En PV Chapitre 4 Dimensionnement Système PV Avec Stockage [PDF]

Zitiervorschau

CONCEPTION ET DIMENSIONNEMENT D’UN SYSTEME PV AVEC STOCKAGE mars 2014

Par Dr Y. Moussa SORO [email protected]

PLAN

1. Définitions et objectifs 2. Règles générales de conception du système 3. Dimensionnement d’un système PV autonome

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01. Définition et objectifs

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01. Définition et objectifs Définition 

Conception d’un système PV: il s’agit de monter un projet de génie électrique de plus ou moins grande taille utilisant un générateur PV comme source d’énergie électrique.



Dimensionnement d’un système PV: calcul de la taille adéquate de différentes composantes du système PV pour son fonctionnement optimum.

Objectifs du dimensionnement 

Réaliser un système cohérent et optimum;



Faire le choix adéquat des composants en tenant compte des contraintes techniques et budgétaires;



Répondre aux besoins énergétiques spécifiques du consommateur. 16.04.14

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02.Règles générales de conception

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02. Règles générales de conception Principe de base • Réduire la consommation sans réduire le service rendu Application de ce principe • N'utiliser le générateur PV que pour l'électricité spécifique; • Rejeter les applications thermiques de l'électricité. Chaîne de puissance • Choisir les chaînes (schéma synoptique) les plus courtes Récepteurs • Choisir et préconiser les récepteurs à haut rendement; • Eliminer ceux à faible rendement; • Eliminer les charges fantômes (appareils en veille). 16.04.14

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02. Règles générales de conception Concept d’efficacité énergétique • Choix systématique d’appareils à haut rendement; • Préférence d’appareils à utilisation sans convertisseur CC, ni onduleur; • Avantage: évite les pertes énergétiques

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03.Dimensionnement

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03. Dimensionnement But Déterminer les composants adéquats (performances et caractéristiques technique) de l’installation PV à partir des données météorologiques de la localité et des besoins énergétiques du site. Quelques conseils à prendre en compte  Tenir compte du concept d’efficacité énergétique;

 Réduire la consommation sans réduire le service rendu;  Choisir des équipements pouvant satisfaire les besoins énergétiques durant toute la période demandée. Le dimensionnement est relativement complexe car il y a beaucoup de paramètres à prendre en compte. Il se fait par itération. Le principe et les formules restent les mêmes mais la procédure peut varier d’un opérateur à un autre. 16.04.14

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03. Dimensionnement Méthode itérative

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04. Dimensionnement Nous adoptons ici la méthode en 10 étapes avec une application à un cas pratique:

Installation d’un système PV pour alimenter de façon autonome une petite maison de campagne dans la région de Ouagadougou.

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04. Dimensionnement Etape 1: Estimation du rayonnement solaire de la localité

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04. Dimensionnement Etape 2: Estimation des besoins énergétiques journaliers 1. Courant DC Equip. Nbre Tens. Puis. Durée utilis. Puis. Appelée Energie cons. (V) (W) (h/j) (W) (Wh/jour)

Courant (A)

Bilan DC

2. Courant AC Equip. Nbre Tens. Puis. Durée utilis. Puis. Appelée Energie cons. Courant (V) (W) (h/j) (W) (Wh/jour) (A) Bilan DC

3. Bilan énergétique Consommation journalière DC : Consommation journalière AC : Consommation journalière totale : Bj Puissance appelée maximale

On considère au départ qu’il n’y a pas de convertisseurs DC/DC dans le système: Vsyst = tension maximale des récepteurs DC 16.04.14

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04. Dimensionnement Etape 2: Estimation des besoins énergétiques journaliers  On considère au départ qu’il n’y a pas de convertisseurs DC/DC dans le système: Vsyst = tension maximale des récepteurs DC  Pour calculer la puissance réellement appelée par le récepteur on tient compte:  D’un éventuel coefficient de sécurité si c’est applicable  Du rendement des convertisseur DC/DC et des onduleurs

