Calculer son système photovoltaïque

Voici un petit exemple simple qui nous permet de présenter la démarche de dimensionnement. Ce type de configuration correspond typiquement à un cabanon, un petit pied à terre de vacances équipé a minima, un camping car, une tiny house, une caravane…

Pour une approche complète, correspondant à des besoins en habitation permanente, donc à des besoins probablement plus importants, plus réguliers, et avec une exigence de fiabilité plus grande, donc à approche plus précise, choisissez notre page de dimensionnement d’une installation photovoltaïque.

Définir le besoin en énergie :

En préambule,une mise en garde : il est recommander de ne pas sous estimer les besoins, et de toujours majorer les solutions .

Si le besoin est sous estimé, ou s’il évolue, on risque de dégrader rapidement le système photovoltaïque :

– une batterie trop petite sera cyclée profondément et vieillira de manière prématurée,

– un panneau trop faible ne pourra pas recharger la batterie quotidiennement, entrainant son vieillissement encore plus rapidement que dans le premier cas.

Et je ne parle pas du désagrément de se retrouver en panne de courant quand on en a besoin.

In fine, bien dimensionner vous coûtera moins cher et sera moins polluant.

On utilise par exemple chaque jour :

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

Le besoin global en énergie utilisable 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.

La quantité d’énergie tient compte de la durée de consommation : 170 wh permettent de faire tourner un équipement de 170 watts pendant une heure, ou un équipement de 85 watts pendant 2 heures, … ou une ampoule de 5 watts pendant 4 heures et un téléviseur de 50 watts pendant 3 heures.

Il faut aussi pour bien faire tenir compte du rendement de la batterie, disons 80 à 90%. Prenons 80%.

Le besoin de production d’énergie est donc de 170/0.8= 212.5 wh/jour.

Définir le type et la puissance du(des) panneau(x) photovoltaïque(s):

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. L’ensoleillement nominal est l’ensoleillement à midi quand le soleil traverse 1.5 fois l’atmosphère, soit 41 °. Chez nous, c’est plutôt vers midi à la mi-saison, d’après le compas du site photodépôt. En gros, cela veut dire que c’est la puissance que fournira un panneau solaire 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. Le logiciel de l’Ines permet de tenir compte de ces paramètres. Mais il ne calcule pas précisément les tout petits systèmes. Du coup, je fais le calcul pour 1000 wc de panneau,et ensuite, il reste à faire une règle de 3. Pour 1000 wc,  inclinés à 60° (pour privilégier l’hiver), à Toulon, le logiciel de l’INES (Institut National de l’Énergie Solaire) indique qu’il fournira en moyenne 1800 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, et en prenant en compte différentes pertes d’énergie dans les équipements et au niveau de la batterie. Les panneaux fournissent beaucoup plus en été, mais si le système est utilisé toute l’année, il faut tenir compte du cas le plus défavorable.

L’orientation optimale du panneau est plein sud. Selon la période d’utilisation (été, hiver, toute l’année), l’inclinaison du panneau qui permet la plus grande production d’électricité ne correspond pas forcément à la pente de la toiture : 60 à 65° (donc plutôt verticaux, la pente est de 200% environ ; ne pas confondre avec 65% de pente qui est correspond à 17%) en hiver pour se mettre face au soleil d’hiver et intercepter le maximum de rayonnement, mais plutôt 30° si l’utilisation est estivale. Pour une utilisation au cours de l’année, on s’alignera sur l’hiver, car le reste de l’année, on aura un surplus de production.

Dès que l’installation des panneaux au sol n’est pas un problème, on choisira cette solution. Une variante est d’installer les panneaux en brise soleil. Un support réglable peut aussi être intéressant.

Pour notre exemple, il nous suffit donc de 1000 wh/1800wcx212.5wh= 118 wc.

Un panneau solaire photovoltaïque de 150 watts crête (ou trois panneaux de 50 wc en parallèle) suffira … s’il n’y a pas de surprise au niveau du besoin.

