1-Dimensionnement PV Autonome PDF [PDF]

Zitiervorschau

Conception & Dimensionnement d'une installation photovoltaïque autonome 1. Définition du besoin électrique La définition du besoin électrique est un travail préalable important impactant le dimensionnement du champ photovoltaïque et du parc de batteries. Une sous-estimation du besoin électrique provoquera des défauts de fonctionnement (coupure électrique, vieillissement prématuré des batteries), alors que sa surévaluation aura pour effet d'augmenter considérablement le coût de l'installation. Cette partie dresse un inventaire des appareils consommateurs d'électricité, et fournit une méthode de calcul des besoins électriques. Calculer les besoins électriques consiste à calculer l’énergie électrique journalière consommée par les usagers. Ainsi, les besoins électriques s’exprimeront en Wh/jour (ou kWh/jour). La méthodologie est la suivante : 







D’abord, il convient d’identifier l’ensemble des appareils électriques qui seront alimentés par l’installation photovoltaïque autonome. Pour chacun de ces appareils, la puissance nominale de fonctionnement doit être identifiée. Pour cela, on pourra s'appuyer sur des mesures directement sur site, ou bien les indications inscrites sur les fiches techniques/signalétiques des appareils. En dernier recours, si aucune information n'est disponible, on pourra effectuer une approximation de la puissance électrique de l'appareil en s'inspirant de l'inventaire réalisé précédemment. Ensuite, une estimation de la durée d’utilisation journalière devra être effectuée. En ce sens, il est primordial de connaître les habitudes des usagers (car ce sont bien eux qui utilisent, à leur guise, les appareils consommateurs d'énergie). Le produit de la puissance électrique (en W) par le temps d’utilisation (en h) indiquera l’énergie journalière consommée (en Wh) par l’appareil considéré. Dans le domaine de l’électricité, il est d’usage d’utiliser le W et le Wh comme unités de mesure respectivement de la puissance et de l’énergie électriques. Enfin, la somme des énergies journalières calculées donnera une évaluation globale des besoins électriques du bâtiment.

Cette méthodologie peut s'effectuer facilement grâce à un tableau (voir exemple ci-après). Exemple simple Appareil électrique 6 lampes fluo compactes d'une puissance de 15 W chacune 1 réfrigérateur 1 chargeur pour téléphone portable 1 télévision TOTAL

Puissance Durée d'utilisation nominale (en W) journalière (en h/jour) 6 × 15 = 90 W 4 h/jour

Consommation d'énergie journalière (en Wh) 360 Wh/jour

150 W 5W

6 h/jour 1 h/jour

900 Wh/jour 5 Wh/jour

110 W

5 h/jour

550 Wh/jour 1 815 Wh/jour

2. Evaluation du gisement solaire local Cette étape est faite par l’outil PVGIS, Logiciel Metenorm ou autre . 3. Dimensionnement du champ PV d'une installation photovoltaïque autonome Suite à l'évaluation des besoins électriques et du gisement solaire, il est à présent possible de dimensionner le champ photovoltaïque. Cette opération consiste simplement à calculer la puissance crête nécessaire au bon fonctionnement de l'installation.

Dans une installation photovoltaïque autonome, la seule source d’énergie disponible provient du champ photovoltaïque. Rappelons, en ce sens, que le parc de batteries ne doit pas être considéré comme une source d'énergie, car il ne fait que stocker une partie de l'énergie produite par le champ photovoltaïque. Règle de dimensionnement du champ photovoltaïque « L’énergie électrique journalière produite par le champ photovoltaïque (EElec) doit être au minimum égale à l’énergie journalière consommée par les appareils électriques (EBesoin). EElec ≥ EBesoin » Ne pas respecter pas cette règle signifie qu'on consomme plus d'énergie qu'on en produit : l'installation photovoltaïque est décadente. Par ailleurs, l'énergie électrique EElec se calcule par la formule suivante : EElec = Pc/Pi × Ei × PR Avec :      

Ei est l'irradiation solaire journalière, exprimée en kWh/m²/jour, reçue par le champ photovoltaïque. EElec est l’énergie électrique journalière potentiellement produite par l’installation photovoltaïque, exprimée en kWh/jour. Pc est la puissance crête du champ photovoltaïque. Pi est la puissance radiative dans les conditions standard de test (conditions STC), exprimée en kW/m². Donc, Pi = 1 kW/m². Ei est l’irradiation solaire journalière reçue par une surface unitaire (1 m²) du champ photovoltaïque, en prenant en compte l’orientation et l’inclinaison de celui-ci. PR est le ratio de performance de l’installation photovoltaïque

