Notre société aujourd’hui utilise l’électricité sans se rendre compte des quantités d’énergie que cela représente. C’est une chance de ne pas avoir à s’en soucier. Mais en cas de coupure de courant, une installation solaire rudimentaire peut devenir un atout seulement si l’on comprends son fonctionnement et donc ses limites.
En effet, bon nombre d’appareils deviennent inutilisables car trop gourmands en énergie pour une installation solaire. Notamment les appareils électriques qui chauffent comme bouilloires, cafetières, plaques de cuisson, qui consomment beaucoup trop pour être alimentés par une installation photovoltaïque de base. Il faudra utiliser d’autres moyens comme le gaz, le feu de bois ou encore le four solaire.
Toutefois, il a des équipements électriques difficilement remplaçables particulièrement l’éclairage et les moyens de communications.
C’est pourquoi une installation solaire peut être une bonne solution de secours, à condition de bien cadrer son usage, de la dimensionner en fonction des besoins et de connaitre ses limites pour l’utiliser correctement.
Après le rappel des notions élémentaire nécessaire à la compréhension, nous verrons quels sont les composant d’une installation solaire autonome, avant de présenter un cas pratique de dimensionnement.
Pour des équipements plus gourmand comme des outils électriques par exemple, un petit groupe électrogène sera plus avantageux.
Notions de base
Avant de rentrer dans les calculs (qui resterons simples!) dans un deuxième article, il est nécessaire de rappeler quelques grandeurs physiques et leurs unités que nous allons manipuler : la tension, l’intensité, la puissance et l’énergie.
Les grandeurs physiques
Vous pouvez retrouver plus de détail dans l’article « Ne plus confondre Energie et Puissance »
La tension (U)
La tension est la différence de potentiel électrique entre deux points. C’est comme la différence de hauteur entre deux points d’eau dans un tuyau. Plus la hauteur d’eau est grande plus la vitesse de sortie sera grande. Dans le cas de la tension, plus elle est élevée, plus la force électrique est grande. La tension se mesure en Volts (V).
L’intensité (I)
L’intensité est le débit de charges électriques dans un circuit. C’est comme le débit d’eau dans un tuyau. Plus l’intensité est élevée, plus il y a de charges électriques qui circulent dans le circuit. L’intensité se mesure en Ampères (A).
La puissance (P)
La puissance est la quantité d’énergie électrique fournie ou consommée par unité de temps. C’est comme la quantité d’eau qui coule par unité de temps dans un tuyau. Plus la puissance est élevée, plus l’énergie électrique fournie ou consommée est grande. La puissance se mesure en Watts (W).
💡 La puissance s’obtient en multipliant la tension U par l’intensité selon la formule : P (W) = U(V) x I(A)
L’énergie (E)
L’énergie (E) est la quantité d’énergie électrique produite ou consommée pendant une période donnée. C’est comme la quantité d’eau qui a été utilisée pendant une certaine période. Plus l’énergie est élevée, plus il y a eu de consommation ou de production d’énergie électrique. L’énergie se mesure en Joules (J). Cepandant, comme cette unité est très petite, on utilise communément le kilo Watt-heure pour l’énergie électrique, noté kWh. 1 kWh correspond à l’énergie consommée pendant 1 heure avec une puissance de 1000W, ou l’énergie consommée pendant 2 heures avec une puissance de 500W.
💡 L’énergie s’obtient en multipliant la puissance par le temps de fonctionnement : E (Wh) = P(W) x t(h)
A titre de comparaison, un être humain produit en moyenne 100W de puissance avec ses jambes sur un effort de 10h pour monter 4000m de dénivelé en vélo !!!
Les composants d’une installation solaire autonome.
