Comment concevoir et installer un système solaire photovoltaïque ?

Conception et installation de systèmes solaires photovoltaïques

Aujourd'hui, notre monde moderne a besoin d'énergie pour diverses applications quotidiennes telles que la fabrication industrielle, le chauffage, le transport, l'agriculture, les applications d'éclairage, etc. La plupart de nos besoins énergétiques sont généralement satisfaits par sources d'énergie non renouvelables telles que le charbon, le pétrole brut, le gaz naturel, etc. Mais l'utilisation de ces ressources a eu un impact important sur notre environnement.

En outre, cette forme de ressource énergétique n'est pas uniformément répartie sur la terre. Il existe une incertitude sur les prix du marché, comme dans le cas du pétrole brut, car il dépend de la production et de l'extraction de ses réserves. En raison de la disponibilité limitée de sources non renouvelables, la demande de sources renouvelables a augmenté ces dernières années.

L'énergie solaire a été au centre de l'attention lorsqu'il s'agit de sources d'énergie renouvelables. Il est facilement disponible sous une forme abondante et a le potentiel de répondre aux besoins énergétiques de toute notre planète. Le système solaire photovoltaïque autonome, comme le montre la figure 1, est l'une des approches lorsqu'il s'agit de répondre à notre demande d'énergie indépendamment du service public. Par conséquent, dans ce qui suit, nous verrons brièvement la planification, la conception et l'installation d'un système photovoltaïque autonome pour la production d'électricité.

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Planification d'un système PV autonome

Évaluation du site, arpentage et évaluation des ressources en énergie solaire :

Étant donné que la production générée par le système PV varie considérablement en fonction de l'heure et de l'emplacement géographique, il devient de la plus haute importance d'avoir une sélection appropriée du site pour l'installation PV autonome. Ainsi, les points suivants doivent être pris en compte pour l'évaluation et la sélection des emplacements d'installation.

1. Ombre minimale : Il faut s'assurer que l'emplacement choisi, soit sur le toit, soit au sol, ne présente pas d'ombrages ou ne présente aucune structure qui intercepte le rayonnement solaire tombant sur les panneaux à installer. Assurez-vous également qu'il n'y aura pas bientôt de construction structurelle autour de l'installation qui pourrait causer le problème de l'ombrage.
2. Superficie : La surface du site sur lequel l'installation PV est prévue doit être connue, pour avoir une estimation de la taille et du nombre de panneaux nécessaires pour générer la puissance de sortie requise pour la charge. Cela permet également de planifier l'installation d'onduleurs, de convertisseurs et de bancs de batteries.
3. Sur le toit : Dans le cas de l'installation sur toiture, le type de toiture et sa structure doivent être connus. Dans le cas des toits inclinés, l'angle d'inclinaison doit être connu et le montage nécessaire doit être utilisé pour que les panneaux aient plus d'incidents de rayonnement solaire, c'est-à-dire que idéalement l'angle de rayonnement doit être perpendiculaire au panneau PV et pratiquement aussi proche que 90 degrés .
4. Itinéraires : Les itinéraires possibles pour les câbles d'un onduleur, d'un groupe de batteries, d'un contrôleur de charge et d'un générateur photovoltaïque doivent être planifiés de manière à avoir une utilisation minimale des câbles et une chute de tension plus faible dans les câbles. Le concepteur doit choisir entre l'efficacité et le coût du système.

Pour estimer la puissance de sortie, l'évaluation de l'énergie solaire du site sélectionné est d'une importance primordiale. L'insolation est définie comme la mesure de l'énergie solaire reçue dans une zone spécifiée sur une période de temps. Vous pouvez trouver ces données à l'aide d'un pyranomètre, mais ce n'est pas nécessaire car vous pouvez trouver les données d'insolation à votre station météorologique la plus proche. Lors de l'évaluation de l'énergie solaire, les données peuvent être mesurées de deux manières comme suit :

• Kilowattheures par mètre carré par jour (KWh/m ² /jour): C'est une quantité d'énergie mesurée en kilowattheures, tombant sur un mètre carré par jour.
• Heures d'ensoleillement maximales quotidiennes (PSH) : Nombre d'heures dans une journée pendant lesquelles l'éclairement énergétique atteint en moyenne 1 000 W/m ² .

