Pour en savoir plus sur le système photovoltaique
La consommation électrique ou charge électrique
Expression en Wattheures par jour (Wh/j)
- Multiplier la puissance que consomme chaque appareil, par le nombre d’heures durant lesquelles l’appareil est utilisé sur une journée de 24h.
- Additionner ensuite la consommation électrique de tous les appareils ; Le résultat trouvé est la consommation électrique totale de l’application par jour. Elle s’exprime en Wattheure par jour (Wh/j).
Expression en Ampère-heure par jour (Ah/j).
- Multiplier la puissance que consomme chaque appareil, par le nombre d’heures durant lesquelles l’appareil est utilisé sur une journée de 24h ; Diviser ensuite le résultat par la tension nominale de l’appareil : On obtient ainsi la charge électrique en courant par jour de chaque appareil.
- Additionner ensuite la charge électrique de tous les appareils ; Le résultat trouvé est la charge électrique totale en courant de l’application par jour. Elle s’exprime en Ampère-heure par jour (Ah/j).
Il est primordial de bien évaluer votre consommation électrique, car elle définit la taille de votre système ; Plus la consommation est élevée plus la taille de vos composants sera importante et plus le coût d’achat sera élevé. Il faut bien choisir ses appareils, et éviter les appareils à forte consommation.
Éclairage : Changer son mode vie habituel en éteignant les appareils ou l’éclairage non utilisés, privilégier les lampes fluocompactes plutôt que celles à incandescence.
L’électroménager : Préférer une cuisinière au gaz à votre cuisinière électrique. Utiliser un réfrigérateur, lave linge et lave vaisselle Energystar de préférence et favoriser les programmes courts ou à température tiède. Le climatiseur et le sèche linge sont fortement déconseillés car très énergivores.
Le chauffage : Dans le cas du chauffage de l’eau, il serait intéressant d’utiliser un chauffe eau solaire si vous avez un bon ensoleillement : vous pouvez réduire ainsi de plus de 50% les besoins énergétiques. Les alternatives au chauffage électrique sont le bois, le gaz, la géothermie ainsi que le solaire passif quand c'est possible.
La ressource solaire
La station météorologique de votre région peut vous donner une des deux valeurs suivantes : L'ensoleillement journalier, qui est le nombre d’heures par jour durant lesquelles une surface exposée de 1 m2 recevra une puissance solaire de 1000 W ; il s'exprime en heure/jour.
Le rayonnement solaire, qui représente la quantité d’énergie solaire captée par une surface de 1 m2 exposé au soleil au cours d'une journée. Autrement dit, il équivaut à la puissance solaire maximale de 1000 Watts reçue par une surface de 1 m2 pendant un nombre d’heures donné au cours d'une journée : Il s’exprime en Wh/m2/jour.
Autres unités : kWh/m2/jour, MW/ m2/jour .
En divisant la valeur du rayonnement solaire journalier par 1000 W/m2, on obtient l'ensoleillement.
Exemple : Un rayonnement solaire de 3000 kWh/m2/jour équivaut à (3000 kWh/m2/j) / (1000 W/m2) = 3 heure par jour d'ensoleillement.
En plus de ces données, il faut aussi définir la variabilité de la température sur le site (température moyenne et extrêmes) permettant de déterminer le choix de la batterie, évaluer la perte en puissance des modules PV et la caractéristique des câbles.
La latitude du lieu permet elle, de déterminer l'inclinaison optimale des modules PV afin de capter le maximum de rayonnement solaire.
La puissance du champ photovoltaïque
La puissance de l'ensemble des panneaux ou puissance champ doit satisfaire la consommation électrique de l'application quelques soient les pertes réelles engendrées pendant lors du fonctionnement du système (ex : propreté des modules, augmentation de la température, chute de tension dans les câbles, etc...).
De ce fait la puissance photovoltaique tenant compte de l'efficacité du sytème, multipliée par le nombre d'heure d'ensoleillement doit être équivalente à la consommation électrique à satisfaire soit : Puissance champ = Consommation électrique / (efficacité x Nbre d'heure par jour).
Exemple de calcul simple : Vous désirez vous ventiler tous les jours durant 4 heures avec 2 ventilateurs de 60 W sous tension 12 V. Vous disposez d'un nombre d'heures d'ensoleillement de 3 heures/jour soit 3 kWh/m2/jour. - Votre consommation journalière = 2 x 60 W x 4 heures/jour = 480 Wh/jour ou 40 Ah/jour
- 20 % de pertes = 80% d'efficacité (généralement l'efficacité est évaluée à 70 - 90%)
- Heures d'ensoleillement par jour = 3
- Puissance champ = (480 Wh/j) / (0.80 x 3 h/j) = 200 W
Deux modules photovoltaïques de 100 WC/12V, montés en parallèle seront nécessaire.
