Comment dimensionner correctement un système solaire
Les panneaux solaires deviennent de plus en plus courants et investir dans un système photovoltaïque solaire est une solution solaire intelligente pour la plupart des propriétaires. Cette technologie, désormais prouvée et fiable, offre des performances à long terme avec peu d’entretien. Les derniers panneaux solaires et systèmes PV sont moins chers, plus faciles à installer, à entretenir et fonctionnent plus efficacement que jamais, il est donc important de savoir comment dimensionner un système solaire afin d’en tirer le meilleur parti.
L’objectif principal de tout système solaire photovoltaïque est de compenser tout ou partie de vos besoins en électricité avec de l’énergie gratuite du soleil. Le pourcentage de vos besoins énergétiques que vous pourrez satisfaire avec un système solaire dépendra de nombreux facteurs, notamment de la consommation d’énergie de votre maison (ou d’autre lieu), de l’efficacité du système que vous installez et de l’emplacement de votre maison. Idéalement, pour les panneaux solaires, cela serait un endroit où les températures sont fraîches pour maintenir les panneaux au frais, mais qui reçoit également beaucoup de lumière solaire pour générer beaucoup d’énergie gratuite.
Dimensionner un système solaire peut être délicat, surtout si vous installez un système dans une nouvelle maison, un camping-car, un chalet montagnard ou si vous ne connaissez pas les besoins énergétiques de votre domicile. Dans de tels cas, comment savoir combien de panneaux solaires ou combien d’énergie solaire vous avez besoin ?
Vous pourriez “estimer” votre consommation d’énergie annuelle si vous connaissez vos habitudes de consommation ou si vous avez des détails de vos factures d’énergie. Avoir une estimation relativement précise de votre consommation d’énergie vous aidera à concevoir la taille correcte du système solaire dont vous avez besoin.
Pour cet exemple simple, supposons que nous voulons concevoir un système photovoltaïque solaire pour une maison de jardin autonome (ou abri) avec une batterie de secours pour l’utilisation de l’éclairage la nuit. Comment dimensionnerions-nous un système solaire pour une telle application ?
Comment dimensionner un système solaire
1. Consommation d’énergie
La première chose que fait la plupart des gens est de dresser une liste de la consommation électrique de tous les appareils et dispositifs électriques qui seront utilisés dans leur maison ou leur lieu particulier, ainsi qu’une estimation de la durée pendant laquelle chaque appareil ou dispositif est sous tension chaque jour.
Une fois cela fait, multipliez la consommation d’énergie (en watts) de chaque appareil par le nombre d’heures qu’il est allumé pour vous donner la consommation électrique quotidienne en wattheures, comme indiqué.
| Deux lampes à incandescence de 60W | 120W | 4 | 480 Whrs |
| Lumière extérieure fluorescente | 20W | 6 | 120 Whrs |
| Ventilateur de plafond | 50W | 4 | 200 Whrs |
| TV LCD couleur | 70W | 4 | 280 Whrs |
| Ordinateur portable | 50W | 6 | 300 Whrs |
| Routeur Wi-Fi | 10W | 6 | 60 Whrs |
Ensuite, la consommation d’énergie totale est estimée à environ 1440 wattheures, ou 1,44 kilowattheures par jour. Cependant, il est préférable d’ajouter un peu plus, disons 10 à 25 %, pour tenir compte des pertes dans le système, ou de l’utilisation d’un appareil électronique supplémentaire non pris en compte. Ainsi, la nouvelle valeur estimée serait : 1440 wattheures x 1,25 (25 % de plus) = 1800 wattheures ou 1,8 kWh.
2. Heures de soleil par jour
Étant donné que la production d’énergie solaire est basée sur la lumière du soleil incidente sur les panneaux photovoltaïques plutôt que sur la chaleur, il est nécessaire de savoir combien d’heures de soleil direct le panneau ou les panneaux seront exposés tout au long de la journée. La quantité d’énergie que vous pouvez obtenir de l’électricité solaire dans un site autonome dépend de son emplacement et de la période de l’année. En général, dans l’hémisphère nord, vous pouvez vous attendre à recevoir plus de lumière solaire entre les mois d’avril et de septembre et avoir une exposition claire au soleil pendant la majeure partie de la journée, par exemple de 9h à 15h.
Un panneau photovoltaïque produit le plus d’énergie lorsqu’il est orienté directement vers la lumière incidente, de sorte que les rayons du soleil brillent directement sur sa surface. L’orientation des panneaux solaires est importante car tous les panneaux solaires doivent être situés et inclinés de manière à recevoir le maximum de lumière solaire possible, en moyenne sur la course du jour, du mois ou de l’année. Heureusement, la plupart des maisons et des jardins disposent d’un bon accès au soleil avec des toits souvent exempts d’obstructions pouvant ombrager les panneaux solaires.