Les heures d'ensoleillement maximales sont les plus couramment utilisées car elles simplifient les calculs. Ne vous confondez pas avec les "Heures d'ensoleillement moyennes » et « Heures de pointe du soleil ” que vous recueilleriez à la station météorologique. Les "heures d'ensoleillement moyennes" indiquent le nombre d'heures d'ensoleillement, car les "heures d'ensoleillement maximales" correspondent à la quantité réelle d'énergie reçue en KWh/m ² /journée. Parmi tous les mois d'une période de l'année, utilisez la valeur d'insolation quotidienne moyenne la plus faible, car cela garantira que le système fonctionnera de manière plus fiable lorsque le soleil est le moins présent en raison de conditions météorologiques inappropriées.

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Considérations pour un système photovoltaïque autonome

Calcul de la demande d'énergie

La taille du système PV autonome dépend de la demande de charge. La charge et son temps de fonctionnement varient selon les appareils, il faut donc faire particulièrement attention lors des calculs de demande d'énergie. La consommation d'énergie de la charge peut être déterminée en multipliant la puissance nominale (W) de la charge par son nombre d'heures de fonctionnement. Ainsi, l'unité peut être écrite en watt × heure ou simplement en Wh.

Demande énergétique Watt-heure =Puissance nominale en Watt × Durée de fonctionnement en heures.

Ainsi, la demande énergétique totale quotidienne en Wh est calculée en ajoutant la demande de charge individuelle de chaque appareil par jour.

Demande énergétique totale Watt-heure =∑ (Puissance nominale en Watt × Durée de fonctionnement en heures).

Un système doit être conçu pour le scénario le plus défavorable, c'est-à-dire pour le jour où la demande d'énergie est la plus élevée. Un système conçu pour la demande la plus élevée garantira la fiabilité du système. Si le système répond à la demande de charge de pointe, il répondra à la demande la plus faible. Mais concevoir le système pour la demande la plus élevée augmentera le coût global du système. D'autre part, le système ne sera pleinement utilisé que pendant la demande de charge de pointe. Il faut donc choisir entre le coût et la fiabilité du système.

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Classement des onduleurs et des convertisseurs (contrôleur de charge)

Pour choisir le bon onduleur, la tension d'entrée et de sortie et le courant nominal doivent être spécifiés. La tension de sortie de l'onduleur est spécifiée par la charge du système, il doit être capable de gérer le courant de charge et le courant prélevé sur le banc de batteries. Sur la base de la charge totale connectée au système, la puissance nominale de l'onduleur peut être spécifiée.

Considérons 2,5 kVA dans notre cas, par conséquent, un onduleur avec une capacité de gestion de puissance ayant une taille de 20 à 30 % supérieure à la puissance faisant fonctionner la charge doit être choisi sur le marché. Dans le cas de la charge du moteur, elle doit être 3 à 5 fois supérieure à la demande de puissance d'un tel appareil. Dans le cas du convertisseur, le régulateur de charge est dimensionné en courant et en tension. Son courant nominal est calculé en utilisant le courant nominal de court-circuit du module PV. La valeur de la tension est la même que la tension nominale des batteries.

Dimensionnement du convertisseur et du contrôleur de charge

La valeur nominale du contrôleur de charge doit être de 125 % du courant de court-circuit du panneau photovoltaïque. En d'autres termes, il devrait être supérieur de 25 % au courant de court-circuit du panneau solaire.

Taille du contrôleur de charge solaire en ampères =Courant de court-circuit de PV × 1,25 (facteur de sécurité).

Par exemple, nous avons besoin de 6 numéros chacun de panneaux solaires de 160 W pour notre système. Voici la date relative du panneau PV.

Supposons que les spécifications du module PV sont les suivantes.

• P_M =160 W_crête
• V_M =17,9 V_CC
• Je_M =8,9 A
• V_OC =21,4 A
• Je_SC =10A

La puissance nominale requise pour le contrôleur de charge solaire est =(4 panneaux x 10 A) x 1,25 =50 A

Désormais, un contrôleur de charge de 50 A est nécessaire pour la configuration du système 12 V CC.

Remarque :Cette formule ne s'applique pas aux chargeurs solaires MPPT. Veuillez vous référer au manuel d'utilisation ou vérifier les données de la plaque signalétique pour le dimensionnement approprié.

