Solaire Diffusion

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Calculer son système photovoltaïque

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Voici un petit exemple simple qui nous permet de présenter la démarche de dimensionnement :

Définir le besoin :

On utilise par exemple chaque jour :

  • de l'éclairage led, 1 ampoules de 5 Watts pendant 4 heures : l'énergie consommée est de 5x4=20 Watt.heure,
  • un téléviseur de 50 Watts pendant 3 heures : l'énergie consommée est de 50x3= 150 Watt.heure

Le besoin global en énergie est donc de 170 Watt.heure (170 wh).

Le Watt est une unité de puissance (c'est une valeur instantanée) : la Puissance P est proportionnelle à l'intensité et à la tension P=U x I , avec U la tension en Volts et I l'intensité en Ampères.

Définir le panneau :

La puissance d'un panneau photovoltaïque est annoncée en watt crête : c'est la puissance qu'il fournit sous un ensoleillement nominal de lumière du jour à une intensité de 1 kW/m2. En gros, cela veut dire que c'est la puissance qu'il fournira face au soleil un beau jour de mi saison, s'il y a un peu de vent pour qu'il ne soit pas trop chaud. Généralement, par abus de langage, on parle de 'watts' au lieu de 'watts crête' pour définir la puissance des panneaux.

Mais un panneau n'est pas toujours face au soleil, et il ne fait pas toujours beau. Du coup, pour un panneau de 100 w fixe, incliné à 60° (pour privilégier l'hiver), à Toulon, le logiciel de l'Ines indique qu'il fournira en moyenne 230 watt.heure par jour au mois de Décembre. C'est une moyenne qui inclue les jours de beau et de mauvais temps, calculée sur un historique de climat d'une dizaine d'année. Le panneau fournit beaucoup plus en été, mais si le système est utilisé toute l'année, il faut tenir compte du cas le plus défavorable.

Estimons que, sur cette petite installation, on perde dans les fils (effet joule), le régulateur de charge et la batterie 10% de l'énergie, il reste 207 watt.heure utilisables. Pour un besoin de 170 wh, avec un panneau de 100wc, on a 20% de marge, c'est un peu large . Un panneau de 90 wc est donc suffisant : il fournit 186 wh pour un besoin de 170 wh, par exemple un HTCGM90.

Définir la batterie :

Une batterie est définie par sa tension en volts et sa 'capacité' en ampères.heures.

L'énergie qu'elle contient est sa capacité multipliée par sa tension :

E= U(volts) x capacité (Ixh), soit pour notre exemple : 12 volts x 60 Ah = 720 volts x (Ampères x heures) = 720 (volts x ampères) x heures = 720 watt x heure= 720 wh.

La durée de vie de la batterie se calcule en cycles. Plus on décharge profondément une batterie, moins elle sera capable de fournir de cycles.

L'idéal est de ne pas décharger sa batterie de plus de 10% de sa capacité, on considère qu'elle n'est pas cyclée et ne vieillit (presque) pas. Mais cela coûte cher et ça pèse lourd (je pense aux camping-cars). Du coup on accepte de la décharger de 20 à 30%, c'est raisonnable et le nombre de cycles, selon la technologie, reste assez élevé. Par exemple pour une batterie pas chère, type plomb ouvert, de gamme Enersol, à 20% de décharge, on se trouve sensiblement à 400 cycles.

Certains professionnels vont jusqu'à décharger la batterie jusqu'à 70%. Ponctuellement, c'est acceptable, mais en règle de fonctionnement, cela revient à épuiser très rapidement la batterie. C'est la raison pour laquelle, d'ailleurs, nous recommandons d'utiliser et nous ne vous proposons que des régulateurs de charge ET de décharge, à la différence de certains fournisseurs sur le marché du camping car : lorsque la batterie est trop faible, le régulateur qui vous a prévenu il y a un moment avec des leds rouges, coupe le circuit avant que vous n'abîmiez sérieusement la batterie.

Donc avec 720 Ah, on peut fournir à 20% de décharge 144 wh, un peu court pour notre consommation.

Il nous faut 170/20%=850 wh au niveau du stockage batterie (en négligeant cette fois les pertes, on n'a pas les données). Si la batterie est en 12 volts : 850=12x capacité, donc sa capacité est de 050/12=71 Ah environ.