La mesure de la force de la lumière du soleil frappant la Terre à votre emplacement est définie comme l’insolation solaire, et vous aurez besoin de connaître la valeur des heures de soleil pic pour votre emplacement. Avoir un bon site solaire est important pour s’assurer que les panneaux photovoltaïques sont exposés à une lumière brillante tous les jours de l’année. Cela garantit également que vous collectez l’énergie solaire plus efficacement également. En général, pendant la saison hivernale, cela peut être aussi bas que 4 heures ou aussi élevé que 8 heures pendant la saison estivale.
Heureusement, il existe de nombreux bons sites web disponibles, comme le site d’insolation solaire de la NASA. Utiliser cette base de données d’insolation solaire peut aider à dimensionner le système électrique solaire (PV) minimum nécessaire pendant les périodes de l’année avec la plus courte quantité de lumière du soleil pour votre site ou votre emplacement particulier.
Supposons alors que pour notre emplacement particulier, la plus faible insolation solaire se produise pendant le mois de janvier avec seulement 4,8 heures de soleil par jour. Par conséquent, la puissance totale maximum générée par la lumière du soleil au mois de janvier sera : 1800 wattheures / 4,8 heures = 375 watts-pics, ou 375Wp. Cela peut être arrondi si nécessaire à 400Wp pour simplifier les calculs.
3. Déterminer le nombre de panneaux solaires
Nous avons déjà une idée précise de l’insolation solaire pour un site particulier. Nous avons effectué le sondage de la liste des charges électriques, donc nous savons combien de puissance électrique nous nécessitons en moyenne par jour. Il ne reste plus qu’à spécifier le type et le nombre de panneaux photovoltaïques (PV) qui produiront la puissance requise de 1,8 kilowatt.
Il existe littéralement des centaines de panneaux solaires différents parmi lesquels choisir et tous varient en type, taille, forme et tension nominale. Dans la plupart des cas, la taille d’un panneau photovoltaïque fait référence à sa puissance nominale en watts ou à son potentiel de génération d’électricité.
Les panneaux solaires peuvent également avoir différentes tensions nominales selon leur construction et leur taille. Ceux qui produisent de 12 à 48 volts sont généralement utilisés pour des applications hors réseau. La puissance maximale ( Pmax ) fournie par un seul panneau en plein soleil est donnée par la tension maximale de puissance ( Vmp ) multipliée par le courant de puissance maximum ( Imp ).
Pour notre exemple hors réseau particulier, nous avions besoin d’une batterie de stockage et de secours, donc le système sera alimenté par des modules solaires photovoltaïques de 12 Vdc pour la commodité.
Supposons donc que nous avons fait nos recherches sur la disponibilité des panneaux, leurs prix et leur taille, et que nous avons décidé d’utiliser des panneaux solaires de 12 volts 100 Wp avec les spécifications électriques suivantes : Pm = 100Wp, Vmp = 17,5 Vdc, Imp = 5,7A, Voc = 21,0V, Isc = 6,2A.
Ainsi, le nombre total de panneaux photovoltaïques nécessaires sera : 375Wp / 100 Wp = 3,75 = 4 panneaux solaires, arrondi au panneau entier le plus proche.
Notre exemple de maison de jardin sera donc alimenté par au moins quatre panneaux photovoltaïques solaires de 100 watts, les quatre panneaux étant connectés ensemble en parallèle pour fournir la tension système requise de 12 volts.
4. Dimensionnement de la batterie de stockage
Malheureusement, le soleil ne brille pas toujours, surtout la nuit, donc un soutien supplémentaire est nécessaire. Pendant une belle journée ensoleillée, les panneaux solaires peuvent produire beaucoup de puissance électrique, donc afin de nous permettre d’utiliser la maison de jardin pendant la nuit, en hiver ou pendant les périodes de faible insolation solaire, nous aurons besoin de batteries pour accéder à cette énergie après que le soleil se soit couché.
La quantité d’énergie qui sera consommée par jour dans la maison de jardin a été calculée à 1800 wattheures précédemment à l’aide des informations ci-dessus. C’est la capacité de stockage minimale dont nous avons besoin pour un jour. Ensuite, nous devons déterminer le nombre de jours de secours de batterie que nous voulons avoir à disposition. Ceci est appelé “Autonomie”.
Les jours d’autonomie représentent le nombre de jours nuageux d’affilée qui pourraient se produire et pour lesquels les batteries devront fournir de l’énergie au bâtiment. Un nombre standard de jours d’autonomie est généralement de 3 jours. Ensuite, le total de l’énergie requise pour un minimum de trois (3) jours de stockage pour notre maison de jardin qui consomme 1800 wattheures par jour est calculé comme suit :
Les appareils consomment 1800 Wattheures/jour, tension nominale de la batterie = 12 volts, jours d’autonomie seront 3 jours et efficacité = 85 %.