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Dimensionnement de l'onduleur

La taille de l'onduleur doit être supérieure de 25 % à la charge totale en raison des pertes et du problème d'efficacité de l'onduleur. En d'autres termes, il devrait être évalué à 125% de la charge totale requise en watts. Par exemple, si la puissance requise est de 2400 W, la taille de l'onduleur doit être :

2 400 W x 125 %

2 400 W x 1,25

3 000 watts.

Nous avons donc besoin d'un onduleur de 3 kW en cas de charge de 2 400 W.

Énergie quotidienne fournie à l'onduleur

Considérons dans notre cas la consommation d'énergie journalière par la charge est de 2700 Wh. Notez que l'onduleur a son efficacité, ainsi l'énergie fournie à l'onduleur doit être supérieure à l'énergie utilisée par la charge, afin que les pertes dans l'onduleur puissent être compensées. En supposant une efficacité de 90 % dans notre cas, l'énergie totale fournie par la batterie à l'onduleur serait donnée par :

Énergie fournie par la batterie à l'entrée de l'onduleur =2 700 / 0,90 =3 000 Wh/jour.

Tension du système

La tension d'entrée de l'onduleur est appelée tension du système. Il s'agit également de la tension globale de la batterie. Cette tension du système est déterminée par la tension de batterie individuelle sélectionnée, le courant de ligne, la chute de tension maximale autorisée et la perte de puissance dans le câble. Habituellement, la tension des batteries est de 12 V, de même que la tension du système. Mais si nous avons besoin d'une tension plus élevée, elle doit être un multiple de 12 V, c'est-à-dire 12 V, 24 V, 36 V, etc.

En diminuant le courant, la perte de puissance et la chute de tension dans le câble peuvent être réduites, cela peut être fait en augmentant la tension du système. Cela augmentera le nombre de batteries dans la série. Par conséquent, il faut choisir entre la perte de puissance et la tension du système. Maintenant, pour notre cas, considérons la tension du système de 24 V.

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Dimensionnement des piles

Lors du dimensionnement de la batterie, certains paramètres doivent être pris en compte comme suit :

1. Profondeur de décharge (DOD) de la batterie.
2. Tension et capacité en ampères-heures (Ah) de la batterie.
3. Le nombre de jours d'autonomie (C'est le nombre de jours nécessaires pour alimenter l'ensemble du système (alimentation de secours) sans panneaux solaires en cas d'ombrage complet ou de jours de pluie. Nous aborderons cette partie dans notre prochain article) à obtenir la capacité Ah nécessaire des batteries.

Considérons que nous avons des batteries de 12 V, 100 Ah avec un DOD de 70 %. Ainsi, la capacité utile du est de 100 Ah × 0,70 =70 Ah. Par conséquent, la capacité chargée requise est déterminée comme suit :

Capacité de charge requise =énergie fournie par la batterie à l'entrée de l'onduleur/tension du système

Capacité de charge requise =3000 Wh/ 24 V =125 Ah

À partir de là, le nombre de piles nécessaires peut être calculé comme ;

Non. de batteries requises =Capacité de charge requise / (100 × 0,7)

Non. de batteries nécessaires =125 Ah / (100 × 0,7) =1,78 (arrondir à 2 batteries)

Ainsi, 2 batteries de 12 V, 100 Ah sont nécessaires. Mais en raison de l'arrondi, 140 Ah au lieu de 125 Ah sont nécessaires.

Capacité de charge requise =2 × 100 Ah × 0,7 =140 Ah

Par conséquent, deux batteries 12 V, 100 Ah en parallèle pour répondre à la capacité de charge ci-dessus. Mais comme la batterie individuelle est de 12 V, 100 Ah uniquement et que la tension système requise est de 24 V, nous devons connecter deux batteries en série pour obtenir la tension système de 24 V, comme indiqué dans la figure 2 ci-dessous :

Donc, au total, il y aura quatre batteries de 12 V, 100 Ah. Deux connectés en série et deux connectés en parallèle.

En outre, la capacité requise des batteries peut être trouvée par la formule suivante.