 Pour le convertisseur DC/DC: prendre Rcon = 80%  Pour l’onduleur: prendre Rond = 90% 𝑷𝑫𝑪𝒂𝒑𝒑𝒆𝒍é𝒆 𝑾 =

𝑷𝒏𝒐𝒎 𝑪𝒐𝒆𝒇𝒇. 𝒔é𝒄𝒖𝒓𝒊𝒕é × 𝑹𝑪𝒐𝒏𝒗

𝑷𝑨𝑪𝒂𝒑𝒑𝒆𝒍é𝒆 𝑾 =

𝑷𝒏𝒐𝒎 𝑪𝒐𝒆𝒇𝒇. 𝒔é𝒄𝒖𝒓𝒊𝒕é × 𝑹𝑶𝒏𝒅

Calcul du courant pour les récepteurs AC Pour les récepteur AC le calcul des courants se font à partir de la puissance appelée et la tension nominale du système: I =

𝑷𝒂𝒑𝒑𝒆𝒍é𝒆 𝑽𝒔𝒚𝒔𝒕 16.04.14

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04. Dimensionnement Etape 2: Estimation des besoins énergétiques journaliers

Exemple 1. Courant DC Equip,

Lampe fluo standard Lampe fluo compacte Lampe fluo compacte Ventilateur

Vsyst = 12 V DC

Nbre Tens. Puis. (V) (W)

Durée Utilis. (h/j)

Puis. appelée (W)

Energie Cons. (Wh/j)

Courant (A)

1

12

13

5

13(1)

65

1,08

1

12

9

4

9(2)

36

0,75

1

12

9

3

9(2)

27

0,75

1

12

25

4 Bilan DC

25 56

100 228

2,08 5,74

Certains auteurs et professionnels appliquent des coefficients de sécurité à certains appareils: (1) Un coefficient de sécurité de 1.25 est appliqué aux lampes fluo standard (2) Un coefficient de sécurité de 1.1 est appliqué aux lampes fluo compactes 16.04.14

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04. Dimensionnement Etape 2: Estimation des besoins énergétiques journaliers

Exemple

2. Courant AC Equip,

TV couleur cos = 0,8 Magnétoscope cos = 0,8

Nbre Tens. Puis. Durée Puis. Energie Courant (V) (W) Utilis. (h/j) appelée (W) Cons. (Wh/j) (A) 50 4 55,56 222,24 4,63 1 220

1

220

20

2

22,22

44,44

1,85

Bilan AC

77,78

266,68

6,48

3. Bilan énergétique Cons. journalière DC :

228,00

Cons. journalière AC :

266,66

Cons. journalière totale : Bj

494,66

Puis. appelée maximale

133,78

Selon la criticité de l’installation l’on peut appliquer un coefficient de sécurité de 10 à 20%. 16.04.14

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04. Dimensionnement Etape 3: Estimation de la puissance nominale du champ PV

𝑷𝒄𝒎𝒊𝒏𝒊

𝑩𝒆𝒔𝒐𝒊𝒏 𝒋𝒐𝒖𝒓𝒏𝒂𝒍𝒊𝒆𝒓 (𝑩𝒋) 𝑾𝒄 = 𝑯𝒊 (𝒉𝒄/𝒋) × 𝑹𝒃𝒂𝒕 × 𝑹𝒈𝒆𝒏

 Hi : Ensoleillement global moyen journalier du mois le moins ensoleillé dans le plan des modules.  Rgen (%): Rendement du générateur PV (Pertes dues à la poussière, à l’échauffement des modules, au câblage, etc.). Valeur typique de 80%.  Rbat (%): Rendement des batterie. Valeur typique de 80%

Choix d’un module PV dans les catalogues:  On tient compte ici de la disponibilité sur le marché, l’adaptation au climat du site.  Une fois choisi, on extrait de la fiche technique du module la puissance crête 𝑷𝒎𝒐𝒅 ; le courant de court-circuit 𝑰𝒄𝒄𝒎𝒐𝒅 mesurés dans les conditions STC et la tension nominale du module 𝑽𝒏𝒐𝒎𝒎𝒐𝒅 . 16.04.14

