Guide Expert pour Concevoir et Installer des Systèmes PV Solaires

Conception et Installation de Systèmes PV Solaires

Notre monde moderne a besoin d'énergie pour applications quotidiennes : fabrication industrielle, chauffage, transport, agriculture, éclairage, etc. La plupart de nos besoins sont satisfaits par sources non renouvelables : charbon, pétrole, gaz naturel. Mais leur utilisation a un impact environnemental lourd.

De plus, ces ressources ne sont pas uniformément réparties. Incertitude des prix (ex: pétrole selon production/réserves). Face à la disponibilité limitée, la demande pour sources renouvelables a crû ces dernières années.

L'énergie solaire est au centre de l'attention pour les renouvelables. Disponible abondamment, elle peut potentiellement couvrir les besoins énergétiques mondiaux. Le système PV autonome (standalone) comme en figure 1 est une approche pour satisfaire notre demande d'électricité indépendamment du réseau. Nous verrons brièvement la planification, conception et installation d'un système PV autonome pour production d'électricité.

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Planification d'un Système PV Autonome

Évaluation du site, étude et évaluation de la ressource solaire :

La production PV variant selon l'heure et la localisation, le choix du site est crucial. Points à considérer :

1. Ombre Minimum : Le site (toit ou sol) ne doit pas avoir d'ombres ni structures interceptant le rayonnement solaire. S'assurer qu'aucune construction future n'en créera.
2. Surface Disponible : Connaitre la surface pour estimer taille et nombre de panneaux pour la puissance requise. Aide aussi à planifier installation onduleur, convertisseurs, batteries.
3. Toit : Type et structure du toit doivent être connus. Pour toits inclinés, connaitre l'angle d'inclinaison et utiliser fixations adaptées pour que les panneaux reçoivent un rayonnement incident maximal (idéalement perpendiculaire, proche de 90°).
4. Chemins de Câbles : Planifier les parcours câbles (onduleur, batteries, régulateur, champ PV) pour minimiser longueur et chute de tension. Choisir entre efficacité et coût.

Pour estimer la puissance, l'évaluation de la ressource solaire du site est primordiale. L'ensoleillement (insolation) mesure l'énergie solaire reçue par surface sur une période. Données via pyranomètre ou station météorologique. Deux unités de mesure :

• kWh/m²/jour : Énergie en kWh tombant sur m² par jour.
• Heures de Pointe Solaire Quotidiennes (PSH) : Nombre d'heures par jour où l'irradiance moyenne est 1000 W/m².

Les PSH sont couramment utilisées car simplifiant les calculs. Ne pas confondre « Heures Moyennes d'Ensoleillement » et « Heures de Pointe Solaire » des stations météo. Les premières indiquent la durée d'ensoleillement, les secondes l'énergie réelle reçue en kWh/m²/jour. Utiliser la valeur moyenne journalière la plus basse sur l'année pour garantir fiabilité par temps défavorable.

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Considérations pour Système PV Autonome

Calcul de la Demande Énergétique

La taille du système PV dépend de la demande de charge. La charge et sa durée varient selon appareils, attention aux calculs. La consommation énergétique = puissance (W) × durée (h) = Wh.

Demande énergétique Wh = Puissance (W) × Durée (h)

Demande totale journalière Wh = Σ (Puissance × Durée) par appareil/jour.

Dimensionner pour le pire cas (jour demande max) assure fiabilité. Si système couvre pic, il couvre creux. Mais dimensionner pour le pic augmente le coût. Système pleinement utilisé seulement aux pics. Arbitrage coût/fiabilité.

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Dimensionnement Onduleur et Convertisseur (Régulateur de Charge)

Pour choisir l'onduleur, spécifier tensions/courants entrée/sortie. Tension sortie = charge système, doit gérer courant charge et courant batterie. Puissance onduleur selon charge totale connectée.

Exemple : 2,5 kVA → onduleur 20-30% supérieur à la charge. Charge moteur : 3-5 fois la demande. Pour convertisseur (régulateur), calibre en courant et tension. Courant = courant de court-circuit module PV. Tension = tension nominale batteries.

Dimensionnement Convertisseur et Régulateur de Charge

Le régulateur doit être 125% du courant de court-circuit PV (25% marge).

Calibre régulateur (A) = Courant court-circuit PV × 1,25 (facteur sécurité).

Exemple : 6 panneaux 160W. Spécifications module :

• Pₘ = 160 Wc
• Vₘ = 17,9 V DC
• Iₘ = 8,9 A
• Vₒ꜀ = 21,4 V
• Iₛ꜀ = 10 A

Calibre requis = (4 panneaux × 10 A) × 1,25 = 50 A → régulateur 50A pour système 12V DC.

Note : Formule inapplicable aux régulateurs MPPT. Consulter manuel ou plaque signalétique.

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Dimensionnement Onduleur

L'onduleur doit être 25% plus grand que la charge totale (pertes/efficacité). Soit 125% de la charge en watts. Exemple : charge 2400W → onduleur = 2400 × 1,25 = 3000W (3 kW).

Énergie Quotidienne Fournie à l'Onduleur

Consommation journalière charge = 2700 Wh. Rendement onduleur 90% → énergie fournie par batteries = 2700 / 0,90 = 3000 Wh/jour.

Tension Système

Tension entrée onduleur = tension système = tension pack batteries. Décidée par tension batterie individuelle, courant de ligne, chute de tension max admissible, pertes câble. Habituellement 12V (batteries 12V). Pour tension supérieure, multiples de 12V : 12, 24, 36V... Diminuer le courant réduit pertes et chute tension, en augmentant tension système → plus de batteries en série. Choix entre pertes et tension. Pour notre cas : 24V.