Le module photovoltaïque
La taille d'un module PV se définit selon sa puissance de sortie exprimée en Watt crête (Wc), qui peut varier entre 20 et 400 Wc.
Un module PV se présente sous les critères de puissance maximale (crête), tension nominale de fonctionnement, tension maximale, et courant maximal.
Puissance maximale ou crête : C'est le paramètre le plus significatif sur la fiche technique du module. Il est évalué sous conditions STC (fort ensoleillement de 1000 W/m2, température ambiante à 25°, spectre solaire AM 1.5).
C’est le point de puissance maximale du module, équivalent à un fonctionnement idéal. La plupart du temps le module ne fonctionnera pas à cette puissance, à moins d'utiliser un optimiseur de puissance. Sous ces conditions STC on garantie aussi un minimum de puissance qui est légèrement inférieur à la puissance maximale.
Tension maximale : De même que la puissance crête, la tension maximale que peut fournir un module est la tension crête produite sous conditions STC. Elle doit être supérieure à la tension de l'application (ex : Umax entre 17 et 18 V pour pouvoir charger une batterie de 12 Volt pertes comprises et de 34 à 36V pour charger une batterie de 24V).
Courant maximal : C'est l'intensité maximale produite par le module dans les conditions STC (Imax). Il a son importance dans le choix du régulateur, de la grosseur des câbles de branchement, et le calcul des protections.
Tension nominale : C’est la tension à laquelle le module PV fonctionne, on cablera les modules en série pour atteindre la tension du système ou de la batterie pour un système autonome.
Température NOCT: Certaines fiches techniques indiquent la température de fonctionnement de la cellule, la NOCT (Nominal Operating Cell Temperature) ou température qu’atteint la cellule à l'intérieur du module en circuit ouvert sous une puissance solaire de 800 W/m2 une température ambiante de 25°C et un vent de 1 m/s. Une NOCT trop élevée diminue l'efficacité du module. Les valeurs standard sont comprises entre 40 et 50°C.
Aussi on recommande une bonne ventilation et une couleur claire en arrière du module.
Coefficient de température : Certaines fiches mentionnent le coefficient de température αPm qui indique la perte de puissance du module en fonction de l’augmentation de la température. Valeur typique, -0.45 %/°C par cellule.
Garantie et certification : Très souvent les modules vendus sur le marché ont une garantie minimum de 20 ans avec une réduction de la puissance maximale de sortie pendant cette période de 10% ; Aussi la certification du module (normes CEI-61215, IEEE-4262, 503-CEC-JRC) vous garantit sa qualité.
Ombrage : Les obstacles environnants (arbres, immeubles, etc ...) sur le site de l’application peuvent projeter des ombres sur les modules PV, ce qui diminue non seulement leur rendement mais aussi peut provoquer des dommages dus à une surchauffe. Il est donc impératif de bien choisir l’emplacement des modules et d’utiliser si nécessaire des diodes anti-retour et des diodes de dérivation pour pallier au problème d’ombre.
Types de modules
Les caractéristiques de la batterie
Capacité nominale : C’est la quantité maximum d'énergie que contient une batterie (sous température idéale de 25°). Elle s’exprime en Ampère heure (Ah).
Etat de charge : C’est le pourcentage de la quantité d'énergie disponible dans la batterie à un instant t.
Profondeur de décharge (PDD) : C’est le pourcentage d’énergie maximum que l'on peut retirée d’une batterie. Elle ne doit pas être déchargée au-delà de cette valeur, afin de prolonger sa durée de vie.
Température : La variation de température influence le rendement de la batterie. Celle-ci a un fonctionnement idéal à température ambiante de 25°C ; Il faut donc prévoir si possible une régulation thermique pour maintenir sa durée de vie.
Tension nominale : C’est la tension type de la batterie. Elle correspond aussi à la tension de fonctionnment du système autonome. Ex : Tension 12V, 24V, 48V...
Taux de décharge : C’est le temps nécessaire pour décharger entièrement la batterie. Supposons une batterie de capacité de 100Ah et de courant de décharge de 5 A : Le taux de décharge sera 100Ah / 5A soit 20 heures ; Il est noté C/20.
Taux de recharge : C’est la quantité de courant qu’il faut pour recharger une batterie en un temps donné (temps du taux de décharge). Supposons une batterie de 100Ah et de taux de décharge C/20 : Le taux de recharge sera 100Ah / 20h soit 5 A.
Cycle et durée de vie : C’est le nombre de séquences de charge/décharge, que peut subir une batterie à sa profondeur de décharge. Il détermine les performances de la batterie et sa durée de vie.
Nombres de jours d’autonomie : C’est la durée pendant laquelle la batterie peut alimenter toute seule l’installation en courant, sans être rechargée ni endommagée.