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04. Dimensionnement Etape 3: Estimation de la puissance nominale du champ PV  Nombre de modules en série par string

𝑽𝒔𝒚𝒔𝒕 𝑵𝒔 = 𝑽𝒏𝒐𝒎𝒎𝒐𝒅  Nombre de strings de modules en parallèle

𝑵𝒃𝒑

𝑷𝒄𝒎𝒊𝒏𝒊 = 𝑵𝑺 𝑷𝒎𝒐𝒅

 Puissance totale à installer: 𝑷𝒄 = 𝑵𝒔 × 𝑵𝒃𝒑 × 𝑷𝒎𝒐𝒅 ≥ 𝑷𝒄𝒎𝒊𝒏 16.04.14

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04. Dimensionnement Etape 3: Estimation de la puissance nominale du champ PV

Exemple 𝑷𝒄𝒎𝒊𝒏𝒊

494,66 𝑾𝒄 = = 𝟏𝟓𝟎, 𝟎𝟖 𝑾𝒄 𝟓, 𝟏𝟓 × 𝟎, 𝟖 × 𝟎, 𝟖

On dispose de modules PV de caractéristiques suivantes :  Tension nominale (Vn) : 12 V  Puissance crête (Pcrête) : 54 Wp  Courant de court-circuit (Isc) : 3,31 A  Tension en circuit ouvert (Voc) : 21,7 V

 Courant à puissance maximale (Ipm) : 3 ,11 A  Tension à puissance maximale ( Vpm) : 17,4 V

𝟏𝟐 𝑵𝒔 = =𝟏 𝟏𝟐

𝑵𝒃𝒑

𝟏𝟓𝟎, 𝟎𝟖 = = 𝟐, 𝟕𝟖 𝒔𝒐𝒊𝒕 𝟑 𝒔𝒕𝒓𝒊𝒏𝒈𝒔 𝟏 × 𝟓𝟒

𝑷𝒄 = 𝟏 × 𝟑 × 𝟓𝟒 = 𝟏𝟔𝟐 Wc 16.04.14

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04. Dimensionnement Etape 4: Vérification de la tension nominale du champ PV Puissance du champ photovoltaïque (kWc)

0-0,5

0,5-2

2-10

>10

Tension recommandée (VDC)

12

24

48

>48

Si la tension recommandée est différente de la tension (𝑉𝑠𝑦𝑠𝑡 ) choisie au départ pour le système, alors:  on retourne à l’étape 2;  on fait une correction de la puissance consommée par les récepteurs CC avec le rendement du convertisseur CC/CC:

𝑪𝒐𝒏𝒔𝒐𝒎𝒎𝒂𝒕𝒊𝒐𝒏 𝑪𝑪𝒊+𝟏 =

𝑪𝒐𝒏𝒔𝒐𝒎𝒎𝒂𝒕𝒊𝒐𝒏𝑪𝑪𝒊 𝑹𝒄𝒐𝒏𝒗

Rcon : Rendement du convertisseur (on prend la valeur minimale 80%) 16.04.14

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04. Dimensionnement Etape 4: Vérification de la tension nominale du champ PV

Exemple Puissance du champ photovoltaïque (kWc)

0-0,5

0,5-2

2-10

>10

Tension recommandée (VDC)

12

24

48

>48

𝟎 < 𝑷𝒄 < 𝟎, 𝟓 𝒌𝑾𝒄 donc Vsyst = 12 V. Ça correspond à la valeur que nous avons choisie. On peut donc poursuivre le dimensionnement.

