panneaux solaires et Autonomie Énergétique

les panneaux solaires sont une alternative maintenant devenue classique pour l’alimentation d’un observatoire en mode autonome.

SCHÉMA BASIQUE D’UN DISPOSITIF PHOTOVOLTAÏQUE:

les éléments constitutif d’une installation photovoltaïque standard sont:

  • les panneaux photovoltaïques qui produisent le courant continu
  • le contrôleur qui adapte et régule la tension de sortie pour la charge des batteries .
  • les batteries qui stockent le courant
  • l’onduleur , qui produit du courant alternatif 230V a partir du courant continu.

pour les panneaux photovoltaïques, il existe 2 grandes catégories sur le marché: les panneaux polycristallins et les panneau monocristallins. les panneaux monocristallins ont un meilleur rendement ( 1 a 5% de plus) mais sont plus cher . concernant la durée de vie , pas de différence significative . le choix se fait donc surtout a partir de la dimension des panneaux vis a vis de la surface a couvrir disponible et des besoins en puissance .

concernant le contrôleur , 2 grandes catégories sur le marché , les contrôleurs PWM ( Pulse Width Modulation) et les contrôleurs MPPT (Maximum Power Point Tracking). comme pour les panneau et les batteries , les deuxièmes sont plus cher mais plus efficaces ( meilleur rendement), ici l’écart de rendement peut aller jusqu’à 30 % suivant les modèles . c’est le point a travailler le plus surtout en fonction des options disponibles sur le controleur et des possibilités éventuelles d’évolution de l’installation. sont a prendre en compte aussi les aspect communication avec le monde extérieur ( affichage, port Ethernet, wifi , etc ..) . les deux leader du marcher sont EPEVER et VICTRON . tous les deux proposent des solutions PWM ou MPPT .

pour les batteries , il est possible d’utiliser au choix des batterie auto classiques plomb/acide, des batteries auto plomb/acide a décharge lente , des batteries 12V au gel ou des batterie lithium-ion . comme les panneaux , le choix se fera en prenant en considération les aspect budget et durée de vie souhaitée. a noter qu’en général on évite les batteries au plomb acide classiques peu adaptée a de la décharge constante et longue mais plutôt au démarrage de puissance ( démarreur de voiture) . on met en général au moins des batteries plomb/acide a décharge lente plus adaptées a fournir une tension de façon continue sur un temps long . dernier point a noter , pour optimiser la durée de vie des batteries , on considère une décharge de 20% maximum . la dimension et le nombre de batteries nécessaires a la consommation recherchée doit donc être calculé en fonction de ce paramètre . quand on ne sait pas comment débuter au niveau de l’installation , on installe une seule batterie , on prévoit la place pour une ou deux de plus et on dimensionne le contrôleur pour pouvoir rajouter une ou deux batteries ensuite => largement surdimensionner le contrôleur a l’achat ( qui peut le plus , peut le moins) .

concernant l’Onduleur, c’est un appareil qui a un rendement plus ou moins efficace et génère donc des pertes de puissances par effet joules . il n’est donc pas indispensable si les appareils en aval du dispositif fonctionnent en courant continu . par exemple pour alimenter un PC portable qui fonctionne basiquement avec du 19V CC , il est possible de se passer d’onduleur et d’utiliser un adaptateur 12V/19V CC a la place du transfo secteur 230V/19V du PC. pareil pour un écran d’ordinateur . il est en effet asses facile de comprendre que le rendement de la chaine globale d’alimentation directe en Courant Continu sera bien meilleurs qu’une chaine de transformation 12V CC -> 230V AC -> 19V CC d’où des économies d’énergie ou de la capacité et de la durabilité a la clé.

DIMENSIONNEMENT SOMMAIRE DU PARC SOLAIRE

le dimensionnement du parc solaire (nombre de panneaux et caractéristiques des panneaux) se fait de façon sommaire a partir du calcul prévisionnel de votre consommation avec les équipements connectés au systeme photovoltaïque.

etape 1: listez la consommation en Watts de tous les appareils prévus d’etre connectés sur le parc solaire. si vous n’avez pas la consommation en W de chaque appareil , vous pouvez la calculer en multipliant la tension par l’ampérage.

etape 2: multiplier la consommation en Watts de chaque appareils par le temps d’utilisation prévu , vous obtenez une consommation individuelle en Watt-heure (Wh)

etape 3: Faites la somme de la consommation en Watt-heure pour tous vos appareils, et vous obtenez votre besoin en électricité

etape 4: Divisez votre besoin énergétique en Watt-heure par le temps pendant lequel le parc solaire produit de l’électricité pour obtenir la puissance en Watt dont vous avez besoin. En France, on estime qu’un panneau solaire produit en moyenne l’équivalent de 3 heures à 100%. Cependant, ce temps varie en fonction de votre zone géographique, des conditions météorologiques et du positionnement des panneaux solaires. prévoir une marge de sécurité d’au moins 15%..

CARACTERISTIQUES DES PANNEAUX SOLAIRES :

elles sont données dans la fiche technique des panneaux , et en général a l’arriere des panneaux sur une étiquette dédiée du type de celle ci dessous:

les 2 données importantes qui serviront pour dimensionner le régulateur et les batteries de stockage ( voir ci dessous) sont: Voc ( Open Circuit Voltage) et Isc (Short Circuit Current).