Types de batteries
On distingue dans les systèmes à énergie renouvelable, les batteries Acide-Plomb et les Nickel-Cadmium. Les Nickel-Cadmium sont beaucoup plus chères et ne sont utilisées que dans des cas très particuliers. Par contre les batteries Acides-Plomb de types ouvertes et Acides-Plomb de types fermées sont les plus utilisées dans les systèmes solaires autonomes avec un coût initial bas.
Les caractéristiques du régulateur
On rencontre les régulateurs de charge/décharge indiqués pour les applications domestiques où des dépassements de consommation sont prévus, et ceux uniquement de charge qu'on utilise que lorsque le système ne présente aucun risque de décharge accidentelle. Les autres fonctions du régulateur peuvent être la surveillance et la sécurité de l’installation, la recherche du point maximal de puissance ou la commande de recharge de la batterie par d’autres sources.
Tension nominale : Elle doit pouvoir supporter la tension en circuit ouvert du module PV soit environ deux fois sa propre tension nominale.
Courant d’entrée : C’est le courant de charge maximum provenant des modules et que le régulateur peut contrôler sous une tension donnée. Choisir 1.5 fois le courant de court-circuit des modules PV pour un régulateur shunt et 1.5 fois le courant nominal des modules PV pour un régulateur série.
Courant de sortie : C’est le courant maximum que tirent les appareils branchés simultanément.
Courant de pointe : c'est le courant transitoire de certains appareils (Ex : Les refrigérateurs) que doit supporter le régulateur. Généralement il est égal à 3 fois le courant transitoire.
Protection : Les conducteurs arrivant au régulateur doivent être protégés contre les surcharges, l’inversion de polarité et l'augmentation de température.
Types de régulateurs
Régulateur Shunt:
Convient aux applications de petite puissance comportant 1 ou 2 modules PV. Lorsque la batterie atteint la pleine charge, le courant provenant des modules PV est dérivé par l’intermédiaire d’un interrupteur (transistor).
Régulateur Série :
Convient aux applications de moyenne puissance dont le courant des modules PV est supérieur à 10 A. Lorsque la batterie atteint la pleine charge, le régulateur coupe le courant provenant des modules PV.
Régulateur MPPT :
Convient aux applications de grande puissance. Il garantie une récupération maximale de la puissance provenant des modules PV en mesurant en permanence le courant et la tension ; Cependant il faut considérer les pertes dûes à cette technique. Aussi ce régulateur peut travailler dans une vaste gamme de température.
Les caractéristiques de l'onduleur
Les critères de choix de l’onduleur sont nombreux et s’appuient sur l’exigence de la charge électrique et du système installé. En voici les plus pertinents.
Puissance nominale : C'est la puissance que peut délivrer l'onduleur en fonctionnement permanent. Techniquement la puissance nominale de l'onduleur doit couvrir la somme des puissances de toutes les charges électriques CA que l'on souhaite utiliser en même temps. Cependant en pratique il est rare que tous les appareils fonctionnent simultanément. Le choix de la puissance nominale sera alors basé sur la puissance totale de tous les appareils susceptibles de fonctionner ensemble.
La puissance des onduleurs étant variable, il faut se fier à la puissance que l'onduleur peut délivrer en continu sur une longue période : Par exemple 20% de la puissance nominale pendant 30 min ou une heure.
Puissance de pointe : Certains appareils comme les réfrigérateurs ou les moteurs tirent un courant très important lors de leur démarrage (3 à 10 fois leur puissance nominale), produisant ainsi une puissance très élevée, appelée puissance de pointe ou surcharge. L’onduleur doit pouvoir supporter cette surcharge pendant un bref instant.
Rendement : C'est le critère principal dans le choix d'un onduleur, car on souhaite maintenir élevé l'efficacité du sytème. Le rendement à pleine charge n'est pas un facteur pertinent de choix ; c'est le rendement à charge partielle qui est important, car la puissance requise par la charge est toujours inférieure à la puissance nominale de l'onduleur. Ainsi un onduleur efficace est celui qui aura un rendement élevé (> 90%) sur une grande plage de puissances possibles.
Consommation à vide ou en attente : Dans un système où l'onduleur est branché en permanence sur toutes les charges, il arrive que la quasi totalité de la charge ne soit pas en fonction (par exemple la nuit). L'onduleur fonctionne donc à vide et consomme de la puissance inutilement. Il est intéressant qu'il soit doté d'un dispositif de détection de seuil de puissance pour arrêt et réenclenchement automatique ou détection de charge, afin que la consommation dans ce mode soit la plus faible possible.