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04. Dimensionnement Etape 5: Estimation de la capacité de la batterie d’accumulateurs (Ah) 𝑩𝒋 × 𝑱𝒓𝒂𝒖𝒕 𝑪𝒃𝒂𝒕𝒎𝒊𝒏 = 𝑽𝒔𝒚𝒔𝒕 × 𝑹𝒃𝒂𝒕 × 𝑫𝑴 Bj [kWh/j] DM

R bat Jraut Cbat min [Ah] Vsyst [V]

Besoin journalier profondeur de décharge (50 – 80%) pour les batteries solaire. rendement batterie (70-90%) défaut : 80% Nombre de jours d’autonomie Capacité minimale du parc de batteries tension du système (12; 24 ou 48V)

 Choix d’une batterie dans les catalogues en tenant compte ici de la disponibilité sur le marché, capacité et tension nominale. 𝑽𝒔𝒚𝒔𝒕  Nombre de batteries en série par string : 𝑵𝒃𝒂𝒕𝒔 = 𝒕𝒆𝒏𝒔𝒊𝒐𝒏 𝒏𝒐𝒎𝒊𝒏𝒂𝒍𝒆 𝒃𝒂𝒕𝒕𝒆𝒓𝒊𝒆  Nombre de String de batteries:  Capacité totale des batteries:

𝑪𝒃𝒂𝒕𝒎𝒊𝒏 𝑵𝒃𝒂𝒕𝒑 = 𝑵𝒃𝒂𝒕𝒔 × 𝑪𝒂𝒑𝒂𝒄𝒊𝒕é 𝒃𝒂𝒕𝒕𝒆𝒓𝒊𝒆 𝑪𝒃𝒂𝒕 = 𝑵𝒃𝒂𝒕𝒔 × 𝑵𝒃𝒂𝒕𝒑 × 𝒄𝒂𝒑𝒂𝒄𝒊𝒕é 𝒃𝒂𝒕𝒕𝒆𝒓𝒊𝒆 ≥ 𝑪𝒃𝒂𝒕𝒎𝒊𝒏 16.04.14

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04. Dimensionnement Etape 5: Estimation de la capacité de la batterie d’accumulateurs (Ah)

Exemple Bj [kWh/j] 494,67 DM

R bat Jraut Vsyst

0,75 80% 3 [V] 65 Ah/12 V

𝑪𝒃𝒂𝒕𝒎𝒊𝒏 =

𝟒𝟗𝟒, 𝟔𝟔 × 𝟑 = 𝟐𝟎𝟔, 𝟏𝟏 𝑨𝒉 𝟏𝟐 × 𝟎, 𝟖 × 𝟎, 𝟕𝟓

 Nombre de batteries en série par string : 𝑵𝒃𝒂𝒕𝒔 =

𝟏𝟐 =𝟏 𝟏𝟐

 Nombre de String de batteries: 𝑵𝒃𝒂𝒕𝒑 = 𝟐𝟎𝟔,𝟏𝟏 = 𝟑, 𝟏𝟕 soit 4 batteries 𝟏×𝟔𝟓

 Capacité totale des batteries:

𝑪𝒃𝒂𝒕 = 𝟏 × 𝟒 × 𝟔𝟓 = 𝟐𝟔𝟎 𝑨𝒉 ≥ 𝟐𝟎𝟔, 𝟏𝟏 𝑨𝒉

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04. Dimensionnement Etape 6: Calcul des ration de vérification  Degré de décharge quotidien Ddq

𝑩𝒋 (𝑾𝒉/𝒋) 𝑫𝑴 𝑫𝒅𝒒 = ≤ 𝑪𝒃𝒂𝒕 (𝑨𝒉) × 𝑽𝒃𝒂𝒕 (𝑽) 𝑱𝒓𝒂𝒖𝒕

Cbat: Capacité de la banque de batteries obtenue après choix des batteries.

 Ratio 1 : aptitude du champ PV à couvrir les besoins journaliers

𝑷𝒄 × 𝑯𝒊 × 𝑹𝒈𝒆𝒏 × 𝑹𝒃𝒂𝒕 𝑹𝟏 = >𝟏 𝑩𝒋 (𝑾𝒉/𝒋)

Pc : Puissance crête du champ après choix des modules et calcul de leur nombre.