Que vaut PR ? PR est le ratio de performance .On pourra utiliser les valeurs ci-dessous : Modules très peu Modules peu Modules Modules bien ventilés ventilés ventilés ventilés Ratio de Absence du 0.55 0.60 0.65 0.70 performance PR MPPT Présence du 0.60 0.65 0.70 0.75 MPPT Valeur du Ratio de Performance PR en fonction de la ventilation des modules 4. Dimensionnement du parc de batteries Choix de la tension de parc des batteries  on identifie 3 domaines de puissance :

0 W < Puissance ≤ 500 W Type d'usage

Abri ou Cabanne - 2 à 5 lampes basse consommation - 1 téléviseur - 1 radio - 1 réfrigérateur

Choix de la tension du parc de batteries

Une tension de 12 V du parc de batterie est acceptable. La section du câble entre le parc de batterie et l'onduleur augmente très vite et atteint 35 mm² pour une puissance des appareils électriques de 500 W.

500 W < Puissance ≤ 2 000 W Petite habitation pour 2 personnes - Eclairage - Téléviseur - Ordinateur - Réfrigérateur & Congélateur - Divers appareils électroménagers de faible puissance. Une tension de 24 V du parc de batterie est raisonnable.

2 000 W < Puissance ≤ 10 000 W Habitation importante pour 4 à 8 personnes - Eclairage - Téléviseurs & multimédias - Ordinateurs - Réfrigérateur & Congélateur - Four électrique micro-onde - Aspirateur & Fer à repasser & Machine à laver - Etc. Au delà de 2 000 W, les sections de câbles deviennent trop importante (= 50 mm²) sous une tension de 24 V. Une tension de 48 V est donc requise afin de minimiser la section des câbles.

Calcul de la capacité des batteries Paramètres de calculs Tout d'abord, il convient de définir les 2 notions importantes suivantes. => Autonomie de réserve On définit la notion d'autonomie de réserve qui correspond au nombre souhaité de jours pendant lesquels le parc de batteries est capable d'alimenter, sans aucun appoint de la part du champ photovoltaïque, l'ensemble des besoins électriques. Dans cet ouvrage, on notera NJ, le nombre de jour de l'autonomie de réserve. Le choix de NJ dépend des conditions climatiques du site, et plus particulière du nombre de jours consécutif sans ensoleillement. Ce paramètre est défini par le concepteur de l'installation. => Profondeur maximale de décharge Il convient d’éviter la répétition de décharges trop profondes des batteries. En effet, une décharge trop profonde a tendance à produire du sulfate de plomb qui s'agglomère au niveau des électrodes. Ce phénomène se développe au cours des cycles de charge/décharge, et s'amplifie d'autant plus que la décharge est profonde. A terme, une couche isolante de sulfate de plomb apparaît et empêche les réactions chimiques de se produire. L’accumulateur devient alors inutilisable, ou tout du moins voit sa capacité fortement chuter. On notera PD la profondeur de décharge maximale d'une batterie. Le paramètre PD doit être défini par le concepteur de l'installation. En pratique, on choisit une profondeur de décharge maximale de 70%.

Formule de calcul de la capacité nominale La capacité du parc de batterie doit être capable de couvrir l'ensemble des besoins électriques (EBesoin) :    

sur la durée de l'autonomie de réserve (NJ), sans aucun apport d'énergie solaire, sans jamais dépasser la profondeur maximale de décharge (PD), et dans les conditions de température du site (KT).

La capacité qui sera calculée sera alors CNj×24. Ainsi, cette règle se formalise mathématiquement par la relation suivante :

A. Choix du régulateur Le régulateur photovoltaïque, pièce centrale de l'installation, doit être compatible avec les autres éléments (champ photovoltaïque et parc de batteries). Le dimensionnement du régulateur s'effectue selon 3 paramètres majeurs, indiqués sur le schéma ci-après :

Compatibilité du régulateur avec les autres éléments de l'installation photovoltaïque Identifier les paramètres de dimensionnement sur la fiche technique Afin de pouvoir dimensionner le régulateur photovoltaïque, conformément aux 3 paramètres exposés précédemment, il convient de connaître ses propriétés électriques. Aussi, est-il important d'avoir accès à la fiche technique du régulateur (fournie par le fabricant). A titre d'exemple, nous présentons ci-dessous la fiche technique du régulateur TriStar de la marque Morningstar Corporation. Nous constatons que les 3 paramètres essentiels au dimensionnement sont présentes.

Exemple de fiche technique d'un régulateur - Identification des 3 paramètres de dimensionnement du régulateur