Système photovoltaïque autonome

Un système PV autonome ou hors réseau se compose d’un certain nombre de modules photovoltaïques (ou panneaux) généralement de 12 volts, avec des puissances de sortie variant entre 50 et plus de 100 watts chacun. Ces modules PV sont ensuite combinés en un seul groupe pour obtenir la puissance de sortie souhaitée.

Un simple système PV autonome est un système solaire automatique qui produit de l’électricité pour charger des banques de batteries pendant la journée, utilisable la nuit lorsque l’énergie solaire n’est pas disponible. Un petit système PV autonome utilise des batteries rechargeables pour stocker l’énergie électrique fournie par un panneau ou un groupe de panneaux PV.

Les systèmes PV autonomes sont idéaux pour les zones rurales éloignées et les applications où d’autres sources d’énergie sont soit peu pratiques, soit indisponibles pour alimenter l’éclairage, les appareils et d’autres usages. Dans ces cas, il est plus économique d’installer un seul système PV autonome que de payer les coûts liés à l’extension des lignes et câbles d’électricité de la compagnie locale jusqu’à la maison, comme partie d’un système PV connecté au réseau.

Un système photovoltaïque (PV) autonome est un système électrique constitué d’un ou plusieurs modules PV, de conducteurs, de composants électriques et d’une ou plusieurs charges. Toutefois, un petit système solaire hors réseau n’a pas besoin d’être fixé à un toit ou à des structures pour des applications domestiques. De nombreux systèmes solaires hors réseau sont utilisés pour alimenter des camping-cars, des caravanes, des bateaux, des tentes, le camping et d’autres emplacements reculés. De nombreuses entreprises, comme Amazon, proposent maintenant des kits solaires portables qui vous permettent de fournir votre propre électricité solaire fiable et gratuite où que vous soyez, même dans des lieux difficiles d’accès.

Bien qu’un composant majeur et coûteux d’un système PV autonome soit le champ solaire, plusieurs autres composants sont généralement nécessaires. Ceux-ci incluent :

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  Batteries – Les batteries sont un élément important de tout système PV autonome mais peuvent être facultatives selon le design. Les batteries servent à stocker l’électricité produite par le solaire pour une utilisation nocturne ou en cas d’urgence pendant la journée. Selon la configuration du champ solaire, les banques de batteries peuvent être de 12V, 24V ou 48V et plusieurs centaines d’amperes au total.
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  Contrôleur de Charge – Un contrôleur de charge régule et contrôle la sortie du champ solaire pour empêcher les batteries d’être surchargées (ou déchargées excessivement) en dissipant l’énergie excédentaire dans une résistance de charge. Les contrôleurs de charge dans un système PV autonome sont optionnels, mais il est conseillé d’en avoir un pour des raisons de sécurité.
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  Fusibles et Interrupteurs de Sécurité – Ces dispositifs permettent de protéger les installations photovoltaïques des courts-circuits accidentels en permettant de couper l’alimentation des modules et du système PV lorsque cela n’est pas nécessaire, préservant ainsi l’énergie et améliorant la durée de vie des batteries.
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  Onduleur – L’onduleur peut être une autre unité optionnelle dans un système autonome. Les onduleurs sont utilisés pour convertir la puissance d’électricité en courant continu (DC) de 12V, 24V ou 48V des panneaux solaires et des batteries en électricité en courant alternatif (AC) de 120 VAC ou 240 VAC pour une utilisation dans la maison pour alimenter des appareils en courant alternatif tels que des télévisions, des machines à laver, des congélateurs, etc.
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  Câblage – Le dernier composant nécessaire dans un système solaire PV est le câblage électrique. Les câbles doivent être correctement dimensionnés pour les exigences de voltage et de puissance. De fins fils de téléphone ou fils de sonnerie ne fonctionneront pas !

Les batteries sont un élément essentiel et le cœur de tout système de production d’énergie solaire autonome, que ce soit à l’aide d’un grand ensemble de panneaux pour alimenter une maison ou un petit système solaire pico utilisé pour alimenter le jardin, un abri ou un étang à poissons.

Les batteries sont nécessaires en raison de la nature fluctuante de la production d’énergie des panneaux ou du champ solaire. Elles convertissent également l’énergie électrique en énergie chimique stockée pour une utilisation lorsque le champ solaire ne produit pas d’énergie. Pendant les heures ensoleillées, le système PV alimente directement la charge, avec un excédent d’énergie électrique étant stocké dans les batteries pour une utilisation ultérieure. Pendant la nuit, ou lors d’une période de faible irradiation solaire, comme les jours nuageux ou pluvieux, l’énergie est fournie à la charge par la batterie.

