Comment concevoir un système photovoltaïque solaire

Qu'est-ce qu'un système photovoltaïque solaire ?

 Le système solaire photovoltaïque ou système d'énergie solaire est un système d'énergie renouvelable qui utilise des modules PV pour convertir la lumière du soleil en électricité. L'électricité produite peut être stockée ou utilisée directement, réinjectée dans le réseau ou combinée avec un ou plusieurs autres générateurs d'électricité ou plusieurs sources d'énergie renouvelables. Le système PV solaire est une source d'électricité très fiable et propre qui peut convenir à un large éventail d'applications telles que la résidence, l'industrie, l'agriculture, l'élevage, etc.

Principaux composants du système

Un système photovoltaïque solaire comprend différents composants qui doivent être sélectionnés en fonction du type de système, de l'emplacement du site et des applications. Les principaux composants d'un système photovoltaïque solaire sont le régulateur de charge solaire, l'onduleur, le banc de batteries, les sources d'énergie auxiliaires et les charges (appareils).

  Module PV -> convertit la lumière du soleil en électricité DC.

Contrôleur de charge solaire -> régule la tension et le courant provenant des panneaux PV allant vers la batterie et empêche la surcharge de la batterie puis prolonge sa durée de vie.

Onduleur -> convertit la sortie DC des panneaux PV ou de l'éolienne en un courant alternatif propre pour le CA -> appareils ou réintégrés dans le réseau.

 Batterie -> stocke l'énergie pour alimenter les appareils électriques lorsqu'il y a une demande.

 Charge -> est la charge des appareils électriques qui sont connectés à un système photovoltaïque solaire, tels que les lumières, la radio, la télévision, l'ordinateur, réfrigérateur, etc.

Sources d'énergie auxiliaires -> il s'agit de générateurs diesel ou d'autres sources d'énergie renouvelables.

Dimensionnement des systèmes photovoltaïques solaires

1. Déterminer les demandes de consommation d'énergie

La première étape de la conception d'un système photovoltaïque solaire consiste à déterminer la puissance totale et la consommation d'énergie de toutes les charges qui doivent être alimentées par le système photovoltaïque solaire comme suit :

     1.1 Calculer le nombre total de wattheures par jour pour chaque appareil utilisé.

           Additionnez les wattheures nécessaires pour tous les appareils afin d'obtenir le nombre total de wattheures par jour qui doivent être livrés aux appareils.

     1.2 Calculer le nombre total de wattheures par jour nécessaires pour les modules PV.

            Multipliez le nombre total de wattheures par jour des appareils par 1,3 (l'énergie perdue dans le système) pour obtenir le nombre total de wattheures par jour qui doit être fourni par les panneaux.

2. Dimensionnement des modules PV

Les modules photovoltaïques de différentes tailles produisent des quantités d'énergie différentes. Pour connaître la taille d'un module PV, il faut connaître le watt crête total produit. Le watt crête (Wc) produit dépend de la taille du module PV et du climat de l'emplacement du site. Il faut tenir compte du facteur de génération du panneau qui est différente selon l'emplacement du site. Exemple pour la Thaïlande, le facteur de génération du panneau est de 3,43. Pour déterminer la taille des modules PV, il faut faire les calculs suivants :

     2.1 Calculer la puissance totale en watts-crête nécessaire pour les modules PV

           Divisez le nombre total de wattheures par jour nécessaires aux modules PV (à partir du point 1.2) par 3,43 pour obtenir  

           la puissance totale en watts-crête nécessaire aux panneaux photovoltaïques pour faire fonctionner les appareils.

     2.2 Calculer le nombre de panneaux photovoltaïques pour le système

           Diviser la réponse obtenue au point 2.1 par la puissance nominale en watts-crête des modules PV disponibles à vous. Augmentez toute partie fractionnaire du résultat jusqu'au prochain nombre complet le plus élevé et ce sera le nombre de modules PV requis.

 Le résultat du calcul est le nombre minimum de panneaux PV. Si un plus grand nombre de modules PV est installé, le système sera plus performant et la durée de vie des batteries sera améliorée. Si moins de modules PV sont utilisés, le système risque de ne pas fonctionner du tout pendant les périodes nuageuses et la durée de vie des batteries sera réduite.

3. Dimensionnement de l'onduleur

Un onduleur est utilisé dans le système lorsque la production de courant alternatif est nécessaire. La puissance d'entrée de l'onduleur ne doit jamais être inférieure au watt total des appareils. L'onduleur doit avoir la même tension nominale que votre batterie.

Pour les systèmes autonomes, l'onduleur doit être suffisamment grand pour gérer la quantité totale de watts que vous utiliserez en une fois. La taille de l'onduleur doit être de 25 à 30 % plus grande que le nombre total de watts des appareils. Si le type d'appareil est un moteur ou un compresseur, la taille de l'onduleur doit être au moins trois fois supérieure à la capacité de ces appareils et doit être ajoutée à la capacité de l'onduleur pour gérer les surtensions au démarrage.

Pour les systèmes connectés au réseau, la puissance d'entrée de l'onduleur doit être la même que celle de l'installation photovoltaïque pour permettre un fonctionnement sûr et efficace.

