Dimensionnement d'un site isolé pour panneau photovoltaïque

Chapitre II-2
Conception et dimensionnement
des installations PV en site isolé
Taïb AJZOUL, Professeur au Département de Physique (FS de Tétouan)
Système en site isolé Système connecté au réseau

Chapitre II-2 - Conception et dimensionnement des installations
en site isolé
II-1- Choix de départ
Système PV avec seulement des charges à CC
Système PV avec charges à CC et charges à CA
Choix des charges à meilleur rendement énergétique –
Utilisation d’un régulateur de charge
Choix de types de modules PV
II-2- Bilan de consommation électrique – Démarche
Plan du Chapitre II-2

II-3- Dimensionnement du générateur PV
Indication de la moyenne mensuelle du rayonnement
horizontal quotidien
Prise en compte de l’orientation et de l’inclinaison du
générateur PV
Prise en compte de l’écart de température par rapport à la
valeur normalisée
Prise en compte des pertes dans des câbles de connexion
Prise en compte des pertes d’adaptation
Résumé pour la conception du générateur PV - Cas d’une
petite résidence à Berlin
II-4- Dimensionnement des sections des câbles
Dimensionnement des sections des câbles avec un système
de 12 V
Dimensionnement des sections des câbles avec un système
de 24 V

II-5- Conception d’un système de stockage (Batterie)
II-6- Importance du photovoltaïque dans les réseaux électrique isolé
II-7- Systèmes hybrides en site isolé
Exemple d’un système hybride isolé à connexion CC et CA
doté d’un générateur (groupe diesel)
Exemple d’un système hybride isolé à connexion CC et CA
doté d’un générateur (groupe diesel)
Exemple d’un système hybride isolé à connexion CA doté
d’un générateur et d’une éolienne
II-8- Système de pompage photovoltaïque

Conception des systèmes en site isolé
Production d’énergie Consommation d’énergie
Nous allons présenter la conception pas-à-pas d’un système PV en site
isolé.
La première tâche la plus importante est la corrélation entre la
consommation et la production d’énergie électrique.

Informations fondamentales et nécessaires pour la conception des
systèmes en site isolé

Choix de départ :
Système PV avec seulement des charges à CC :
Système PV avec charges à CC et charge à CA :

Régulateur de charge
De fait de leur remplacement régulier, le coût des accumulateurs sur la
durée d’utilisation d’une installation isolée représente environ 35 à 50 %.
L’utilisation d’régulateur de charge permet de prolonger la durée de vie et
d’augmenter la rentabilité de l’installation isolée.
Les fonctions d’un régulateur de charge sont multiples :
 Protection contre une charge excessive,
 Protection contre une décharge profonde,
 Prévention d’une décharge involontaire,
 Charge optimale des accumulateurs,
 Indicateur de niveau de charge,
 Protection par fusible contre les court-circuits,
 Protection contre les inversions de polarité.
miniature à installer
dans une boîte de
jonction de module.

Certains régulateurs de charge solaires offrent des fonctions
supplémentaires, comme :
 La détermination précise du niveau de charge,
 L’entretien automatique des accumulateurs,
L’ asservissement du point de puissance maximal (MPPT),
 La réglage en fonction de la technologie des accumulateurs,
 La diffusion conviviale des informations.
Régulateur de charge intelligent avec
afficheur intuitif.
Régulateur de charge intelligent avec
afficheur séparé.

Choix de départ
Choix des charges à meilleur rendement énergétique : Pour une
capacité d’éclairage comparable, les ampoules à basse consommation
ne consomment que 1/5 environ de l’énergie des ampoules
traditionnelles (réduction considérable en taille et en coût de
l’installation).
Utilisation d’un régulateur de charge : A l’exception de quelques
applications (calculettes, balances de cuisine, pompage de l’eau, etc.) les
systèmes autonomes emploient presque tous une régulateur de charge
connecté au générateur PV, à la batterie et aux récepteurs électriques.
Choix de types de modules PV : Au début du photovoltaïque, les
modules cristallins composés de 36 ou 72 cellules étaient les mieux
adaptés au niveau de tension : 12 V dans le cas de 36 cellules et 24 V
dans le cas de 72 cellule ou de 2 modules de 36 cellules, avec utilisation
de batteries de 12 ou de 24 V.
Les modules de 36 ou 72 cellules sont toujours très répandus, mais
actuellement il y a une diversification de l’offre du marché des PV.

