Je propose ici de dérouler pas-à-pas un cas pratique d’une installation solaire hors réseau qui pourrait être utilisée comme installation de secours.
Elle est inspirée des installations solaires hors réseau typiquement utilisées dans des régions isolées en Afrique.
L’installation présentée est réduite à son minimum et les calculs sont simplifiés.
Attention : Elle ne constitue pas une installation utilisable sur le réseau domestique !
Elle est présentée afin que vous permettre de comprendre le fonctionnement de base et de réaliser une installation de fortune en cas de besoin.
L’exemple est calculé pour une installation dans le nord de la France.
Les étapes sont les suivantes :
- Estimer les besoins
- Dimensionner les panneaux solaires
- Choisir la batterie
- Choisir le régulateur et onduleur
Estimer les Besoins
La première chose à faire est de savoir quelle quantité d’énergie nous avons besoin et donc de savoir ce que nous allons utiliser comme équipements.
En cas de problème, l’électricité va surtout être utile pour s’éclairer et utiliser les moyens de communications notamment.
Pour connaître la puissance des équipements, il suffit de regarder leur marquage. Parfois la puissance n’est pas donnée, mais on retrouve les informations de tension et d’intensité qu’il suffit de multiplier pour avoir la puissance.
Nous considérerons donc les équipements suivants :
- 4 ampoules LED de 5W utilisées pendant 5 heures : 100Wh/j
- 2 téléphones portables : 2 x 10Wh soit 20Wh, mais chargé un jour sur deux donc 10Wh/j
- un chargeur de talkie walkie en 10V – 500mA soit 5W utilisé 2 heures (2 Talkie Walkies) par jour donc 10Wh/j
- Un chargeur de piles rechargeable alimenté directement en 12V : 36W pendant 2 heures soit 72Wh utilisé une fois par semaine soit 10Wh/j
Soit un besoin total de
100 + 10 + 10 + 10 = 130 Wh/j
Exemples de puissances d’appareils courants
| Appareil | Puissance (W) |
|---|---|
| Ampoule LED | 5-15 |
| Chargeur de téléphone | 5 |
| Chargeur de Piles | 30-40 |
| Ampoule incandescente | 40-100 |
| Ordinateur portable | 50-100 |
| Télévision | 50-400 |
| Réfrigérateur | 100-200 |
| Aspirateur | 500-1500 |
| Four électrique | 1000-4000 |
| Climatiseur | 1000-5000 |
Dimension des Panneaux
Le rayonnement solaire est différent suivant la position géographique, il n’est pas constant dans la journée et encore moins dans l’année. Une installation solaire doit donc être dimensionnée dans le cas le plus défavorable, c’est à dire en plein hiver.
D’autre part, le rendement d’un panneau photovoltaïque varie aussi en fonction de l’angle d’ensoleillement (idéalement le soleil doit être perpendiculaire au panneaux) mais aussi de la sa température.
L’ensoleillement varie en fonction de la localisation. il est possible de retrouver l’ensoleillement précis via l’outil PV-GIS disponible à l’adresse suivante : https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/fr/tools.html#PVP
Vous retrouverez les explications sur l’utilisation de cet outil dans l’article suivant : Evaluer sa production solaire
Ensoleillement moyen en hiver en France
Partie Nord : 1,09 kWh/m2/jours
Partie Centrale : 1,6 kWh/m2/jours
bassin méditerranéen : 2,4 kWh/m2/jours
En première approximation, nous prenons une rendement du système de 0,75 (en effet la batterie, le régulateur de charge et l’onduleur ne sont jamais parfait)
Nous prenons le cas d’une installation dans le nord de la France où l’ensoleillement est de 1,09 kWh/m2/jour (équivalent à 1,09h à 1000W/m2/jour)
on calcule la puissance à installer par la formule :
Pc = 130 / (0,75 * 1,09) = 160 Wc
Il nous faut donc 160 Wc de panneaux pour assurer le minimum des besoins identifiés.
Nous pouvons donc prendre un panneau de 160W ou encore 2 panneaux de 100Wc ce qui donnera un peu de marge.
Dimension des Batteries
Le soleil ne brille pas tous les jours et il faut en tenir compte ! Comme on prendre le cas du nord de la France, s’il ne brille pas pendant 3 jours, il faudra compter un stockage équivalent à 3 jours de consommation.
3 * 160 Wh = 480 Wh.
Considérons une batterie avec une tension de 12V.
Il faut donc:
480 / 12 = 40 Ah
De plus, une batterie ne doit pas être déchargée à plus de 30 % de sa capacité. Cela signifie que nous utiliseront seulement 30% de capacité totale, donc :
(40 * 30) / 100 = 133 Ah
Il faut donc idéalement une batterie 12V de 130Ah (soit 1560Wh)
D’autre part, une batterie doit être chargée ou déchargée avec un courant d’une intensité ne dépassant pas de 10% de sa capacité nominale.
Ainsi, une batterie de 130Ah ne doit pas être chargée ou déchargée avec un courant de plus de 13A.
Cela correspond à une puissance maximale soutirée de 12V x 13A = 156 W à ne pas dépasser. Il faudra donc veiller à ne pas brancher plus de 156 W sur la batterie.
