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Électricité solaire: systèmes photovoltaïques autonomes
- May 23, 2017 -

Électricité solaire: systèmes photovoltaïques autonomes

Là où un réseau électrique n'est pas ou pas à des coûts raisonnables disponibles, un système photovoltaïque autonome peut être utilisé pour générer l'énergie électrique nécessaire. Les exemples d'une telle application sont les huttes alpines ou les cabines dans les régions éloignées, les pompes à eau à énergie solaire, les téléphones d'urgence, mais aussi les systèmes pour bateaux ou véhicules récréatifs (camping-cars).

Étant donné que les modules solaires produisent uniquement de l'énergie électrique pendant la journée, il est nécessaire de stocker de l'énergie pour la nuit ou pour les jours nuageux. De tels systèmes de stockage utilisent principalement des batteries au plomb rechargeables, en raison de leur capacité à accepter avec une haute efficacité les tensions d'entrée aussi bien basses que hautes. Un régulateur de batterie empêche la surcharge, un circuit de délestage empêche les décharges profondes. En raison des grandes différences dans la récolte d'énergie entre l'hiver et l'été, il est recommandé d'utiliser des systèmes hybrides pour des applications toute l'année. Ceux-ci peuvent utiliser des générateurs diesel ou biogaz ainsi que des éoliennes; dans la plupart des cas, ils incluront également une batterie de stockage.

  • Source de l'image: SMART Powersystems.

Image: Système photovoltaïque autonome pour l'alimentation électrique autonome d'un pavillon ou d'une maison de week-end comprenant un générateur PV de 220Wp et des accumulateurs sans entretien (100Ah / 24V) ainsi qu'un régulateur de charge de 50A. L'onduleur intégré fournit une puissance continue de 1 200 W et une puissance de crête temporaire de 3,300 W.

Le système photovoltaïque fournira une tension de sortie de la batterie de (dans la plupart des cas) 12 ou 24 volts DC. Pour alimenter des appareils qui ne sont disponibles que pour des tensions alternatives, un onduleur peut être utilisé.
L'une des tâches les plus importantes dans la planification d'un tel système photovoltaïque autonome est de faire correspondre la consommation d'énergie prospective avec l'irradiation solaire moyenne locale, la production d'énergie résultante et la capacité de stockage requise. A titre d'exemple: Une maison de week-end près de Montélimar (France), occupée seulement pendant l'été, est destinée à fournir de l'énergie électrique par un système PV. Les appareils consommateurs d'énergie sont quelques lampes (à halogène basse consommation ou à basse consommation d'énergie), un petit téléviseur, une pompe à eau et un réfrigérateur à économie d'énergie. Multiplié avec le temps de mise sous tension respectif, la demande d'énergie journalière s'élève à environ 680 kWh. A cet endroit, la production quotidienne d'énergie par module de 1 kWp atteint en été 4 kWh au minimum; une centrale de 0,18 kWc serait donc suffisante, complétée par un stockage de batterie rechargeable d'une capacité d'environ 280 Ah (à 12 V CC), suffisant pour se nourrir pendant environ 2,5 jours.

  • Source de l'image: SMA Technologie AG

Sunlight au lieu de Oil: système photovoltaïque autonome aux Emirats Arabes Unis. L'électrification rurale des pays émergents et des pays en développement est une application éprouvée économiquement et techniquement pour les systèmes PV autonomes.

Trois étapes pour dimensionner un système photovoltaïque autonome

Quelques préliminaires: En général, il faut utiliser uniquement des dispositifs d'économie d'énergie pour être alimenté par un système PV autonome. De plus, en utilisant des dispositifs fonctionnant à 12 ou 24 V CC (puisque les systèmes PV fournissent à l'origine une tension continue), certaines pertes de conversion peuvent être évitées.