Une installation solaire se compose de différent éléments :
Les panneaux solaires photovoltaïques
Les panneaux solaires photovoltaïques sont un assemblage de cellules photovoltaïque qui sont capables de générer un courant électrique lorsqu’elles sont exposées à la lumière. Les cellules sont généralement faites de silicium cristallin et sont disposées en série dans le panneau pour augmenter la tension de sortie.
La tension produite par les panneaux solaires varie en fonction du nombre de cellule qui composent le panneau mais aussi de l’ensoleillement (qui varient suivant la position géographique et la saison, l’angle des panneaux avec le soleil ou encore la température.
Inutile donc de préciser qu’il faudra profiter des jours de grand soleil pour utiliser ou charger le maximum d’équipement et d’être économe les jours sans soleil !
Caractéristiques d’un panneau solaire
Les panneaux peuvent avoir différentes tension de sortie. Leur puissance est donnée en Watts-Crête (Wc). Il s’agit de la puissance délivrée par le panneau avec un rayonnement de 1000W/m2 à une température de 20°C.
Un panneau de 100Wc en plein soleil pendant 5 heures, il pourra produire jusqu’à 500 Wh dans les conditions idéales d’éclairement.
Types de technologies : avantages et inconvénients
| Technologies de panneaux solaires | Avantages | Inconvénients |
|---|---|---|
| Silicium monocristallin | Meilleur rendement énergétique | Coût élevé |
| Silicium polycristallin | Meilleur rapport qualité-prix | Rendement énergétique légèrement inférieur |
| Couches minces | Poids léger, Flexibilité | Durée de vie plus courte |
| Amorphe | Coût peu élevé, Taux d’utilisation élevé. | Rendement énergétique faible |
Le régulateur de charge
Le régulateur de charge pour panneaux solaires est un composant crucial dans une installation solaire. Son rôle est de contrôler l’intensité de la charge de la batterie en régulant la tension et le courant fourni par les panneaux solaires.
Lorsque la batterie est complètement chargée, le régulateur arrête la charge et passe dans une mode de maintien de charge afin de garder la batterie en bon état de fonctionnement.
Types de technologies : avantages et inconvénients
| Technologies de régulateurs de charge | Avantages | Inconvénients |
|---|---|---|
| PWM (Pulse Width Modulation) – il module la charge en envoyant des imulsions de courant d’une durée plus ou moins longue. | Coût abordable, Compatibilité avec une large gamme de batteries | Rendement énergétique limité, Complexité d’installation |
| MPPT (Maximum Power Point Tracking) – Rechercher du Point de Puissance Maximum des panneaux solaires | Meilleur rendement énergétique, Adaptabilité aux changements de températures et d’ensoleillement | Coût plus élevé |
Les batteries
Les batteries sont des composants les plus fragiles dans une installation solaire autonome. Il est donc crucial de les utiliser et de les entretenir correctement pour garantir leur longévité et leur bon fonctionnement.
Les caractéristiques d’une batterie sont sa tension en Volts (6V – 12V – 24V) et sa capacité en Ampères-heures (Ah).
La capacité d’une batterie notée Q est la quantité d’énergie qu’une batterie peut stocker. Pour une batterie de 12V de 100Ah cela donne une quantité d’énergie de 1200Wh. Cette batterie peut fournir un courant de 100 Ampères pendant 1 heure ou 10 Ampères pendant 10 heures.
Types de batteries
Il existe plusieurs types de batteries utilisable dans les installations solaires :
| Type de batteries | Avantages | Inconvénients |
|---|---|---|
| Batterie au plomb-acide (GEL ou AGM) | Coût relativement faible, longue durée de vie, faible auto-décharge. | Lourde, nécessite une maintenance régulière |
| Batterie au lithium | Légère et compacte, longue durée de vie, nécessite peu d’entretien | Coûteuse, sensible aux températures extrêmes |
| Batterie au nickel-cadmium | Longue durée de vie, capable de fonctionner à des températures extrêmes, robuste | Coûteuse, lourde |
| Batterie de véhicule | Coût relativement faible, facile à trouver | Le supporte pas une grande décharge |
Il est important de choisir la bonne batterie en fonction des besoins spécifiques de votre installation solaire. Par exemple, si vous avez besoin d’une batterie légère et compacte, une batterie au lithium peut être préférable à une batterie au plomb-acide.