NOTA : la puissance crete (Wc) soit le Max Power at STC (Pmax) est une donnée qui stipule la puissance maxi délivrée par le panneau en conditions standard (STC = Standard Test Conditions) soit par exemple sur l’étiquette ci dessus , 175 W a une temperature de 25° avec une irradiance de 1000W/m² et un coefficient air-Masse de 1,5 . la puissance crête réelle que vous obtiendrez dépendra bien entendu de l’irradiance locale réelle de l’endroit ou seront utilisés les panneaux solaires ainsi que des conditions meteo, elle sera donc sans doute bien en dessous de celle mentionnée sur le panneau en conditions STC. Influent donc sur le résultat, l’ensoleillement de votre localisation, l’angle des panneaux par rapport a la position du soleil dans le ciel, la temperature , l’humidité, la transparence de l’air et les conditions nuageuses . cette puissance crête va donc varier en fonction de la période de l’année , du climat du moment , et du moment de la journée… attendez vous a un résultat réel au moins 20% en dessous du théorique et encore , les meilleures journées d’été a midi avec le soleil au zénith et le panneau bien perpendiculaire au soleil.

DIMENSIONNEMENT DU REGULATEUR DE CHARGE / PARC SOLAIRE

le dimensionnement du régulateur de charge se fait en fonction de la configuration de votre parc solaire ( nombre de panneaux, caractéristiques, et type de branchement) et ceci pour la production de pointe ( courant produit au point haut). Les données à prendre en compte sont : la tension de circuit (Voc) et le courant de court-circuit (Isc), ces données sont en général disponibles dans la fiche produit, dans le manuel ou directement sur les panneaux solaires. Ensuite il faudra calculer le Voc et le Isc resultant du type de montage des panneaux ; Serie, parallele ou hybride (mix série et parallèle). suivant le type les Voc et Isc resultant se calculent de la meme façon qu’un montage de resistances electriques en parallele ou en serie . le regulateur choisi devra donc etre dimensionné avec une marge de securité par rapport aux caracteristiques calculées ( au moins 10% de marge)

montage des panneaux en parallèle:

le Voc resultant est le Voc d’un seul panneau , et le Isc resultant est la somme des Isc individuels.

par exemple , avec 6 panneaux de Voc 19V et Isc 6A le Voc resultant est de 19V et le Isc resultant de 6×6=36 Amperes

montage des panneaux en série:

ici , le Voc resultant est la somme des Voc de chaque panneau , et le Isc resultant est l’ Isc d’un seul panneau.

avec les 6 panneaux de l’exemple précédent (Voc 19V et Isc 6A) le Voc resultant est de 6x19V= 114 Volts et le Isc resultant de 6 Amperes

montage Hybride:

dans le cas d’un montage hybride , par exemple le schema ci dessus avec 12 panneaux montés en parallele par groupe de 3 les caractéristiques résultantes seront:

Voc = 19+19+19= 57 Volts et Isc = 6+6+6 + 6 = 24Amperes

DIMENSIONNEMENT DU COUPLE REGULATEUR/BATTERIES

nous avons vu précédemment le dimensionnement du régulateur en fonction du parc solaire ( panneaux) , il faut également prendre en compte l’aspect stockage de l’énergie donc les batteries.

batteries: au niveau des batteries , ce sont les paramètres tension (V) et capacité ( Ah) dont il faut tenir compte . et la aussi , attention a la façon dont sont montées les batteries s’il y en a plusieurs . comme pour les panneaux solaires, ils est possible de monter des batteries de 12V en série ou en parallele . en parallele , la tension résultante reste de 12V mais en serie , les tensions s’additionnent donc si par exemple on met 2 batteries de 12V en série , la tension aux bornes de l’ensemble sera de 24V . il faudra donc veiller a charger ce couple de batteries avec un régulateur acceptant du 24 volt en sortie . les régulateurs actuel sont en général capable d’accepter 12 ou 24V mais si vous avez besoin de plus il faudra un régulateur de plus forte capacité .

courant de charge : Le contrôleur de charge va fonctionner comme un chargeur classique de batterie auto. mais au lieu d’être alimenté par une prise secteur , il est alimenté par des panneaux solaires. comme pour un chargeur de batterie classique, il faut que le courant de charge soit adapté à la batterie. Pour une batterie plomb (électrolyte liquide ou Gel), le courant de charge doit être situé entre 10 et 20% de la capacité en Ah de la batterie. Pour le bien et la longévité de la batterie, un courant de charge situé autour de 10% est préférable.Pour une batterie lithium, le courant de charge doit être situé entre 25 et 50% de la capacité de la batterie. ainsi par exemple , un controleur de 30 Amperes de capacité maximum peut charger idéalement un pack de batteries plomb d’une capacité totale de 300Ah ,soit 3 batteries de 100Ah chacune montées en parallèle .

DIMENSIONNEMENT DES CABLES

coté câbles , il y a également lieu de faire attention a la section de cuivre. en électricité , on considère en général que la capacité maximum d’un câble est de 10A par mm² de section. ensuite entre en compte la longueur du câble qui détermine une résistance correspondante et donc une perte de puissance par effet joules. vous trouverez ci dessous comment dimensionner vos câbles de façon plus optimisée en fonction de la partie de l’installation concernée . n’hésitez pas a prendre une marge de sécurité et surdimensionner vos câble , plus la section est importante moins il y a deperte.

NOTA: la longueur de câble est la longueur Aller + retour , soit pour un panneau et un régulateur a 3m l’un de l’autre , la distance a prendre en compte fait 3m + 3M = 6m

formule de calcul:

pour ceux qui souhaitent faire le calcul voici la formule :

tableau/abaque pour ceux pas a l’aise avec les calculs