 Ratio 2 : Aptitude du champ à recharger les batteries pour un nombre d’heures soleil compris entre 20 et 40

𝑹𝟐 =

𝑪𝒃𝒂𝒕 (𝑨𝒉) 𝑰𝒄𝒄𝒎𝒐𝒅 × 𝑵𝒃𝒑

𝑹𝟐 doit être compris entre 20 et 40 16.04.14

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04. Dimensionnement Etape 6: Calcul des ration de vérification

Exemple  Degré de décharge quotidien Ddq

𝑫𝒅𝒒 =

𝟒𝟗𝟒, 𝟔𝟕 𝟎, 𝟕𝟓 = 𝟎, 𝟏𝟔 ≤ = 𝟎, 𝟐𝟓 𝟐𝟔𝟎 × 𝟏𝟐 𝟑

OK!

 Ratio 1 : aptitude du champ PV à couvrir les besoins journaliers

𝑹𝟏 =

𝟏𝟔𝟐 × 𝟓, 𝟏𝟓 × 𝟎, 𝟖 × 𝟎, 𝟖 = 𝟏, 𝟏 > 𝟏 𝟒𝟗𝟒, 𝟔𝟔

OK!

 Ratio 2 : Aptitude du champ à recharger les batteries pour un nombre d’heures soleil compris entre 20 et 40

𝟐𝟔𝟎 𝑹𝟐 = = 𝟐𝟔, 𝟐 𝟑, 𝟑𝟏 × 𝟑

OK!

Trois conditions simultanément remplies: la compatibilité entre les besoins énergétiques journaliers, le générateur PV et la batterie d’accumulateurs est vérifiée. 16.04.14

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04. Dimensionnement Etape 7: Choix du régulateur de charge/décharge

Le régulateur doit supporter au moins les intensités suivantes :  Intensité maximale de court-circuit générée par le générateur: IGen = Icc x Nbp  Intensité nominale de la totalité (fonctionnement simultané) des récepteurs alimentés par le régulateur : 𝑰𝑹 =

𝑰

Les caractéristiques du régulateur seront donc :  Intensité nominale du régulateur: 𝑰𝒏𝒓 ≥ 𝑴𝒂𝒙 𝑰𝒈𝒆𝒏 ; 𝑰𝑹 ,  Tension nominale (12, 24 ou 48 Vcc) : égale à celle du système PV 16.04.14

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04. Dimensionnement Etape 7: Choix du régulateur de charge/décharge

Exemple Le régulateur doit supporter au moins les intensités suivantes :  Intensité maximale de court-circuit générée par le générateur:

IGen = 3,31 x2 = 6,62 A  Intensité nominale de la totalité (fonctionnement simultané) des récepteurs alimentés par le régulateur : 𝑰𝑹 = 𝑰𝑫𝑪 + 𝑰𝑨𝑪 = 𝟓, 𝟕𝟒 + 𝟔, 𝟒𝟖 = 𝟏𝟐, 𝟐𝟐 𝑨

Les caractéristiques du régulateur seront donc :  Intensité nominale du régulateur: 𝑰𝒏𝒓 ≥ 𝑴𝒂𝒙 𝟔, 𝟔𝟐; 𝟏𝟐, 𝟐𝟐 = 𝟏𝟐, 𝟐𝟐 𝑨,

 Tension nominale : 12 V

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04. Dimensionnement Etape 8: Choix de l’onduleur et des convertisseurs DC/DC  Déterminer la puissance totale rectifiée en aval du convertisseur et de l’onduleur;  Choisir le convertisseur ou/et l’onduleur dans le catalogue fournisseur sur la base de :  Convertisseur DC/DC : 𝑰𝒏 = 𝑰𝒂𝒗𝒂𝒍 (calculée)  Onduleur DC/AC : 𝑺𝒐𝒏𝒅𝒏𝒐𝒎 𝑽𝑨 ≥ 𝑺𝟐 (𝑽𝑨) )

On peut prendre Sondnom = k S2 avec k facteur compris entre 2 et 3 pour tenir compte des appels de courant au démarrage des appareils (si l’installation comporte des moteurs, il est préférable de prendre k=3). Attention: Certains onduleurs admettent une surcharge pendant quelques secondes. Dans ce cas, comparer l’expression k x P2 à la puissance de surcharge (Psur ) de cet onduleur. On doit avoir Psur > k x P2 16.04.14

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04. Dimensionnement Etape 9: Dimensionnement des câbles Conseils pratiques 

câbles les moins longs possible;



Organiser au mieux la répartition des éléments du système PV;



Augmenter la section des câbles pour réduire les chutes de tension dans les câbles;



Chute de tension maximale admissible (voir guide UTE C15-712) relative aux installations ne doit pas excéder 3% de la tension nominale dans la partie DC (idéalement 1%).