Ainsi, le stockage par batterie permet à un système PV autonome de fonctionner lorsque les panneaux solaires ne produisent pas suffisamment d’énergie par eux-mêmes, le dimensionnement du stockage de batterie étant lié à la consommation électrique. Il existe principalement deux types de batteries utilisées pour le stockage d’énergie solaire : des batteries à cycle profond et des batteries à cycle peu profond.

Les batteries plomb-acide à cycle profond sont généralement utilisées pour stocker l’énergie solaire générée par les panneaux PV, puis libérer l’énergie lorsque c’est nécessaire. Les batteries à cycle profond ne sont pas seulement rechargeables, mais elles sont conçues pour être déchargées presque complètement à de nombreuses reprises.

Composées de plaques de plomb solides, il n’est pas rare que les batteries à cycle profond soient déchargées jusqu’à 20 % de leur capacité totale avant que l’énergie cesse de s’écouler de la batterie ou que le contrôleur de charge les déconnecte du système solaire. Les batteries solaires à cycle profond sont utilisées dans la plupart des véhicules à propulsion électrique tels que les chariots de golf et les chariots élévateurs.

Les batteries à cycle profond sont idéales pour stocker l’énergie générée par un système PV autonome, puis être utilisées pour une alimentation constante et quotidienne.

Un contrôleur de charge, également connu sous le nom de régulateur de charge, est connecté entre les panneaux solaires et les batteries. Le contrôleur de charge s’assure que la sortie maximale des panneaux solaires ou du groupe est dirigée pour charger les batteries sans risque de surcharge ou de dommages.

Ils fonctionnent automatiquement, la plupart des contrôleurs de charge disponibles dans le commerce étant équipés d’un écran numérique pour montrer combien d’énergie a été produite à un moment donné, l’état de charge des batteries et des réglages programmables pour décharger les batteries dans une charge fictive résistive afin de minimiser les risques de sulfatation des cellules de la batterie, prolongeant ainsi sa durée de vie.

Dans certains systèmes autonomes à basse tension, l’énergie des batteries de 12 ou 24 volts peut être utilisée directement, ce qui nécessite l’utilisation d’appareils électroménagers et d’éclairages conçus pour le courant continu basse tension. L’utilisation de batteries permet au système de produire de l’énergie utilisable même s’il n’y a pas suffisamment de lumière pour faire fonctionner les cellules PV.

Un “système PV autonome” de ce type offre une indépendance vis-à-vis du réseau électrique et des compagnies d’électricité. Cependant, les batteries se déchargeront finalement si elles sont utilisées pendant de longues périodes ou s’il n’y a pas de source d’énergie de secours, c’est pourquoi les systèmes autonomes incluent souvent un petit générateur à essence ou diesel pour les périodes prolongées sans soleil ou pour recharger les batteries lorsqu’elles tombent en dessous d’un niveau de décharge de 60 à 80 %.

Les systèmes DC autonomes simples pour le camping, les camping-cars, les remorques, les tentes, etc. sont généralement les systèmes solaires PV les moins chers et les plus populaires, car ils ne nécessitent ni onduleur ni contrôleur et ont souvent de petits champs photovoltaïques pour un usage direct d’éclairage. Ils sont souvent utilisés dans des endroits où l’utilisation est occasionnelle ou légère. Ils utilisent fréquemment un petit champ photovoltaïque pour charger uniquement une petite batterie. Pendant les périodes d’utilisation sporadique, la majorité de l’énergie est fournie par la batterie.

Les nouvelles technologies solaires basse tension ont été mises en œuvre dans une grande variété d’applications d’éclairage. Les lampadaires, les lampes de sécurité, les lampes de jardin solaires et les lampes de parking peuvent tous être conçus avec de petits champs solaires intégrés produisant un système PV autonome complet. Exposées au soleil toute la journée, ces lumières peuvent conserver leur charge électrique pour rester allumées toute la nuit. Les panneaux de signalisation routiers peuvent bénéficier de panneaux solaires de la même manière, bien que les panneaux de signalisation routière vitaux sur les routes principales et sur les autoroutes disposent également de sources d’énergie alternatives en cas de besoin.

Les systèmes AC autonomes, quant à eux, utilisent un onduleur (pas connecté au réseau électrique), un contrôleur de charge, des batteries, des fusibles pour la protection et le câblage associé. Les systèmes AC autonomes sont utilisés dans des zones isolées où le réseau électrique est soit inexistant, soit trop coûteux à entretenir. Les batteries fournissent de l’énergie à l’onduleur qui produit les 120 VAC ou 240 VAC nécessaires pour être utilisés par les appareils électroménagers en courant AC.