Si je branche tous mes équipements identifié plus haut en même temps, j’obtiens une puissance de 71 W, donc aucun problème à tout brancher en même temps !
Contrôleur de charge
le contrôleur de charge se choisi en fonction de :
- la tension du parc de batteries
- des caractéristiques des panneaux photovolaïques
- leur câblage (Série ou Parallèle)
Pour des raisons de rendement nous choisirons si possible un régulateur de type MPPT.
Nous avons donc prévu 2 panneaux avec les caractéristiques suivante :
- Pmax = 100W
- Voc = 22,3 V (tension en circuit ouvert)
- Isc = 6,07 A (courant de court circuit)
Ces panneaux peuvent être monté en Série ou en Parallèle
Un montage en Série donne les caractéristiques suivantes : 200W ; 44.6V ; 6.07 A
il faut donc un régulateur :
- d’une puissance nominale minimale de 200W sous 12V,
- acceptant une tension max d’au moins 45 V
- Acceptant un courant max de 6,09 x 1,4 = 8,4A (1,4 étant un coefficient de marge pour éviter les surprises)
—> Régulateur MPPT 75/15 (220Wmax, 75V, 15A)
Un montage en parallèle donne les caractéristiques suivantes :
200W ; 22.3 V ; 12.14 A
il faut donc un régulateur :
- d’une puissance nominale minimale de 200W sous 12V,
- acceptant une tension max d’au moins 22,3 V
- Acceptant un courant max de 12.14 x 1,4 = 17A (1,4 étant un coefficient de marge pour éviter les surprises
—> Régulateur MPPT 100/20 (290Wmax, 100V, 20A)
Ces deux régulateurs fonctionneront cependant le second coûtera plus cher et ne sera pas exploité correctement.
De plus le montage en série est à privilégier car l’intensité de courant est moindre donc des câbles de plus petite section.
Le régulateur devra être ensuite configuré pour le type de batterie utilisé, sa tension et sa capacité afin que le système fonctionne dans les meilleures conditions.
Convertisseur DC/AC ou DC/DC
Pour avoir du courant alternatif, il faut ajouter un convertisseur AC/DC. Préférer un onduleur « pur sinus » fournissant un courant de meilleurs qualité, notamment pour les appareils électroniques.
Dans ce cas il faudra un onduleur 12V/230V. Comme vu dans la partie batterie, il ne faut pas dépasser 156W pour éviter une décharge trop grande de cette dernière.
Il est possible de choisir un onduleur 12V 200W. De nombreux onduleurs aujourd’hui acceptent un pic de puissance au démarrage du double de leur puissance nominale et intègrent aussi une sortie 5V continu via une prise USB.
A noter que le chargeur de pile rechargeable alimenté en 12V pourrait être branché directement en sur la batterie.
Cablâge
La section des câble doit être vérifiée pour s’assurer qu’ils ne chauffent pas et éviter les pertes lorsque les longueurs sont importantes.
A une distance entre les batteries et les panneaux de 2 mètres, j’aurai une longueur de câble de 4m, je peux donc utiliser du câble en cuivre de 2,5mm2
Pour des tension de 12V, voici les longueurs de câble maximales pour différentes sections et intensité pour une perte maximale de 5% (soit une chute de 0,6V)
| Section (mm2) | 1A | 2A | 3A | 4A | 5A | 6A | 8A | 10A | 14A |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1,5 | 22 | 11 | 7 | 6 | 4 | 4 | 3 | 2 | 2 |
| 2,5 | 38 | 19 | 13 | 9 | 8 | 6 | 5 | 4 | 3 |
| 4 | 60 | 30 | 20 | 15 | 12 | 10 | 8 | 6 | 4 |
| 6 | 88 | 44 | 29 | 22 | 18 | 15 | 11 | 9 | 6 |
| 10 | 150 | 75 | 50 | 38 | 30 | 25 | 19 | 15 | 11 |
Etat de charge d’une batterie
Pour évaluer l’état de charge d’une batterie, le plus sûr est d’avoir un contrôleur de charge. Certains régulateur intègrent cette fonction. En l’absence de ces appareils, il est possible d’évaluer la charge en mesurant la tension avec un voltmètre. Voici le tableau de correspondance entre la tension et la charge pour une batterie de 12V de type DEA (Démarrage/éclairage/Allumage) (à mesurer après 2h de repos de la batterie débranchée) :
| Charge (%) | Tension (V) |
|---|---|
| 100% | 12,7 |
| 90% | 12,5 |
| 80% | 12,42 |
| 70% | 12,32 |
| 60% | 12,20 |
| 50% | 12,06 |
| 40% | 11,9 |
| 30% | 11,75 |
| 20% | 11,58 |
| 10% | 11,31 |
| 0% | 10,5 |
Protection / mise à la terre
Veillez à connecter les structures de panneaux, le régulateur et l’onduleur à la terre via un fil dédié (jaune-vert). Les systèmes électrique peuvent être dangereux si’il sont mal utilisés. Ne prenez pas de risques, en cas de doute, prenez conseil auprès d’un professionnel qualifié !
Conclusion
Comme vous le voyez, avec quelques calculs de base il est simple de dimensionner une installation solaire autonome.
Vous êtes bien sûr libre de laisser vos commentaires ou vos questions ci-dessous !
Merci!