Capacité de la batterie = (1800 x 3)/(0.85 x 12). Le total d’ampères-heures requis est donc de 529Ah ou plus de capacité de batterie à 12 volts.
5. Déterminer le contrôleur de charge solaire
Tous les systèmes solaires avec batteries de secours devraient inclure un contrôleur de charge solaire pour empêcher les batteries de surcharger et également pour empêcher les batteries de renvoyer leur charge à travers le système vers les panneaux solaires pendant les périodes de faible ensoleillement, (c’est-à-dire, la nuit).
Étant donné qu’un contrôleur solaire fonctionne en ligne entre la série de panneaux solaires et les batteries de stockage, il est logique que sa sélection et son dimensionnement soient influencés par ces composants.
La tension et le courant sont les deux paramètres utilisés dans le dimensionnement du contrôleur de charge solaire. Le contrôleur solaire doit être capable d’accepter la puissance maximale produite par les panneaux solaires tout en délivrant la tension CC appropriée et le courant de charge aux batteries.
Pour les systèmes en fonctionnement continu, le facteur de décote standard de l’industrie est de 1.2 (20 % de supplémentaires) pour éviter que le contrôleur ne soit endommagé à cause d’un courant ou d’une puissance excessive des panneaux solaires. Les panneaux solaires ci-dessus ont un courant de court-circuit (Isc) de 6.20A. Le rayonnement du contrôleur de charge solaire sera donc : 4 panneaux solaires avec un courant nominal de 6.20A chacun = 4 x 6.20 x 1.2 = 29.76 A ou 30Amp. Donc, le contrôleur de charge solaire, comme celui de gauche, devrait être dimensionné pour 30 Ampères à 12 V ou plus.
6. Onduleur DC à AC hors réseau
Nous avons calculé que pour notre exemple simple, nous aurions besoin de quatre panneaux solaires de 100Wp et d’un contrôleur de charge solaire de 30 Ampères pour charger les batteries de 12 volts. Malheureusement, cette configuration ne pourra pas alimenter de grands téléviseurs, d’ordinateurs à domicile, de réfrigérateurs/congélateurs, etc., car ces appareils nécessitent 240 VAC pour fonctionner. Nous devons donc transformer la tension DC de 12 volts en 240 volts AC (courant alternatif) et pour cela, nous aurions besoin d’un onduleur à onde sinusoïdale.
La puissance totale de tous les appareils électriques que nous avons listés ci-dessus pour utilisation dans notre maison de jardin était : 120 + 20 + 50 + 70 + 50 + 10 = 320 Watts. Par souci de sécurité, l’onduleur doit être considéré comme de 20 à 25 % de plus en taille. La taille de l’onduleur devrait donc être d’environ 400 watts ou plus.
Donc, pour notre exemple simple ci-dessus d’une maison de jardin autonome, nous aurions besoin de quatre panneaux solaires de 100Wp, d’un contrôleur de charge de 30A alimentant un ensemble ou un groupe de batteries d’une capacité de 529Ah, plus des câbles de 16mm2 (10AWG) et des interrupteurs isolateurs de 30A. Si nous voulions également alimenter nos appareils électriques en utilisant 240VAC, un onduleur DC à AC d’environ 400 watts serait également requis.
Résumé de la dimensionnement d’un système solaire
Nous espérons qu’à présent, vous aurez une idée de comment dimensionner un système solaire pour votre maison ou votre jardin, que ce soit hors réseau avec sauvegarde de batterie ou un système PV raccordé au réseau. Ces étapes pour déterminer la taille du système solaire ne sont en aucun cas les seules, chaque cas est différent et il existe différentes manières de dimensionner les systèmes PV solaires.
Mais la première étape pour passer au solaire n’est pas la taille du système solaire, mais la réduction de la consommation d’électricité par des mesures de conservation et d’efficacité. La conservation de l’énergie et un bon design de maison jouent un rôle important dans la réduction de la taille et du coût d’un système photovoltaïque (PV). L’utilisation d’appareils et d’éclairages éconergétiques, ainsi que les alternatives non électriques dès que possible, peuvent rendre un système photovoltaïque autonome ou même alimenté par éoliennes une alternative compétitive par rapport au réseau électrique.
La quantité d’heures de soleil par jour, les jours d’autonomie et la consommation énergétique moyenne de votre maison détermineront la taille et, en fin de compte, le coût de tout système d’électricité solaire photovoltaïque. Les wattheures négatifs sont les wattheures que vous pouvez économiser en conservant de l’énergie et en ne les utilisant pas en premier lieu.
Le coût de la réduction de votre consommation d’énergie avec des wattheures négatifs est d’environ 20 à 30 % moins cher que de produire ces mêmes wattheures en utilisant un système PV surdimensionné. De plus, le système plus petit qui en résulte signifie moins de panneaux solaires, moins d’espace et moins de coûts.
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