C’est typique de la plupart des systèmes d’énergie photovoltaïque domestiques. Il existe deux types d’onduleurs : les onduleurs à onde sinusoïdale et les onduleurs à onde non sinusoïdale. Les onduleurs à onde non sinusoïdale sont moins chers et peuvent être utilisés dans des systèmes autonomes pour des besoins énergétiques non critiques, comme l’éclairage, les outils électriques et les pompes pour pomper l’eau, etc., car leur forme d’onde de sortie n’est pas sinusoïdale.

Les systèmes solaires hors réseau à petite échelle sont utilisés dans de nombreux environnements différents pour différentes situations, fournissant de l’énergie hors réseau à une zone reculée ou rurale. Leur polyvalence les rend idéaux pour toute zone qui reçoit suffisamment de lumière solaire pour rendre le système réalisable. Cependant, plusieurs facteurs peuvent influer sur la décision de l’utilisateur d’utiliser le PV comme source d’énergie. Les avantages et inconvénients d’un système PV autonome doivent être pris en compte.

Tout d’abord, l’énergie solaire autonome nécessite du soleil. Si la zone ne reçoit pas une quantité généreuse de lumière directe chaque jour, le système photovoltaïque pourrait ne pas produire suffisamment d’énergie au moment voulu ni recharger les batteries. Une ombre excessive causée par des objets environnants et la couverture nuageuse sont deux éléments pouvant affecter la quantité de lumière directe atteignant les panneaux solaires, il est donc essentiel d’identifier les zones d’ombre potentielles, l’emplacement et l’orientation des panneaux ou du groupe PV.

D’autres facteurs incluent : l’espace disponible, la vitesse moyenne du vent, le budget du système et, surtout, l’efficacité du système. Par exemple, l’efficacité du système est égale à (puissance sortante)/(puissance entrante), l’efficacité globale du système est le produit des efficacités des composants, donc un panneau photovoltaïque peut être capable de délivrer 100W de puissance de crête dans le système, mais en raison des pertes dans le câblage, l’onduleur, le contrôleur, etc., le système PV ne fournira peut-être que 60 watts ou 60 % de sa capacité à la sortie, le reste étant perdu.

Pour commencer, il est nécessaire de bien comprendre comment et quand vous utilisez l’électricité. Les panneaux solaires ne produisent de l’électricité que lorsque le soleil brille sur eux, il peut donc être nécessaire de stocker suffisamment d’électricité pour traverser un ou deux jours de temps nuageux. Dans ce cas, l’électricité solaire devient une ressource précieuse, vous ne voudrez pas vivre sans, mais vous ne voudrez pas non plus la gaspiller. Essayez de réduire la demande énergétique grâce à des mesures d’efficacité énergétique.

Acheter des appareils économes en énergie et des éclairages LED, par exemple, réduira votre demande électrique et vous permettra d’acheter un plus petit système PV autonome pour répondre à vos besoins énergétiques réels. L’efficacité énergétique vous permet de commencer petit et d’ajouter au fur et à mesure que vos besoins énergétiques augmentent.

Deuxièmement, même si un système PV autonome n’est pas compliqué à installer ou à faire fonctionner par rapport à d’autres formes de dispositifs d’électrification hors réseau, éoliennes, hydro-électrique, etc., les systèmes solaires PV nécessitent tout de même un entretien régulier et un nettoyage qui n’est généralement pas associé à l’alimentation électrique du réseau. Il peut être utile de vous familiariser avec le fonctionnement de votre système solaire autonome, et quel genre d’entretien quotidien ou hebdomadaire est nécessaire.

Tous les composants du système doivent être vérifiés et nettoyés régulièrement pour s’assurer que le système fonctionne de manière optimale et, comme de nombreux autres systèmes hors réseau, les systèmes PV nécessitent quelques connaissances électriques de base pour pouvoir les installer et les entretenir de manière efficace et diagnostiquer d’éventuels problèmes, il est donc essentiel de bien connaître votre système.

Il y a de nombreux avantages à un système PV autonome, certains incluent un faible entretien, des coûts de maintenance réduits, aucune perte ou sous-produit, et une extension facile en utilisant plusieurs panneaux solaires et batteries. Les inconvénients incluent un investissement initial élevé, en particulier pour les panneaux photovoltaïques et les batteries plomb-acide à cycle profond, la dépendance au soleil, et le danger potentiel d’acide de batterie et de fumées associés à la plupart des systèmes d’énergie renouvelable.

Dans le prochain tutoriel sur l’énergie solaire, nous examinerons les avantages d’un système PV connecté au réseau par rapport à une installation hors réseau. Les systèmes PV connectés au réseau sont reliés en permanence au réseau électrique à l’aide d’un onduleur de haute qualité, permettant à la compagnie d’électricité de vous payer si vous générez plus d’électricité que vous n’en consommez.