Leçon 11-PV

11.1.3  3ème méthode : estimation de la consommation

a- Nous pouvons aussi connaitre la consommation en estimant la valeur de l’énergie totale consommée par tous les récepteurs électriques de l’installation. Nous allons procéder à un inventaire de la consommation journalière (puissance et durée d’utilisation). La logique de calcul pour évaluer la consommation électrique quotidienne est de cumuler les puissances nominales (W) de chaque type d’appareil (lampe, four, télévision, etc.) puis de les multiplier par le nombre d’heures (h) d’utilisation par jour (Wh/j). E(Wh.j^-1) =P(W)×t(h)

On précise que la dénomination « par jour » signifie à chaque fois « par tranche de 24h ».

Exemple : Soit un cabanon disposant d’un petit réfrigérateur consommant 23W à l’heure et d’une lampe LED de 5W fonctionnant 5h/j. Quelle est la consommation journalière du cabanon ?    E=P_LED×t_LED+Conso_frigo×t_{frigo  ⇒}  E=5×5+23×24=577 Wh.j^-1

Un réfrigérateur ne fonctionne pas en continu. Il ne faut donc pas prendre la puissance indiquée sur l’article puis la multiplier par 24. On peut utiliser un Wattmètre pour mesurer sa consommation.

b- Et si on ne connaît pas le temps de fonctionnement de l’appareil ? Les constructeurs annoncent généralement la consommation moyenne sur l’étiquette d’énergie de l’appareil.

c- Et si on ne connaît pas le temps de fonctionnement de l’appareil ? L’ADEME met à disposition des estimations de consommation :

ADEME – Guide pratique, réduire sa facture d’électricité, Juin 2019

Equipement	Consommation d’énergie en kWh/an
Smartphone	2 – 7
Tablette	5−15
Ecran	20−100
Ordinateur portable	30−100
Ordinateur fixe	120−250
Box(internet + TV)	150−300
Téléviseur	55−145
Aspirateur traineau	30−60
10 ampoules (equiv. 60W)	70−450

11.2  Etape 2 : Calcul de l’énergie à produire prise en compte du rendement de la chaîne de conversion

11.2.1 Rendement de la chaîne de conversion

On considère que l’énergie à produire dépend de la charge E_c (énergie journalière consommée) et du coefficient de correction k.  E_p=  E_c/k

NB : L’énergie produite E_p est toujours supérieure à l’énergie consommée E_c.

Le coefficient k prend en compte :

• l’incertitude météorologique
• l’inclinaison non corrigée des modules suivant la saison
• le point de fonctionnement des modules (rarement optimal et peut être aggravé par le vieillissement et la poussière sur les modules)
• le rendement des cycles de charge et de décharge de la batterie
• le rendement de l’onduleur et du régulateur de charge
• les pertes dans les câbles et les connexions.

Pour une installation photovoltaïque avec stockage, nous avons 0,6<k<0,8

11.2.2 Quelle valeur choisir pour k ?

Inclinaison⇒ Orientation	0	30	45	60	90
Est	0,93	0,90	0,84	0,78	0,55
Sud-Est	0,93	0,96	0,92	0,88	0,66
Sud	0,93	1	0,96	0,91	0,68
Sud-Ouest	0,93	0,96	0,92	0,88	0,66
Ouest	0,93	0,90	0,84	0,78	0,55

 

 

 

 

 

 

 

k=inclinaison ×η_onduleur×η_batterie×η_regulateur  ×Coef_°C ×0,99 (0,99: Rendement des câbles si correctement normalisés)

	Rendement
onduleur	98%
régulateur	90% pour Lithium
batterie	70% pour le Plomb

Coef_°C = 1–(25–t°_max )×  –0,04 (Avec –0,04 Coef de température MPP)

Remarque : Valeurs valables sous les latitudes françaises

11.3 Etape 3: Calcul de la puissance crête des panneaux  à installer

  La puissance crête de l’installation dépend de Ep et d’autres paramètres solaires tels que l’irradiance (W/m²), l’irradiation moyenne annuelle Ir (Wh/m²/j) et le nombre d’heures par jour d’ensoleillement Ne. Dans ces conditions :

a- La puissance crète à installer dépend de E_p et du nombre d’heures d’ensoleillement N_e.  P_c=E_p/N_{e ,} N_e correspond au rapport entre l’irradiation solaire I_r (Wh/m²) et l’irradiance (W/m²). L’irradiance sera considérée dans les conditions standards (1000W/m2) car les panneaux photovoltaïques sont caractérisés dans ces mêmes conditions (Wc). On obtient ainsi : N_e=I_r/1000⇒P_c=  E_p/I_r×1000 .  Par exemple, une irradiation solaire égale à 1,67 kWh/m²/jour est assimilée à 1,67 heure d’un ensoleillement de 1000 W/m². Et comme le panneau débite sa puissance crête à cet ensoleillement de 1000 W/m², il le fera pendant l’équivalent de N_e heures.

b- Pour déterminer l’irradiation solaire I_r d’un lieu donné, nous nous baserons sur les données de Solargis (site web), qui propose à l’aide des cartes l’irradiation de plus de 180 pays.

11.3.1 Nombre de modules à installer

Ce nombre dépend de la puissance crête à installer Pc en watt-crête et de la puissance crête unitaire Pc_unit du modèle de panneau choisi en watt-crête. Ainsi nous aurons : Nbre=Pc/Pc_unit

Rappel : Deux modules photovoltaïques identiques en série permettent de multiplier la tension par deux et deux modules photovoltaïques identiques en parallèle permettent de multiplier par deux le courant.