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Dimensionnement du générateur photovoltaïque

Différentes tailles de modules photovoltaïques disponibles sur le marché produisent un niveau de puissance de sortie différent. L'un des moyens les plus courants de déterminer la taille du générateur photovoltaïque consiste à utiliser l'insolation quotidienne moyenne la plus faible (irradiance solaire) pendant les heures d'ensoleillement maximales comme suit :

La taille totale du générateur photovoltaïque (W) =(Demande d'énergie par jour d'une charge (Wh) / T_PH ) × 1,25

Où T_PH est la plus faible moyenne quotidienne d'heures d'ensoleillement maximum d'un mois par an et 1,25 est le facteur d'échelle. Avec cela le nombre de modules PV N_modules requis peut être déterminé comme ;

N_modules =Taille totale du générateur photovoltaïque (W) / Note des panneaux sélectionnés en watts de crête.

Supposons que, dans notre cas, la charge est de 3 000 Wh/jour. Pour connaître le W_Peak total nécessaire d'une capacité de panneau solaire, nous utilisons le facteur PFG, c'est-à-dire

Total W_Crête de capacité du panneau PV =3000 / 3,2 (PFG)

=931 W_pic

Maintenant, le nombre requis de panneaux photovoltaïques est =931 / 160W =5,8.

De cette façon, nous avons besoin de 6 nombres de panneaux solaires de 160 W chacun. Vous pouvez trouver le nombre exact de panneaux solaires en divisant le W_pic par une autre cote, c'est-à-dire 100 W, 120 W, 150 W, etc., en fonction de la disponibilité.

Remarque  :La valeur de PFG (Facteur de génération de panneau) varie (en raison des changements climatiques et de température) dans différentes régions, par exemple, PFG aux États-Unis =3,22, UE =293, Thaïlande =3,43, etc.

De plus, les pertes supplémentaires doivent être prises en compte pour trouver le facteur de génération de panneau (PGF) exact. Ces pertes (en %) sont dues à :

• La lumière du soleil ne frappe pas directement le panneau solaire (5 %)
• Ne pas recevoir d'énergie au point de puissance maximum (exclu en cas de contrôleur de charge MPPT). (10 %)
• Saleté sur les panneaux solaires (5 %)
• Panneaux photovoltaïques vieillissants et inférieurs aux spécifications (10 %)
• Température supérieure à 25 °C (15 %)

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Dimensionnement des câbles

Le dimensionnement des câbles dépend de nombreux facteurs tels que la capacité de transport de courant maximale. Il doit avoir une chute de tension minimale et des pertes résistives minimales. Comme les câbles seraient placés dans l'environnement extérieur, ils devraient être résistants à l'eau et aux ultraviolets.

Le câble doit avoir une chute de tension minimale généralement inférieure à 2 % car il existe un problème de chute de tension dans le système basse tension. Un sous-dimensionnement des câbles entraînera une perte d'énergie et peut même parfois entraîner des accidents. alors que le surdimensionnement n'est pas économiquement abordable. La section transversale du câble est donnée par ;

A =(ρI_M L / V_D ) × 2

Où

• ρ est la résistivité du matériau du fil conducteur (ohmmètres).
• L est la longueur du câble.
• V_D est la chute de tension maximale autorisée.
• Je_M est le courant maximal transporté par le câble.

De plus, vous pouvez utiliser ce calculateur de taille de câble et de fil. Utilisez également le disjoncteur de taille appropriée et les prises et interrupteurs de calibre approprié.

Prenons un exemple résolu pour l'exemple ci-dessus.

Exemple :

Supposons que nous ayons la charge électrique suivante en watts où nous avons besoin d'une conception et d'une installation de système de panneaux solaires de 12 V, 120 W.

• Une lampe LED de 40 W pendant 12 heures par jour.
• Un réfrigérateur de 80 W pendant 8 heures par jour.
• Un ventilateur CC de 60 W pendant 6 heures par jour.

Recherchons maintenant le nombre de panneaux solaires, la puissance et le dimensionnement du contrôleur de charge, de l'onduleur et des batteries, etc.

Recherche de la charge totale

Charge totale en Wh/jour

=(40 W x 12 heures) + (80 W x 8 heures) + (60 W x 6 heures)

=1480 Wh / par jour

La puissance requise par le système de panneaux solaires

=1480 Wh x 1,3 … (1,3 est le facteur utilisé pour l'énergie perdue dans le système)

=1 924 Wh/jour

Rechercher la taille et le nombre de panneaux solaires

W_pic Capacité du panneau solaire

=1 924 Wh /3,2

= 601,25 W_crête

Nombre requis de panneaux solaires

= 601,25 / 120 W

Nombre de panneaux solaires =5 modules de panneaux solaires

Ainsi, les 5 panneaux solaires de 120 W chacun seront capables d'alimenter nos besoins de charge.

