvoir permettre un réglage qui permettra de baisser la tension de charge en fonction de l'augmentation de la T° ambiante.

Les températures ont une influence sur la durée de vie des batteries, elles peuvent durée 10 ans bien entretenues à 20°C mais elles perdent la moitié de leur vie tous les 10° d'augmentation de T°.

Le courant continu qui va être produit n'est pas exploitable par les appareils domestiques standards ( sauf éclairage et produit spécifique 12 ou 24v ), on peut donc avoir besoin de transformer cette électricité continu en tension alternative. C'est le rôle du convertisseur qui transforme du 12/24 ou 48V continu en 230V alternatif. 

 Un convertisseur

 

On ne peut que vous conseillez d'acquérir un convertisseur pure sinus qui délivrera un signal électrique de qualité et qui ne risquera pas d'endommager vos appareils tels que : ordinateur, appareil audio-vidéo, chargeur d'outils électro portatifs, console de jeux, appareil photo numérique etc..

Reste à finaliser le projet en calculant les sections de câbles adaptés pour éviter ce qu'on appelle les chutes de tension, autrement dit, les pertes de puissance dûes aux échauffements dans les câbles. Plus il y a long, plus la section doit être importante, notamment en courant continu. On préconise donc aussi pour des raisons de coûts d'essayer de minimiser les longueurs pour regrouper l'ensemble des équipements solaires.

 

Equipements de protection

 

Si la distance est importante, un régulateur Mppt et une tension plus importante permettront de minimiser les sections de câble.

Ne pas oublier que l'on a à faire à une installation électrique et qu'il est donc important de calibrer des protections électriques adaptées à l'installation. ( I= P/U, la célèbre formule pour déterminer l'intensité admissible dans chaque circuit , cette fois ci avec la tension du circuit donc en 220V ou 12V suivant que l'on se  situe sur la partie continu ou alternative .

Vous venez avec ces quelques lignes de comprendre l'essentiel d'un dimensionnement et de la méthodologie nécessaire à une bonne installation autonome.
 
POUR ALLER UN PEU PLUS LOIN, VOUS TROUVEREZ CI DESSOUS ENCORE UN PEU DE LECTURE.
 

GLOSSAIRE PANNEAUX SOLAIRES:

 

 

Différents panneaux solaires

 

Définition du Watt-Crête : Le watt-crête est une unité représentant la puissance électrique maximale délivrée par une installation électrique solaire pour un ensoleillement standard de 1000W/m2 à 25°C. Elle est généralement exprimée par la dénomination Wc. L'utilisation principale de cette unité est la comparaison du rendement et du prix des matériaux photovoltaïques. Pour donner un ordre d'idée, 1kWc représente la puissance de 10m2 de modules solaires avec une technologie courante, soit une énergie de 900 kWh à Lille et de 1200 kWh à Nice par an.

Notion de puissance crête et de température d'utilisation : La puissance crête d'un module photovoltaïque s'exprime en Watt-crête (Wc): c'est la puissance qu'il peut fournir s'il est fermé sur sa charge optimale et soumis à un éclairement de 1000 W / m2 (spectre AM 1.5) alors que la température des cellules est de 25 °C.

Si la température n'est pas de 25°C, il faut compter une perte de rendement de 0.3 à 0.4% par degré.


Sur la fiche technique d'un module photovoltaïque, on trouve des caractéristiques techniques :
Vco : tension à vide du module c'est à dire sans aucune charge connectée
Impp : intensité nominale du module à pleine puissance soit à puissance crête Wc du module en charge
Umpp : tension nominale du module en fonctionnement donc en charge
A savoir : L'intensité Impp du module solaire varie en fonction de la luminosité. A 1000W/m2 on aura Impp nominal du module.

La tension varie peu en fonction de la luminosité mais elle varie en fonction de la température de cellules. Chaque degré en plus lui fait perdre du rendement et chaque degré en moins lui fait gagner du rendement. A 25°C on a Umpp du module. Un module est donc fait pour produire sa pleine puissance avec un flux lumineux de 1000W/m2 avec une T°de cellules de 25°. La météo idéale pour un champ photovoltaique est donc un temps frais et lumineux comme ça arrive en hiver. C'est à cette période que l'installation fera sans doute ces pointes de puissances. ( si I au max et U au max on P=UxI donc P au max ).

La quantité d'énergie quotidienne produite sera tout de même nettement plus intéressante l'été car le nombre d'heures d'ensoleillement est beaucoup plus important.

 

Un tracker solaire

 

Panneaux photovoltaïques pour sites isolés :

On touche là un point essentiel du site isolé et autonome. En effet, il ne suffit pas d'avoir des modules à sa disposition pour être sûr d'avoir une installation qui fonctionne correctement. Les modules couramment utilisés sur le marché pour la connection réseau sont en générals mis en série les uns aux autres pour obtenir des branches ( dits souvents strings ). Ces branches ont des tensions importantes entre 350V et 1000V et elles sont raccordées ensuite en parallèle ou indépendamment à ( aux ) l' onduleur(s). On utilise donc des onduleurs réseaux capables d'avoir des tensions d'entrées qui supportent ces caractéristiquent de cablâge.

En site autonome, on a généralement des tensions d'entrées inférieures puisque l'on charge un parc batterie en 12/24/48V (parfois jusqu'à 240V avec 120 éléments de 2V en série ). Pour charger ces batteries, on passe par un régulateur de charge qui lui aussi admet des tensions d'entrées et de sorties compatibles avec les modules et les batteries.

On parle généralement de module 12 Volts car ils vont être connectés à des batteries en 12V. En réalité un parc de batteries en 12V va demander un cycle de charge spécifique que va gérer le régulateur. Dans ce cycle propre à la technologie de batterie ( gel, agm etc..), on va imposer des tensions de charge de l'ordre de 14V à 15V. Si le module fait 12V de par ses caractéristiques, il va avoir bien du mal à envoyer 15V. On utilise donc des modules qui ont des tensions en charge aux environs des 18V. Idem pour un système 24V volts où l'on va utiliser des modules qui ont des tensions idéalement de 35V-36V. ( Umpp ).

Une cellule photovoltaique d'un module faisant approximativement 0.487 volts, il nous faut des modules qui ont en série 36 cellules ( pour du 12v ) ou 72 cellules ( pour du 24V ).
En appliquant ce principe, vous êtes sûrs d'avoir des modules adaptables à vos batteries et utilisables avec un régulateur de charge standart dit PWM. Enfin il est possible d'utiliser des modules " réseau " en sites isolés à conditions d'opter pour un régulateur Mppt.

Un régulateur MPPT a pour fonction de trouver en permanence la puissance optimale des panneaux et permet d' utiliser en entrée des tensions de panneaux supérieures à la tension du parc batterie

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