4. Dimensionnement de la batterie

Le type de batterie recommandé pour une utilisation dans un système photovoltaïque solaire est la batterie à cycle profond. La batterie à cycle profond est spécialement conçue pour être déchargée à un faible niveau d'énergie et rechargée rapidement ou chargée et déchargée par cycle jour après jour pendant des années. La batterie doit être suffisamment grande pour stocker suffisamment d'énergie pour faire fonctionner les appareils la nuit et les jours nuageux. Pour connaître la taille de la batterie, faites le calcul suivant :

     4.1 Calculez le nombre total de wattheures par jour utilisés par les appareils.

     4.2 Divisez le nombre total de wattheures par jour utilisés par 0,85 pour la perte de la batterie.

     4.3 Divisez la réponse obtenue au point 4.2 par 0,6 pour la profondeur de décharge.

     4.4 Diviser la réponse obtenue au point 4.3 par la tension nominale de la batterie.

     4.5 Multipliez la réponse obtenue au point 4.4 par le nombre de jours d'autonomie (le nombre de jours que vous

           le système doit fonctionner lorsqu'il n'y a pas d'électricité produite par les panneaux photovoltaïques) pour obtenir les

           Capacité en ampères-heures de la batterie à cycle profond.

Capacité de la batterie (Ah) = Watt-heures total par jour utilisé par les appareils x Jours d'autonomie (0,85 x 0,6 x tension nominale de la batterie)

5. Dimensionnement du régulateur de charge solaire

Le régulateur de charge solaire est généralement évalué en fonction des capacités d'ampérage et de tension. Sélectionnez le régulateur de charge solaire qui correspond à la tension de l'installation photovoltaïque et des batteries, puis identifiez le type de régulateur de charge solaire qui convient à votre application. Assurez-vous que le régulateur de charge solaire a une capacité suffisante pour gérer le courant du générateur photovoltaïque.

Pour le type de régulateur de charge en série, le dimensionnement du régulateur dépend du courant d'entrée PV total qui est fourni au régulateur et dépend également de la configuration du panneau PV (configuration en série ou en parallèle).

Selon la pratique courante, le dimensionnement du régulateur de charge solaire consiste à prendre le courant de court-circuit (Isc) du panneau photovoltaïque et à le multiplier par 1,3

Valeur nominale du régulateur de charge solaire = Courant de court-circuit total du générateur PV x 1,3

Remarque : Pour les MPPT, le dimensionnement du régulateur de charge sera différent. (Voir les principes de base du régulateur de charge MPPT)

Exemple : Une maison utilise les appareils électriques suivants :

Une lampe fluorescente de 18 watts avec ballast électronique utilisée 4 heures par jour.

Un ventilateur de 60 watts utilisé 2 heures par jour.

Un réfrigérateur de 75 watts qui fonctionne 24 heures par jour avec un compresseur fonctionnant 12 heures et éteint 12 heures.

Le système sera alimenté par un module PV de 12 Vdc, 110 Wc.

1. Déterminer les demandes de consommation d'énergie

Utilisation totale des appareils = (18 W x 4 heures) + (60 W x 2 heures) + (75 W x 24 x 0,5 heures)

         = 1 092 Wh/jour

Énergie totale nécessaire pour les panneaux PV = 1 092 x 1,3

         = 1 419,6 Wh/jour.

2. Taille du panneau PV

2.1 Puissance totale des panneaux photovoltaïques

      nécessaire = 1 419,6 / 3,4

         = 413,9 Wp

2.2 Nombre de panneaux photovoltaïques nécessaires = 413,9 / 110

         = 3,76 modules

          Besoin réel = 4 modules

          Ce système devrait donc être alimenté par au moins 4 modules de 110 Wc PV.

3. Dimensionnement de l'onduleur

    Watt total de tous les appareils = 18 + 60 + 75 = 153 W

    Pour des raisons de sécurité, l'onduleur doit être considéré comme étant de 25 à 30 % plus grand.

    La taille de l'onduleur doit être d'environ 190 W ou plus.

4. Dimensionnement de la batterie

    Utilisation totale des appareils = (18 W x 4 heures) + (60 W x 2 heures) + (75 W x 12 heures)

    Tension nominale de la batterie = 12 V

    Jours d'autonomie = 3 jours

    Capacité de la batterie = [(18 W x 4 heures) + (60 W x 2 heures) + (75 W x 12 heures)] x 3

                                                (0,85 x 0,6 x 12)

    Ampères-heures totaux nécessaires 535,29 Ah

    La batterie devrait donc être de 12 V 600 Ah pour une autonomie de 3 jours.

5. Dimensionnement du régulateur de charge solaire

    Spécification du module PV

    Pm = 110 Wc

    Vm = 16,7 Vdc

    Im = 6,6 A

    Voc = 20,7 A

    Isc = 7,5 A

    Puissance du régulateur de charge solaire = (4 branches x 7,5 A) x 1,3 = 39 A

    Le régulateur de charge solaire doit donc être calibré à 40 A à 12 V ou plus.