Le dimensionnement du générateur solaire

dimensionnement generateur solaire photovoltaique autonome

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Le dimensionnement du générateur solaire photovoltaïque autonome.

Pré-dimensionnement rapide d'un générateur photovoltaïque. Exemple de la ville de Cagliari (Sardaigne).

Etant donnée une localisation géographique et donc des données météorologiques, le dimensionnement d’un générateur photovoltaïque est la recherche de l’équilibre entre la satisfaction de la demande énergétique exprimée et la puissance à installer tant du point de vue des modules que des batteries. La bonne optimisation de cette combinaison vise à définir le générateur le

plus économique à l’acquisition et à l’entretien, qui soit à même de remplir le cahier des charges.
Le générateur solaire ainsi préconisé est donc étroitement lié aux valeurs d'entrée (données d'ensoleillement, demande énergétique) et l'autonomie du générateur peut être affectée, par exemple par une augmentation de la consommation lors des périodes critiques.

Données d'entrée d'ensoleillement.

Localité aux environs de Cagliari définie par : Latitude : 39° 13" Nord. Longitude : 9° 04" Est

mois

01

02

03

04

05

06

07

08

09

10

11

12

Ensoleillement à l'horizontale

1965

2550

3800

4960

5980

6500

7080

6430

4920

3560

2480

1800

données d'ensoleillement exprimées en W/m2 pour la ville de Cagliari.

Données d'entrée de la demande énergétique.

Pour déterminer la demande énergétique quotidienne à satisfaire D, on liste les caractéristiques électriques (disponibles généralement sur les plaques signalétiques) des appareils à faire fonctionner et ensuite on fixe la tension U pour le câblage des panneaux photovoltaïques (12, 24 ou 48 Volts). Sauf

impératif sérieux, ces équipements destinataires de l'électricité photovoltaïque doivent être sobres énergétiquement.
Par exemple, si on opte pour une tension U de 24 V et que le bilan de consommation s'établisse comme :

appareil destinataires

nombre

type

tension

puissance

heures de fonctionnement par jour

consommation /jour

lampe fluorescente

2

DC

24 V

10 W

4

80 Wh/j

téléviseur

1

DC

24 V

40 W

3

120 Wh/j

pompe à eau domestique

1

DC

24 V

80 W

1

80 Wh/j

ordinateur

1

AC

230 V

100 W

2

200 Wh/j

convertisseur 24/230 V

1

AC

24 V

....

2

20 Wh/j

demande énergétique par jour D

500 Wh/j

nb : les bilans de consommation des appareils AC doivent tenir compte des pertes engendrées par les convertisseurs :10%.

Calculs géométriques d'énergie solaire.

Localité aux environs de Cagliari :
Température maximum moyenne : 30,7°c
Température minimum moyenne : 3,4°c

Latitude : 39° 13" Nord
Longitude : 9° 04" Est
Albédo : 0,2

Les calculs géométriques fournissent les valeurs de l'ensoleillement et permettent de vérifier l'absence d'occultation de l'installation par son environnement.

solaire

Ensoleillement

à l'horizontale

à 55°

Janvier

1965

3460

Février

2550

3720

Mars

3800

4250

Avril

4960

4620

Mai

5980

4760

Juin

6500

4850

Juillet

7080

5300

Août

6430

5710

Septembre

4920

5300

Octobre

3560

4660

Novembre

2480

4020

Décembre

1800

3250

données d'ensoleillement exprimées en W/m2

diagramme solaire établi pour la ville de Cagliari

Nombre d' heures équivalentes.

On assimile l’illumination solaire reçue au produit du rayonnement 1000 W/m2 (conditions STC) par un certain « nombre d’heures équivalentes» n.

mois

01

02

03

04

05

06

07

08

09

10

11

12

Ensoleillement à l'horizontale

1965

2550

3800

4960

5980

6500

7080

6430

4920

3560

2480

1800

Ensoleillement à 55°

3460

3720

4250

4620

4760

4850

5300

5710

5300

4660

4020

3250

n pour 55°

3,46

3,72

4,25

4,62

4,72

4,85

5,3

5,71

5,3

4,66

4,02

3,25

données d'ensoleillement exprimées en W/m2.