Bilan de consommation électrique
Nous prenons l’exemple d’une petite résidence secondaire pour
laquelle nous efforcerons de garantir une alimentation électrique
solaire pendant toute l’année malgré les variations entre l’été et
l’hiver.
Pour cet exemple, on suppose que :
• La saison estivale dure de mai à septembre
• La saison hivernale d’octobre à avril.
Le calcul de l’ensoleillement se base sur le mois le plus faible en
tenant compte du site, de l’inclinaison et de la température.
Le tableau suivant présente le bilan de consommation, basé sur
le relevé touts les appareils électriques prévus avec leurs
consommations respectives ainsi que les durées de
fonctionnement.

Bilan de consommation électrique

Dimensionnement du générateur PV
Démarche :
Dans ce dimensionnement, on utilisera les grandeurs STC des
modules. On suive les étapes suivantes pour exploiter ces
grandeurs :
-Indication du rayonnement horizontal sur le site correspondant
pour le mois considéré (facteur Z2).
-Prise en compte de l’orientation et de l’inclinaison du générateur
PV (facteur Z3).
-Prise en compte de la température des cellules (facteur Z4).
-Prise en compte des pertes en ligne, de conversion et
d’inadéquation (facteur global V).
Conditions STC : 1 kw/m2, Tcellule=25 °C, AM 1,5.

Indication de la moyenne mensuelle du rayonnement horizontal quotidien
pour le site considéré
Allemane
Europe
Afrique

Indication de la moyenne mensuelle du rayonnement horizontal quotidien
Nous considérons que la petite résidence secondaire est située à
Berlin en Allemagne.
Pour le calcul, on se base sur le mois où le rayonnement est le plus
faible (en été et à Berlin , ce mois est le mois septembre)
Dans ce cas : Z2=3,00 kWh/m2 /j.
Autrement dit, pendant une journée moyenne de septembre, le
total de l’énergie irradiée par le soleil sur une surface horizontale de
1 mètre carré est de 3,00 kWh.
On obtient la même quantité si on suppose que un rayonnement
normalisé STC de 1 kW/m2 était concentré sur 3,00 heures sur la
même surface.
Ainsi, si on suppose que la température reste constante à 25 °C, un
module, par exemple, de 500 Wc (puissance nominale STC) produit
en septembre à Berlin : 500 W x 3,00 h/j= 1500 Wh/j.
Conditions STC : 1 kw/m2, Tcellule=25 °C, AM 1,5.

Prise en compte de l’orientation et de l’inclinaison du générateur PV
Pour une autre inclinaison par rapport à l’horizontale et une autre
orientation, la production énergétique doit être multipliée par un facteur
de correction (facteur Z3).
Ce facteur de correction est Z3 =1,28 pour le mois de septembre, avec une
orientation vers le sud et une inclinaison de 45° par rapport à l’horizontale.
Dans ces conditions et pour l’exemple du module de 500 Wc, la production
en septembre à Berlin sera : 500 W x 3,00 h/j x 1.28 = 1920 Wh/j.

Prise en compte de l’orientation et de l’inclinaison du générateur PV
Remarques :
Le calcul des facteurs de correction Z3 pour chaque région n’est pas
une simple formalité.
Il existe cependant des bases de données climatiques qui
permettent de calculer directement les valeurs d’irradiation de
n’importe quel site sur une surface d’orientation quelconque (dans
ce cas Z3 =1), (voir par exemple logiciel pvgis).
Orientation optimale : Il convient généralement que le générateur
PV soit toujours orienté en direction de l’équateur, c.-à-d. vers le sud
dans l’hémisphère nord et vers le nord dans l’hémisphère sud.
Pour déterminer l’angle d’inclinaison, une règle empirique consiste
à ajouter 15° à la latitude du lieu.

Prise en compte de l’écart de température par rapport à la valeur normalisée
 C’est le site (irradiation et température ambiante) et le mode
d’installation du générateur PV qui exercent la plus grande influence
sur la température des cellules.
Les pertes liées à la température sont d’autant plus importantes
que les valeurs de l’irradiation et de la température ambiante sur le
site de l’équipement sont élevés.
La ventilation en face arrière des modules a elle aussi une
influence déterminante (Par exemple, mauvaise ventilation des
module intégrés en toiture).
Le tableau suivant contient les données pour certains exemples de
sites :

Prise en compte de l’écart de température par rapport à la valeur normalisée
 En générale, la puissance produite est réduite par rapport à la
puissance nominale, puisque la température des cellules est en
moyenne supérieure à 25 °C.
Pour l’exemple du module de 500 Wc, la production en septembre
à Berlin sera (Z4=0,98) : 500 W x 3,00 h/j x 1.28 x 0,98 = 1882 Wh/j.