Préférez des batteries type plomb GEL ou plomb AGM. Elle supportent bien les décharges profondes occasionnelles (jusqu’à 50%) et ont une faible auto-décharge.
Vous les trouvez pour des applications solaires, mais aussi dans les chariots industriels, voiture de golf, camping car ou bateaux. Ce sont des batteries faites pour une décharge lente et assez profonde.
Les batteries de véhicules (voiture ou camion) qui servent au démarrage des moteurs sont faites pour fournir une grande puissance sur un temps très court et ne supporte pas bien la décharge. Si vous n’avez que ça sous la main, essayez d’éviter plus de 10-20% de décharge. Au delà, leur durée de vie va être vite limitée.
Précautions d’utilisation et d’entretien des batteries
Voici quelques précautions à prendre en compte pour l’entretien des batteries :
- Évitez de décharger complètement la batterie. Cela peut l’endommager et réduire sa durée de vie car il sera quasi impossible de la recharger complètement par la suite.
- Évitez de surcharger la batterie. Cela peut également endommager la batterie et réduire sa durée de vie.
- Évitez de stocker la batterie à des températures extrêmes (trop chaud ou trop froid).
- Evitez de poser les batterie directement sur le sol. Idéalement les surélever sur un support.
- Évitez de laisser la batterie inactive pendant de longues périodes. Cela peut également endommager la batterie.
- Assurez-vous que la batterie est correctement ventilée pour éviter toute accumulation de gaz dangereux.
- Vérifiez régulièrement les connexions de la batterie et assurez-vous qu’elles sont propres et serrées.
- Nettoyez régulièrement la batterie pour éviter l’accumulation de saleté et de corrosion.
En suivant ces précautions, vous pouvez prolonger la durée de vie de votre batterie et garantir son bon fonctionnement dans votre installation solaire.
Dans tous les cas, il faut se reporter aux recommandations d’utilisation et d’entretien du fabricant.
Le convertisseur de tension
Son rôle est de convertir le courant continu (DC) produit par les panneaux solaires et/ou stocké dans les batteries en courant alternatif (AC) en 230 Volts utilisable par les équipements électriques conventionnels.
Tous les appareils que vous branchez sur une prise domestique fonctionnent en courant alternatif 230V, tels que les réfrigérateurs, les appareils de chauffage, les éclairages, les ordinateurs, etc. Sans un onduleur, il serait impossible d’utiliser ces équipements avec une installation solaire hors réseau.
Il existe différents types de convertisseur de tension :
- Les convertisseur AC/DC qui convertisse le courant continu des batteries en courant alternatif. Appelé aussi onduleurs, il en existe avec plusieurs technologies :
- Les onduleurs à onde sinusoïdale pure sont plus chers mais produisent un courant alternatif de meilleure qualité, ce qui est important pour les équipements électriques sensibles comme les appareils électroniques.
- Les onduleurs à onde sinusoïdale modifiée sont moins chers mais produisent un courant alternatif de moins bonne qualité, ce qui peut entraîner des perturbations ou des dysfonctionnements pour certains équipements.
- Les convertisseurs DC/DC qui convertissent le courant continu de 12V en courant continu d’une tension inférieures.
- Les convertisseur DC/DC booster qui convertissement le courant continu 12V en une tension supérieure
Le choix du convertisseur se fera donc suivant le besoin des équipements à utiliser.
Dans le prochain article, nous verrons un cas pratique de dimensionnement des éléments d’une installation solaire autonome.
Si cet article vous inspire ou vous questionne, n’hésitez pas à poser vos questions en commentaire
A bientôt !