Tension d’entrée : Dans le cas d'un système autonome, la tension d'entrée correspond à la tension du sytème mis en place. On peut aussi pour choisir cette tension utiliser la méthode suivante, en fonction de la demande en électricité ca (D):
- si D < 2 kW alors Ue = 12 VCC
- si D compris entre 2 et 5 kW alors Ue = 24 ou 48 VCC
- si D > 5 kW alors Ue = 48 VCC et plus
Dans le cas d'un sytème connecté au réseau, la tension CC d'entrée doit être plus élevée (Par exemple 120 VCC et plus), en respectant la mise en série des modules PV.
Tension de sortie : Elle doit correspondre à la tension d'alimentation CA des appareils, et être réglée pour rester stable avec des écarts inférieurs à 5% quelque soit la tension à l'entrée et quelque soit la charge électrique.
Forme d’onde : Les appareils qu’alimente l’onduleur doivent pouvoir supporter la forme d’onde de sortie de l’onduleur. Il faut donc connaitre les tolérances sur la tension et la fréquence de chaque appareil susceptible d'être alimenté par l'onduleur
Distorsion harmonique : Certaines appareils électroniques (exemple les lampes à ballast) peuvent créer des harmoniques qui déforment le signal de sortie de l'onduleur; ce qui peut avoir pour effet de produire un dysfonctionnement de l'application (échauffements indésirables, surcharges, perturbation d'autres appareils etc...). L'onduleur doit pouvoir maintenir une distorsion harmonique la plus faible possible.
Types d'onduleurs
Les types d'onduleurs peuvent être classés en deux catégories selon l'application ou le sytème mis en place: 1. Onduleurs pour sytèmes autonomes et mixtes et 2. Onduleurs pour systèmes couplés au réseau
1.
Onduleur à onde sinusoïdale modifiée :
Il convient à la majorité des appareils (sauf certains équipements électroniques sensibles) et représente un bon rapport qualité-prix. Son signal est produit par commutation grâce à des thyristors, ce qui lui permet de supporter de forte surcharge et produire une distorsion harmonique en sortie assez tolérable pour pouvoir alimenter la plupart des moteurs.
Onduleur à onde sinusoïdale pure :
Il est indiqué pour les charges qui exigent une forme d'onde de qualité supérieure, car son signal de sortie est semblable à celui du réseau public. Il produit de faible distorsion. Cependant, il ne possède ni la capacité de surcharge, ni l'effficacité de l'onduleur à onde sinusoïdale modifié. Ces modèles peuvent incorporer un régulateur de charge pour batterie.
Onduleur à onde carrée :
Il est peu coûteux car sa qualité d’onde est médiocre et est utilisé pour de petites charges. Certains appareils comme le réfrigérateur ne fonctionnent pas avec un tel onduleur. Faire le choix d'un tel onduleur que si la charge électrique tolère une telle onde.
2.
Onduleur pour couplage réseau :
Ils sont indiqués pour les applications connectées au réseau public, car ils produisent peu d’harmoniques, s’accordent sur la fréquence du réseau, possèdent une déconnexion automatique et mesurent le point de puissance maximal (MPPT) des modules PV. Néanmoins il faut tenir compte des exigences des compagnies d'électricité (surveillance de la tension et fréquence etc...) pour un meilleur choix de ces appareils.
Ces onduleurs peuvent aller de 100 W à des centaines de kW. Ils génèrent leur signal alternatif en utilisant le réseau comme source de signal et de synchronisation ou en utilisant le passage à zéro du réseau pour se synchroniser. Ils sont dotés d'un transformateur, afin d'établir une séparation galvanique avec le réseau ou alors sans transformateur pour un rendement plus élevé. Cependant avec ces derniers il faut porter une attention particulière au couplage direct avec le réseau.
Les pertes électriques
Les pertes en puissance se produisant lors du fonctionnement dans un conducteur reliant deux composants est égale au produit de la résistance du conducteur par le courant au carré traversant le conducteur :
Ppertes = R (en Ω) x I2 (en Ampère) soit on a la valeur de ρ du conducteur et sa section dans ce cas RT = (ρ.2L) ÷ s
ou on a la valeur de la résistance par unité de longueur dans ce cas RT = R(Ω/m) x 2L
- ρ est la résistivité du matériau conducteur (en Ω.mm2/m)
- L est la longueur du conducteur (en m)
- S est la section du conducteur (en mm2)
De manière générale on estime les pertes réelles entre les liaisons des divers composants dans un système avec batterie de manière suivante :
- Liaison Charge électrique-Onduleur
- Liaison Batterie-Onduleur
- Liaison Régulateur-Batterie
- Liaison Champ PV-Batterie
On vérifie à chaque liaison en remontant jusqu'au champ PV, la puissance effective (pertes comprises) que doit délivrer les composants ; On s'assure par la suite que la puissance totale à founir déterminée lors de la conception tient bien compte de toutes ces pertes, dans le cas contraire on rectifie la conception.
Energiepropre 2006©
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