Trouvez la puissance et la taille de l'onduleur

Comme il n'y a que des charges CA dans notre système pendant un temps spécifique (c'est-à-dire qu'aucune charge CC supplémentaire et directe n'est connectée aux batteries) et que notre puissance totale requise est :

=  40 W + 80 W + 60 W 

=180 W

Maintenant, la puissance nominale de l'onduleur doit être supérieure de 25 % à la charge totale en raison des pertes dans l'onduleur.

=180 W x 2,5

Puissance et taille de l'onduleur =225 W

Trouvez la taille, la puissance et le nombre de piles

Notre puissance de charge et notre temps de fonctionnement en heures

=(40 W x 12 heures) + (80 W x 8 heures) + (60 W x 6 heures)

Tension nominale de la batterie à décharge profonde =12 V

Jour d'autonomie requis (Alimentation par batteries sans panneau solaire) =2 jours.

[(40W x 12 heures) + (80W x 8 heures) + (60W x 6 heures) / (0,85 x 0,6 x 12V)] x 2 jours

La capacité requise des batteries en ampère-heure =483,6 Ah

De cette façon, nous avons besoin d'une capacité de batterie 12V 500Ah pour 2 jours d'autonomie.

Dans ce cas, nous pouvons utiliser 4 batteries chacune de 12 V, 125 Ah connectées en parallèle.

Si la capacité de batterie disponible est de 175 Ah, 12 V, nous pouvons utiliser 3 batteries. Vous pouvez obtenir le nombre exact de batteries en divisant la capacité requise des batteries en ampère-heure par la capacité de batterie disponible en Ah.

Nombre de piles requis = Capacité requise des batteries en Ampère-heure / Capacité de batterie disponible en Ah

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Trouver la cote et la taille du contrôleur de charge solaire

Le contrôleur de charge doit être supérieur de 125 % (ou 25 %) au courant de court-circuit du panneau solaire.

Taille du contrôleur de charge solaire en ampères =Courant de court-circuit de PV × 1,25

Spécification du module photovoltaïque

• P_M =120 W_crête
• V_M =15,9 V_CC
• Je_M =7,5A
• V_OC =19,4 A
• Je_SC =8,8 A

La puissance nominale requise pour le contrôleur de charge solaire est =(5 panneaux x 8,8 A) x 1,25 =44 A

Ainsi, vous pouvez utiliser le prochain contrôleur de charge nominal le plus proche qui est de 45 A.

Notez que cette méthode ne peut pas être utilisée pour trouver la taille exacte des chargeurs solaires MPPT. Veuillez vous référer au manuel d'utilisation fourni par le fabricant ou consultez la plaque signalétique imprimée dessus.

Rechercher le câble, le disjoncteur, les interrupteurs et l'intensité de la prise

Utilisez les outils suivants et les messages explicatifs avec des tableaux pour trouver l'ampérage exact des fils et câbles, des interrupteurs, des prises et des disjoncteurs.

• Calculateur de taille de fil de câble ou comment trouver la taille de fil appropriée avec l'intensité admissible.
• Trouvez l'ampérage des interrupteurs et des prises
• Trouvez la taille et la valeur nominale appropriées du disjoncteur.

Conclusion

Le système PV autonome est un excellent moyen d'utiliser l'énergie solaire écologique facilement disponible. Sa conception et son installation sont pratiques et fiables pour les besoins énergétiques à petite, moyenne et grande échelle. Un tel système rend la disponibilité de l'électricité presque partout dans le monde, en particulier dans les régions éloignées. Cela rend le consommateur d'énergie indépendant du service public et d'autres sources d'énergie telles que le charbon, le gaz naturel, etc.

Un tel système ne peut avoir aucun impact négatif sur notre environnement et peut fournir de l'énergie pendant de longues périodes après son installation. La conception et l'installation systématiques ci-dessus fournissent des directives utiles pour notre besoin d'énergie propre et durable dans le monde moderne.

• Par :M. Phansopkar
• Mis à jour par :Technologie électrique