Définir la batterie solaire :

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 par exemple pour une batterie 12 volts de 60 Ampèresxheures : 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 chaque jour, 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). Par exemple, pour une batterie gel de Sonnenshein, on est à 3500 cycles pour une décharge de 20%. Cela fait près de 10 ans en la déchargeant tous les jours de 20%. Mais cela suppose aussi que l’on a du soleil pour la recharger tous les jours… C’est pourquoi il est préférable de partir avec une utilisation quotidienne de l’ordre de 10% de la capacité de batterie.

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 ou oranger, coupe le circuit avant que vous n’abîmiez sérieusement la batterie.

Donc avec 720 Wh pour la batterie de 60 Ah 12 volts, on peut fournir à 20% de décharge 144 Wh, un peu court pour notre consommation.

Pour une détermination plus précise, on peut se poser la question de la part de la consommation qui est faite de jour : en effet, pendant la journée, si l’on consomme au fil du soleil, la batterie n’est pas sollicitée. Dans notre exemple, on partira du principe que tout est consommé de nuit. Donc il faut tout stocker.

Il nous faut 212.5/20%=1062 Wh au niveau du stockage batterie. Si la batterie est en 12 volts : 1062=12x capacité, donc sa capacité est de 1062/12=88.5  Ah environ.

On prendrait donc une batterie au gel : une batterie Gel Sonnenshein 90 Ah, appréciée pour les camping-cars, ou en montagne (les batteries sont gardées au chaud, dans les pièces de vie) car sans sans entretien et dégagement d’hydrogène.

Mais si l’on tient compte des jours de mauvais temps, l’INES dans son approche simplifiée nous indique 105 Ah en gardant les autres paramètres par défaut.

Définir le régulateur de charge et de décharge photovoltaïque :

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- voir les détail sur notre page relative aux régulateurs solaires-), et des consommateurs.

Aujourd’hui, les panneaux 36 cellules sont de plus en plus rares. Le gros de la production est concentré sur des panneaux de 60 cellules, dont le prix a très largement baissé au cours de la décennie 2010.

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.

Et pour l’entrée, si l’on a par exemple 2 panneaux de 50 wc, en parallèle, on ajoute leur intensité (la plus élevée), on arrive à un peu plus de 6 ampères, et on garde une marge de 20% de marge en temps normal, 40% en montagne ou en bord de mer, bref dans les environnements lumineux :  il faudra 10 Ampères.

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.

Dimensionner les câbles :

Les câbles se définissent en fonction de l’intensité qui les traverse (pour qu’ils ne chauffent pas trop) et aussi de leur longueur (pour qu’au total ils ne perdent pas trop d’énergie).

Dans les petites installations telles que celle décrite ici, compacte, on évitera le calcul : du câble solaire de 4mm² conviendra et on prendra des câbles de 2.5 mm² pour le côté consommation. Mais si l’installation est plus importante, il faudra prendre ses précautions. L’usage est de ne pas perdre plus de 3 % de tension entre les panneaux et la batterie. On prendra donc la longueur du câble reliant le régulateur aux panneaux et l’intensité des panneaux, (pour un petit système, vu la proximité, on peut généralement négliger la distance du régulateur à la batterie). Cette page dédiée aux installations domestique vous donne néanmoins la perte de tension en ligne sur un câble.

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 car on a une intensité sensiblement 20 fois plus forte.

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 5×230=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.

Voici les explications pour un petit système.

Dimensionner un gros système photovoltaïque :

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 généralement 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 de manière beaucoup plus critique qu’avec du courant alternatif.

Il faut installer une prise de terre, et respecter pour le réseau de distribution des normes identiques à celles en vigueur dans une habitation (disjoncteurs différentiels, etc).

Pour en savoir plus, rendez-vous sur la page concernant le dimensionnement d’une installation photovoltaïque pour les ‘moyens’ systèmes.