11. Pour dimensionner une installation photovoltaïque, il faut prendre en compte les différentes étapes suivantes:
Etape 1 : Calcul de l’énergie consommée par jour
Etape 2 : Calcul de l’énergie à produire (Rendement de la chaîne de conversion)
Etape 3 : Calcul de la puissance crête des panneaux à installer
Etape 4 : Dimensionnement de la batterie, du régulateur, de l’onduleur, des câbles
Etape 5 : Vérification
11.1 Etape 1 : Calcul de l’énergie consommée par jour
11.1.1 1ère méthode: lecture de la facture
Le moyen le plus simple de connaitre sa consommation c’est de consulter sa facture d’électricité. Elle est exprimée en kWh et se trouve généralement à la page 2 de la facture. Cependant cette méthode sous-entend que l’on est déjà raccordé au réseau.
11.1.2 2ème méthode : relevé informatique – Linky
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=PLED×tLED+Consofrigo×tfrigo ⇒ 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 :
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 Ec (énergie journalière consommée) et du coefficient de correction k. Ep= Ec/k
NB : L’énergie produite Ep est toujours supérieure à l’énergie consommée Ec.
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
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 ×ηonduleur×ηbatterie×ηregulateur ×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 Ep et du nombre d’heures d’ensoleillement Ne. Pc=Ep/Ne , Ne correspond au rapport entre l’irradiation solaire Ir (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 : Ne=Ir/1000⇒Pc= Ep/Ir×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 Ne heures.
b- Pour déterminer l’irradiation solaire Ir 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 Pcunit du modèle de panneau choisi en watt-crête. Ainsi nous aurons : Nbre=Pc/Pcunit
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= Vsystème/Vbatterie
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= Ctotale/Cbatterie
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 : Vsortie (MMPT) = Vbat
Psortie > Pinstallation, pour ne pas dégrader la production
Isc_max (Installation) < Imax (MPPT); Vocmax (Installation) < Vmax (MPPT)
Ainsi on en déduit le nombre maximal de modules photovoltaïques en série et en parallèle : Nb en parallèle = (Imax (MPPT))/(IscPV )→Pour 1 module
Nb en série = (Vmax (MPPT))/(VocPV )→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 : Psortie > Pconsommée 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 × Imax)/(ϵ ×V)
- ρ est la résistivité du câble en Ω.m
- L est la longueur du câble en m
- Imax 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
Produit par: Prof. Dhaker ABBES, Dr. Ing. Continuer votre apprentissage, cliquer ici pour revenir à la leçon 1
- Leçon 1 : Tout commence par le soleil⟹
- Leçon 2 : Calcul de la position optimale d’un panneau solaire⟹
- Leçon 3 : Effet Photovoltaïque⟹
- Leçon 4 : Les technologies des panneaux photovoltaïques⟹
- Leçon 5 : Types d’implantation des modules photovoltaïques⟹
- Leçon 6 : Caractéristiques d’un panneau solaire photovoltaïque⟹
- Leçon 7 : L’ombrage⟹
- Leçon 8 : Les différents types d’installations photovoltaïques⟹
- Leçon 9 : Montage d’une installation photovoltaïque en site isolé⟹
- Leçon 10 : Stockage de l’énergie photovoltaïque par batterie⟹
- Leçon 11 : Dimensionner une installation photovoltaïque⟹
- Leçon 12 : Dispositifs de protections⟹
- Leçon 13 : Après l’installation⟹
- Leçon 14 : Rentabilité de l’installation⟹
- Leçon 15 : Etat de l’art du photovoltaïque(approfondissement)⟹
- Leçon 16 : Démarches administratives⟹
- Leçon 17 : Intégration du PV sur le réseau électrique⟹