Evaluation de la production d'un panneau photovoltaïque.

On choisit un panneau photovoltaïque donné et on relève son courant Ipmax aux conditions STC, dans la suite, on confondra Ipmax et I . Pendant cette journée type, il va fournir une puissance totale [nxIxU].

Choisissons par exemple un panneau photovoltaïque tye 40W, de courant Ipmax 2,34 A. Comme la tension U fixée est de 24 V, le produit [IxU] vaut 56,16 W. Le produit [nxIxU] se rapportant à 2 panneaux.

mois

01

02

03

04

05

06

07

08

09

10

11

12

[nxIxU] Wh

194,3

208,9

238,7

259,5

267,3

272,4

297,6

320,7

297,6

261,7

225,8

182,5

production approximative de la série de 2 panneau de 40 W.

Coefficient de pertes F.

Les pertes sont inhérentes à tout processus de conversion d’énergie. Les systèmes photovoltaïques doivent fournir toute l’énergie y compris celle qui est perdue.
Ces pertes ont plusieurs origines,
- pertes par accumulation de poussière sur le panneau…

- pertes (chutes de tension) dans le câblage et les équipements de conditionnement de l’énergie.
- pertes dues aux batteries.

Une bonne estimation de F est de l’ordre de 20%.

Calcul du générateur solaire ( puissance crête) à installer.

Pour être certain de disposer d’énergie en toute saison, les calculs sont faits dans les conditions d’ensoleillement les moins favorables de la période d’utilisation. Dans le cas par exemple de la ville de Cagliari, le mois de Décembre pour un usage annuel ([nxIxU] = 182,52).
Le générateur qui convient à D est un multiple de [nxIxU]x[1-F].

Donc D = [B]x[nxIxU]x[1-F] où B est le nombre d'associations en parallèle.
On égalise D et [B]x[nxIxU]x[1-F]. Soit 500=[B]x146. On trouve B = 3,42, comme B est nécessairement un entier, on prend B = 4.
La tension étant de 24 V, on a donc déterminé un générateur de 320 W composé de 8 panneaux de 40 W.

Calcul de la batterie à installer.

L étant la limite de décharge profonde de la batterie, généralement 60 à 80%.
A étant l’autonomie souhaitée à priori. Exprimée en jours, elle vaut généralement de quelques jours à deux semaines. Elle correspond au nombre de jours pendant lesquels la demande énergétique doit être couverte sans apports solaires.
La capacité de la batterie est déterminée par l'expression :

C (Ah) = [(AxD)/(LxU)]
Si on fixe l’autonomie A à 5 jours et L à 0,8 (80%).
C (Ah) = [ (5x500)/(24x0,8)] = 131 Ah
On choisira donc une batterie 24V dont la capacité C100 est proche de 135 Ah (2 éléments de 12V).
Le générateur déterminé est donc 24 V / 320 Wc / 135 Ah.
Rq : La capacité calculée C se rapporte à 100 h.

le dimensionnement dynamique d'un générateur photovoltaïque.

Au sein de notre bureau d'études, le calcul dynamique d'une installation d'exploitation de l'énergie solaire s’effectue au moyen de bases de données

météorologiques exhaustives et de moyens de simulation informatiques (système expert d'aide à la sélection des générateurs).

