Le dimensionnement du générateur solaire
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Tutorial |
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Dimensionnement solaire |
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Tutorial |
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Dimensionnement solaire |
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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.
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
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.
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
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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