On prendra donc par exemple une batterie de 78 Ah en 12 volts, ce qui procure une marge de sécurité d'environ 10%, et deux fois plus si l'on veut ne pas 'cycler' la batterie. Ou une batterie sans entretien, au gel, par exemple une Sonnenshein 85 Ah, appréciée pour les camping-cars, ou en montagne (les batteries sont gardées au chaud, dans les pièces de vie) car sans dégagement d'hydrogène.

Définir le régulateur de charge :

Il se définit en fonction de la batterie (pour la tension), du panneau (pour une batterie de 12 volts, il faut un panneau de 36 cellules, ou alors un panneau de plus de cellules et un régulateur MPPT, mais dans ce cas, il y a une perte de rendement, il faudra un panneau plus puissant), et des consommateurs.

Un panneau de 90 wc en 36 cellules, fournira par exemple un courant maximal de 5.5 ampères en conditions nominales. Comptez 20% de marge l'intensité admise par le régulateur en entrée, 40% si vous êtes en bord de mer, ou en montagne et surtout l'hiver, car l'éclairage est plus important alors que les conditions 'nominales'. Donc avec 40% de marge, 5.5 ampères/(1-40/100)=5.5/0.6=9.2 ampères. Un régulateur de 10 Ampères suffit donc en entrée.

Et les consommateurs : on a en tout 5 watts d'ampoule + 50 watts de TV, donc si tout fonctionne en même temps, on consomme 55 watts.

On a vu P=UI, donc I=P/U= 55/12=4.58 Ampères. Un régulateur de 5 ampères suffit donc pour la sortie.

En général, les régulateurs gèrent la même intensité en entrée et en sortie.  Il faut donc s'aligner sur la valeur la plus haute et on peut prendre au choix, un solsum 1010, un PRS 1010 ou un PR 1010. Vous pouvez aussi prendre un modèle au-dessus, qui vous permettra éventuellement de doubler le panneau ultérieurement.

Et les câbles ?

Les câbles se définissent en fonction de l'intensité qui les traverse.

Dans notre exemple,  le réseau est en 12 Volts, l'ampoule de 5 Watts, lorsqu'elle fonctionne, est traversée par une intensité de I=P/U=5/12=0,42 Ampère environ.

Par comparaison, et en supprimant pas mal d'explications inutiles ici, en 230 Volts alternatif, une ampoule de 5 Watts est traversée par une intensité de I=P/U=5/220, soit 0.02 Ampère environ. Il faudra donc faire attention à la section de câbles dans une installation en 12 Volts.

Le téléviseur de 50 W verra lui passer une intensité de 55/12=4.6 Ampères environ.

En 230 Volts, si on a 5 Ampères dans un câble, la puissance transitant est de 5x230=1150 Watts. C'est par exemple un petit radiateur portatif, branché sur une prise électrique. Les sections de câble alimentant les prises électriques sont de 1.5 ou 2.5 mm². Plus la section du câble est importante, moins il chauffe (pour des câbles de même nature bien sûr) : l'échauffement, lié à la résistance du câble, est une dépense d'énergie.

Dans une installation photovoltaïque telle que la nôtre, où l'on surveille l'énergie, on prendra par exemple un câble de 2.5 mm².

Voici les explications pour un petit système. S'il grossit, les choses se compliquent : les intensités augmentent, qui demandent des câbles plus gros (on a des abaques, je vous les propose bientôt). Pour diminuer les intensités, on peut passer en 24, puis en 48 volts au niveau des batteries. Donc il faut adapter les panneaux (en en mettant deux ou 4 en série, ou en prenant des panneaux de 72 cellules...). Les batteries évoluent, car il faut en limiter le nombre, on prendra finalement des blocs de 2 Volts pour les grosses installations. On a ensuite intérêt à prendre un onduleur qui transforme le courant continu en courant alternatif 230 Volts, car tous les équipements coûteront moins cher en 230 Volts. Mais alors il faut respecter des règles de sécurité plus importantes : au delà de 48 volts, on risque l'électrocution en cas de fuite, il faut donc installer une terre, et respecter des normes identiques à celles en vigueur dans une habitation (disjoncteurs différentiels, etc).