Pour une localité aux environs de Cagliari
Demande 500Wh/j sous 24 V
I demande = 20,83 A
I brut = 25 A
Température moyenne maximum : 30,7°c
Température moyenne minimum : 3,4°c
Autonomie demande = 5 jours
Mise en service : le 1er Décembre
Mise en charge solaire : les 2 premières semaines

Générateur préconisé:
Puissance nominale : 240 W
Panneau élémentaire : 40 W
Nombre panneaux : 6
Nombre branches : 3
Intensité courant utile : 7,14 A
Batterie préconisée:
C100 à 25 °c: 160Ah / 24 V. Autonomie à 25 °c : 140h
C100 à T° mini : 135Ah / 24 V . Autonomie à T° mini : 107h

Ensoleillement

I calculé

I approché

I statique

Janvier

25,3

25,8

24,3

solaire photovoltaique

Février

29

29,5

26,1

Mars

33,2

34,3

29,8

Avril

35,9

37,6

32,4

Mai

37,2

39

33,4

Juin

37,4

39,7

34

Juillet

41,1

43,9

37,2

Août

44,6

47,1

40,1

Setembre

40,8

42,6

37,2

état de charge moyen hebdomadaire de la batterie

Octobre

37,6

37,9

32,7

Novembre

30,3

30,8

28,2

Décembre

25,2

24,4

22,8

feuille de calcul du générateur préconisé

Comparaison entre dimensionnement dynamique et statique.

Le prédimensionnement statique aboutit à choisir le plus souvent un générateur photovoltaïque sur-dimensionné, et ceci d'autant plus que les puissances sont importantes. Bien sûr, il y'aura toujours un excédant de production et les batteries ne seront pas sollicitées, ce qui diminue l'intérêt de batteries résistantes aux cyclages et aux décharges profondes.

Il est toutefois possible de prédimensionner rapidement un générateur par le biais du calcul statique. C'est une techniques empirique qui permet de prédéfinir des générateurs se rapprochant du système idéal, avec une marge d'erreur d'environ 5 à 20% selon les localisations. Elle convient pour les très petits systèmes étant donné les paliers dans les combinaisons possibles de puissances unitaires des panneaux photovoltaïques.

solaire

simulation dynamique du générateur 320 W et de la batterie 135 Ah

Tous comptes faits : production d'une installation de 100 Wc

A chaque lieu, demande énergétique et type d'usage, peut toujours correspondre un générateur d'une certaine importance. Toutefois, même si la modularité des systèmes photovoltaïques permet la réalisation d'installations de taille quasi illimitée, il est parfois nécessaire de compléter une "installation convenable" par une source auxiliaire d’énergie (groupe électrogène...), d'adapter la demande énergétique à ses possibilités de production ou encore de limiter son utilisation à la meilleure saison. Cette démarche pragmatique vise à optimiser le coût du niveau de confort recherché.
Par exemple, pour une demande satisfaite à Marrakech avec un générateur de 100 Wc, il faut 150 Wc à Bruxelles (110 Wc à Venise) si l'utilisation est "estivale", et 600 Wc à Bruxelles (300 Wc à Venise) si l'utilisation est "annuelle".

usage annuel

usage estival

Acapulco

285

Auxerre

240

Bamako

265

Barcelone

275

Bastia

325

Bordeaux

275

Bruxelles

205

Cagliari

208

310

solaire

Dakar

275

Djeddah

360

La rochelle

278

Lille

208

Marrakech

310

Nancy

246

Ndjamena

250

Nice

312

Ougadougou

280

Paris

250

Stuttgart

250

Tombouctou

310

Tours

260

Tunis

238

Venise

280

Zurich

245

exemple de demandes énergétiques avec :
- lampe fluorescente de 8 W
- poste radiophonique de 10 W
- téléviseur de 40 W
- réfrigérateur de 300 Wh/j.

production (Wh/j) d'une installation de 100Wc.

[Rq 1] : linéarité. Une demande annuelle de 1KWh/j à Ndjamena correspond à un générateur de [(1000/250)x100] Wc soit 400 Wc.
[Rq 2] : les batteries associées aux divers cas de figure ne sont pas nécessairement identiques.

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