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Dimensionnement des Batteries

Paramètres :

1. Profondeur de Décharge (DOD).
2. Tension et capacité Ah.
3. Jours d'autonomie (jours alimentation sans panneaux en cas d'ombrage/pluie complet).

Exemple : batteries 12V, 100Ah, DOD 70%. Capacité utilisable = 100 × 0,70 = 70 Ah. Capacité requise = énergie fournie / tension système = 3000 Wh / 24V = 125 Ah.

Nombre batteries = 125 Ah / (100 × 0,7) = 1,78 → 2 batteries (arrondi). Capacité réelle = 2 × 100 × 0,7 = 140 Ah.

Deux batteries 12V 100Ah en parallèle pour capacité. Mais tension système 24V → deux en série pour 24V (figure 2).

Total : 4 batteries 12V 100Ah. Deux en série, deux en parallèle.

Formule capacité requise :

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Dimensionnement du Champ PV

Différentes tailles modules PV donnent différents niveaux de puissance. Méthode courante : utiliser l'ensoleillement moyen journalier le plus bas en heures de pointe :

Taille totale champ PV (W) = (Demande énergétique jour charge (Wh) / Tₚₕ) × 1,25

Tₚₕ = plus bas moyenne journalière heures de pointe par mois/an. 1,25 = facteur d'échelle. Nombre modules :

N_modules = Taille totale champ PV (W) / Puissance crête panneaux choisis.

Exemple : charge 3000 Wh/jour. Puissance crête totale = 3000 / 3,2 (PFG) = 931 Wc. Panneaux 160W → 931/160 = 5,8 → 6 panneaux. Trouver nombre exact en divisant Wc par autre calibre (100W, 120W, 150W) selon dispo.

Note : PFG (Panel Generation Factor) varie selon régions (climat, température) : USA 3,22, UE 2,93, Thaïlande 3,43, etc.

Pertes additionnelles à considérer pour PFG exact :

• Rayonnement non perpendiculaire (5%)
• Pas au point de puissance max (exclu si régulateur MPPT) (10%)
• Salissure panneaux (5%)
• Vieillissement/sous-spécifications (10%)
• Température > 25°C (15%)

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Dimensionnement des Câbles

Dépend de nombreux facteurs : capacité de courant max, chute tension min (<2%), pertes résistives min. Câbles extérieurs → résistants eau et UV. Sous-dimensionnement = pertes énergie, accidents. Surdimensionnement = coût excessif. Section câble :

A = (ρ × Iₘ × L / V_D) × 2

ρ = résistivité matériau (ohm-m), L = longueur, V_D = chute tension max admissible, Iₘ = courant max.

Utilisez calculateur section câble. Prévoyez disjoncteur, fiches et interrupteurs calibrés.

Exemple résolu pour l'exemple ci-dessus.

Exemple :

Charge électrique en watts pour système 12V, 120W :

• Lampe LED 40W, 12h/jour
• Réfrigérateur 80W, 8h/jour
• Ventilateur DC 60W, 6h/jour

Calcul Charge Totale

Charge Totale Wh/jour = (40×12) + (80×8) + (60×6) = 1480 Wh/jour

Puissance requise panneaux = 1480 × 1,3 (facteur pertes) = 1924 Wh/jour

Taille et Nombre Panneaux

Capacité Wc Panneaux = 1924 / 3,2 = 601,25 Wc

Nombre panneaux = 601,25 / 120W = 5 modules

Calibre et Taille Onduleur

Charges AC seulement, puissance totale = 40+80+60 = 180W. Onduleur 25% supérieur = 180 × 1,25 = 225 W (Note: texte original dit 2.5 mais 25% = 1.25).

Taille, Calibre et Nombre Batteries

Charge et temps : (40×12)+(80×8)+(60×6). Tension nominale batterie cycle profond = 12V. Jours autonomie = 2.

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

Capacité requise batteries = 483,6 Ah → 12V 500Ah pour 2 jours autonomie.

Utiliser 4 batteries 12V 125Ah en parallèle. Si batteries 175Ah dispo → 3 batteries. Nombre exact = capacité requise Ah / calibre dispo Ah.

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Calibre et Taille Régulateur Solaire

Régulateur = 125% du courant court-circuit panneaux.

Calibre régulateur (A) = Iₛ꜀ PV × 1,25

Spécifications module : Pₘ=120Wc, Vₘ=15,9V, Iₘ=7,5A, Vₒ꜀=19,4V, Iₛ꜀=8,8A.

Calibre = (5 panneaux × 8,8A) × 1,25 = 44A → utiliser 45A le plus proche.

Note : inapplicable aux chargeurs MPPT. Consulter manuel ou plaque.

Calibre Câbles, Disjoncteurs, Interrupteurs et Fiches

Utilisez outils et articles explicatifs avec tableaux pour trouver calibre exact fils/câbles, interrupteurs/fiches et disjoncteurs.

• Calculateur Section Câble ou Comment Trouver Taille Fil avec Ampacité
• Trouver Calibre Interrupteurs et Fiches
• Trouver Taille et Calibre Disjoncteur Adapté

Conclusion

Le système PV autonome exploite admirablement l'énergie solaire écologique. Sa conception et installation sont pratiques et fiables pour besoins petits, moyens, grands. Rend l'électricité disponible presque partout, surtout zones reculées. Rend le consommateur indépendant du réseau et sources fossiles.

Pas d'impact négatif environnemental, fournit énergie long terme après installation. La méthode systématique ci-dessus donne lignes directrices utiles pour énergie propre et durable.

• Par : M. Phansopkar
• Mis à jour par : Electrical Technology