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04. Dimensionnement Etape 9: Dimensionnement des câbles Quelques calculs ρ = 0,027 Ω mm² /m pour un câble en aluminium ρ = 0,017 Ω mm² /m pour un câble en cuivre

∆𝑽 = 𝑹𝑰

𝟐𝝆𝑳 𝑹= 𝑺

𝟐𝝆𝑳𝑰 ∆𝑽 = ≤ ∆𝑽𝑳 (%) × 𝑼 𝑺



ΔVL(%) est la chute de tension limite en pourcentage



U et I sont respectivement :

𝟐𝝆𝑳𝑰 𝑺≥ ∆𝑽𝑳 × 𝑼

 Générateur PV: Vpm et Ipm  Batterie: Vbat et Ibat

Section des câbles (mm²) Courant maximum (A)

1,5 2,5 13

21

4

6

10

16

25

35

50

70

95 120 150 185 240 300

28

36

46

61

81

99 125 160 195 220 250 285 340 395

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04. Dimensionnement Etape 9: Dimensionnement des câbles

Exemple 

Distance générateur PV – régulateur: 15 m



Distance générateur batterie– régulateur: négligeable

 Intensité Ipm = 3,11*4 = 12,44 A  Tension Vpm est égale 17,4 V  Chute tension liaison générateur PV-Régulateur : (On fixe la chute de tension max de la liaison à 3%).

𝟐 ∗ 𝟎, 𝟎𝟏𝟕𝟏 ∗ 𝟏𝟓 ∗ 𝟏𝟐, 𝟒𝟒 𝑺≥ = 𝟏𝟐, 𝟐𝟑 𝒎𝒎𝟐 𝟎, 𝟎𝟑 ∗ 𝟏𝟕, 𝟒 16.04.14

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04. Dimensionnement Etape 10: Choix des fusibles de protection Protection: fusible installé sur chaque branche  Tension: La tension de fonctionnement d'un fusible doit être de 1,15 fois la tension à vide

dans les conditions STC des modules raccordés en série: 1,15 x Vco x Ns  Calibre fusible: Le calibre des fusibles doit être compris entre 1,5 et 2 fois le courant Isc (STC) de chaque chaîne. Les calibres sont : 4A, 6A, 8A, 12A, 16A, 20A

Paramètres utiles pour une bonne protection 

Ns, nombre de modules en série



Nbp, nombre de branches en parallèle



Isc (STC), courant de court-circuit de la branche



Vco (STC), tension en circuit ouvert de la branche

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04. Dimensionnement Etape 10 : Choix des fusibles de protection Exemple Paramètres PV  Courant de court-circuit, Isc d’un module = 3,31 A  Tension en circuit ouvert Vco d’un module = 21,7 V  Nombre de modules en série, Ns = 1  Nombre de branches parallèle, Nbp = 3

Fusible pour la protection des branches  Tension assignée du fusible ≥ 25 V (1,15 x 21,7 x 1=24,96 V)  1,5 x 3,31≤ Calibre fusible ≤ 2 x 3,31 on a donc 4,97A≤ Calibre fusible ≤ 6,62A

Fusible pour la protection générale 

Tension assignée du fusible ≥ 25 V (1,15 x 21,7 x 3 = 24,96 V)



1,5 x 3,31 x 3 ≤ Calibre fusible ≤ 2 x 3,31 x 3 on a donc 14,9 A≤ Calibre fusible ≤ 20 A 16.04.14

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Merci Dr Y. Moussa SORO [email protected]