11.4 Etape 4: dimensionnement du régulateur, de la batterie, de l’onduleur et des câbles

11.4.1 dimensionnement de la batterie

Le parc de batteries est un moyen de stockage permettant de s’affranchir des variations climatiques temporaires et de quelques jours de mauvais temps. Il assure l’approvisionnement en électricité durant la nuit en site isolé et même quand l’installation est raccordée au réseau car le KWh public peut être plus cher. Dans cette partie du dimensionnement, nous expliquons les calculs permettant de connaître la capacité du parc de batteries à installer et d’en déduire le nombre d’accumulateurs à placer en série et/ou en parallèle. Il est très important de bien choisir le nombre de jours d’autonomie souhaité pour le parc batteries. Le nombre de jours d’autonomie correspond à la durée pendant laquelle la batterie peut alimenter seule l’installation à toute période de l’année (les panneaux étant considérés comme absents).

a- Calcul de la capacité: Le calcul de la capacité C en Ah du parc batterie dépend de plusieurs données :

• Na, le nombre de jours d’autonomie.
• Ec, l’énergie totale consommée en Wh/jour
• D, la profondeur de décharge maximale admissible de la batterie
• U, la tension en volts sous laquelle est installée le parc de batteries (12, 24, 36, 48V, etc.).

Ainsi nous aurons comme formule : C=  (Na×Ec)/(D×U)

Profondeur de décharge autorisé
Lithium	80%
Plomb	70%

b-Nombre de batterie en série :  Il dépend de la tension unitaire du modèle de batterie choisie en V et de la tension en entrée du parc batteries.

Nombre de batteries en série=  V_système/V_batterie  

c- Nombre de batteries en parallèle : Ce nombre dépend de la capacité C calculée et de la capacité unitaire du type de batterie choisie.

Nombre de batteries en parallèle=  C_totale/C_batterie

d- Nombre totale de batteries : Nbre en série×Nbre en parallèle

11.4.2 dimensionnement du régulateur

Un régulateur de charge solaire se situe entre les panneaux solaires et le parc de batteries. Il permet de converger l’énergie produite vers les batteries. Son choix est important et dépend de la puissance crête installée(Pc) et de la tension du parc batterie( V). Avant de choisir un régulateur de charge, il faut connaître la puissance totale des panneaux connectés en faisant leur somme. Ainsi 5 panneaux de 200Wc donneront 1000Wc. La puissance acceptée d’un régulateur solaire dépendra de la tension du parc batterie. Un régulateur acceptera 2 fois plus de puissance s’il est connecté sur un parc batterie en 24V que sur un parc en 12V. En d’autres termes, la puissance acceptée double lorsqu’on double la tension du parc.

critères à respecter : V_{sortie (}MMPT) = V_bat

P_sortie > P_installation, pour ne pas dégrader la production

Isc_max (Installation) < I_max (MPPT);   Voc_max (Installation) < V_max  (MPPT)

Ainsi on en déduit le nombre maximal de modules photovoltaïques en série et en parallèle : Nb en parallèle =  (I_max  (MPPT))/(Isc_PV )→Pour 1 module

Nb en série =  (V_max  (MPPT))/(Voc_PV )→Pour 1 module

11.5 Dimensionnement de l’onduleur

L’onduleur a pour fonction principale de convertir la tension continue des batteries en tension alternative semblable à celle du réseau électrique public. Par exemple, en partant d’un parc batterie en 12 Vcc, 24 Vcc ou 48 Vcc on obtient une tension de sortie alternative sinusoïdale, 230 Vac. Le choix d’un onduleur dépend de la tension du parc batterie, de la tension des récepteurs (230 Vac) et de la puissance des récepteurs. La puissance nominale d’un onduleur est donnée en Volt-Ampère (VA).  C’est la puissance que le convertisseur peut délivrer en régime constant à une température donnée (souvent 25°C). Un onduleur peut supporter le double de sa puissance nominale pendant 5 secondes pour supporter des appareils qui font des pointes de courant élevés au démarrage (ex : réfrigérateur). Pour estimer ce pic de courant, on additionne les puissances en pointe des appareils toujours en partant du principe qu’ils démarrent en même temps.

critères à respecter :  P_sortie > P_consommée On cherchera donc la puissance maximale de l’habitation (quand tous les objets consomment). La tension du système doit être comprise dans la plage de tension d’entrée de l’onduleur.

11.6 Dimensionnement des câbles DC

Pourquoi bien dimensionner les câbles ?

Dans le dimensionnement des câbles, il bon d’éviter une chute de tension trop importante. La chute de tension maximale autorisée en courant continu  est de 3 % d’après UTE C 15-712-1. Et, un bon dimensionnement des câbles permet de limiter les pertes par effet Joule.

Section en mm2	Intensité mas en A	Section en mm2	Intensité max en A
1,5	17	10	56
2,5	23	16	75
4	31	25	100
6	39	35	124

Courant admissible des câbles pour installations photovoltaïques pour une température maximale à l’âme de 90 °C et une température ambiante <60°C

Calcul de la section d’un câble : S = (ρ × L × 1,25 × I_max)/(ϵ ×V)

•  ρ est la résistivité du câble en Ω.m
•  L est la longueur du câble en m
•  I_max est le courant maximale que traverse le câble en A
•  ε est la chute de tension en %
•  V est la tension maximale au départ du câble en V

matériaux	Résistivité à 25°C
Cuivre	17×10-9Ωm
Aluminium	28×10-9Ωm

	Courant maximum
Dans une branche PV	(n-1)×1,25 ×IscSTC pour n>1 Sinon 1,25 × IscSTC
A la sortie du champ PV	n×1,25 × IscSTC
Autres	1,25 × Imax
n représente le nombre de branches en parallèle

11.7 Etape 5: Vérification du dimensionnement de l’installation photovoltaïque

a- Vérification 1 : PVGIS

b-Vérification 2 : Solaris-store