Étape 1: Estimation de la consommation d'énergie quotidienne:

  • Source de l'image: Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DB)

Pour chaque appareil, multipliez la puissance absorbée (mesurée en watts) par les heures de mise sous tension. Résumer les résultats et ajouter un peu de tampon (en fonction de l'incertitude de votre prévision). Puisque la consommation sera différente avec la saison, vous devez le calculer indépendamment pour la saison d'été et d'hiver (au moins).

Le système photovoltaïque de la cabine "Rabenkopf" dans les Alpes bavaroises remplace presque un générateur diesel pour la production d'électricité Source de l'image: Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DB)

Étape 2: Déterminer la taille (rendement énergétique) du système PV:

Le rendement énergétique journalier moyen du système photovoltaïque devrait être suffisant pour couvrir la consommation journalière (calculée par saison, car entre «l'été» et «l'hiver», la «récolte» diffère largement).

Pour prévoir le rendement énergétique quotidien, nous avons besoin de données sur l'irradiance quotidienne à l'emplacement des modules PV. Ces données sont disponibles auprès de différentes sources sur le Web (par exemple http://www.nrel.gov/ pour les États-Unis ou http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/ pour l'Europe et l'Afrique). Pour obtenir le rendement énergétique fourni par le système PV, le rayonnement (mesuré en kWh / m2 / jour) doit être multiplié par la capacité du module (puissance nominale, exprimée en Kilowatt Peak, kWp) et le résultat corrigé par des facteurs incluant la déviation de l'orientation et l'inclinaison optimales des modules. (Certaines des sources citées ci-dessus offrent également des données précalculées et corrigées.)

Maintenant, nous devons réduire les pertes de transmission causées par la résistance électrique dans les câbles et pendant le processus de chargement / déchargement du stockage de la batterie rechargeable. Ces pertes peuvent généralement atteindre environ 24%.

Par exemple: Un système photovoltaïque près de Cambridge (Royaume-Uni), produisant une puissance nominale de 1 kWc, produirait en moyenne 3,6 kWh d'énergie électrique par jour en juillet. Il pourrait donc répondre à une consommation d'environ 3,6 * 0,76 = 2,7 kWh / jour. Cependant, pour planifier notre système PV, nous utiliserons le mois avec le moins d'irradiation de la saison comme base - dans un été à Cambridge ce serait le septembre (2,7 * 0,76 = 2,05 kWh / jour), en hiver le décembre ( 0,7 * 0,76 = 0,5 kWh / jour).

Donc, si nous n'avons besoin que d'environ 500 Wh par jour, ce système suffirait même pour la saison hivernale - mais il pourrait produire quatre fois plus de besoins en été et serait totalement surdimensionné pendant plus de la moitié de l'année. Si nous utilisons l'installation seulement en été, un système avec 0,5 / 2,05 = 0,24 kWc (consommation divisée par la production par kWp de puissance nominale installée) serait entièrement suffisant. Il serait donc économiquement souhaitable d'installer un système hybride comprenant un système PV d'environ 0,25 à 0,3 kWp et un générateur supplémentaire pour combler la saison hivernale.

Étape 3: Dimensionnement de la capacité de stockage

Puisque le système PV génère de l'électricité lorsque le soleil brille, ce qui n'est souvent pas le moment où nous avons besoin d'énergie, nous utilisons des batteries rechargeables pour stocker l'énergie électrique. La capacité de ces batteries est mesurée en ampères-heures (Ah). Si nous divisons la consommation supposée par jour (en Wh) par la tension de sortie (en V DC) du système de stockage (principalement 12 V DC ou 24 V DC, selon l'interconnexion des batteries), nous obtenons la capacité dont nous avons besoin pour combler un jour, par exemple avec un taux de consommation journalier de 0,5 kWh: 500Wh / 12V = 41,7 Ah. Pour éviter les dommages par décharge profonde, nous devrions doubler cette valeur à 84 Ah par jour. Si l'installation est utilisée seulement en été, nous calculons 2,5 jours maximum au pont, ce qui donne une capacité totale d'environ 210 Ah; en hiver, nous devons calculer avec un maximum de 5 jours pour le pont, de sorte que la capacité totale serait de 420 Ah.