Synthèse
La production idéale du générateur PV résulte du produit de la
puissance nominale par les 3 facteurs de correction :
Eideal=PPV x Z2 x Z3 x Z4

Prise en compte des pertes dans des câbles de connexion
En choisissant la section des câbles, nous devons veiller à
ce que les pertes ne dépassent pas 6 % :
3 % sur le circuit entre le générateur et la batterie en
passant par le régulateur de charge,
3 % sur le circuit entre la batterie et les récepteurs en
passant par le régulateur de charge.
Cela veut dire qu’il faut réduire l’énergie produite par le
générateur d’un facteur :
VL=0,94.

Prise en compte des pertes de conversion
Dans la batterie, il se produit deux types de conversion :
La conversion de l’énergie électrique en énergie chimique (charge de
la batterie par le générateur solaire),
La conversion de l’énergie chimique en énergie électrique (décharge
de la batterie dans les appareils qui sont accordés).
Ces conversions se produisent avec des pertes qui dépendent de
plusieurs facteurs : type de batterie, degré de vieillissement,
température, mode de charge et de décharge, profil des appareils qui
sont accordés, etc.
L’interaction entre ces différents facteurs n’étant pas connue. En
pratique, et comme estimation empirique, les pertes sont considérées
de l’ordre de 10 %.
Cela veut dire qu’il faut réduire l’énergie produite par le générateur
d’un facteur : Vu=0,9.

Prise en compte des pertes d’adaptation
La tension de la batterie varie en fonction de la charge et des
appareils raccordés.
 La tension PPT du générateur solaire dépend de l’irradiation et de la
température des cellules.
En fonctionnement réel, la tension de la batterie et la tension MPP du
générateur PV seront différentes l’une de l’autre.
Cet écart est évalué à une perte d’énergie supplémentaire moyenne de
10 %.
Il faut donc réduire l’énergie produite par le générateur d’un facteur :
Va=0,9.

Synthèse du résultat de la conception
Production idéale du générateur PV :
Eideal=PPV x Z2 x Z3 x Z4
Production réelle du générateur PV :
Ereal = Eideal x V avec V= VL x Vu x Va = 0,94 x 0,9 x 0,9 = 0,76
Consommation d’énergie quotidienne moyenne :
W = Eideal x V= PPV x Z2 x Z3 x Z4 x V d’où PPV = W /(Z2 x Z3 x Z4 x V )

1) Consommation d’énergie journalière :
Eté (de mai à septembre) : W= 656 Wh/j
Hiver (d’octobre à avril) : W=248 Wh/j
2) Rayonnement horizontal sur le site (choisir le mois où le rayonnement est le
plus faible) :
Eté (septembre) : Z2=3,00 kWh/m2/j
Hiver (décembre) : Z2=0,44 kWh/m2/j
3) Prise en compte de l’orientation et de l’inclinaison (facteur Z3) :
Eté (septembre) : Z3=1,28
Hiver (décembre) : Z3=1,93
4) Prise en compte de la température des cellules (facteur Z4) :
Eté (septembre) : Z4=0,98
Hiver (décembre) : Z4=1,06
5) Prise en compte des pertes en ligne, de conversion et d’inadéquation
Facteur V= = VL x Vu x Va = 0,76
Résumé pour la conception du générateur PV
Cas de la petite résidence à Berlin

Résumé pour la conception du générateur PV
Cas de la petite résidence à Berlin
Formule pour le calcul de la puissance nécessaire du générateur :
PPV = W /(Z2 x Z3 x Z4 x V )
Conclusion : Pour garantir le fonctionnement en hiver, nous
pourrions choisir un générateur de 400 Wc (> 363). Celui-ci serait
toujours largement surdimensionné pour l’été.

Dimensionnement des sections des câbles
Le calcul de la section des câbles peut être effectué par la formule
suivante :
A= L x P /(0,03 x U2 x K)
Ce calcul est basé sur une chute de tension en ligne de 3 %.
A titre d’exemple, la figure suivante présente un système complet
avec générateur PV, régulateur de charge , batterie et trois
récepteurs. Une ligne avec un propre fusible est réservée pour
chaque récepteur. Mais il est possible de regrouper les câbles en
parallèle.

Dimensionnement des sections des câbles
Exemple d’un
système PV.
Les sections
peuvent être
déterminées
soit par la
formule soit à
partir des
courbes
suivantes :

Dimensionnement des sections des câbles avec un système de 12 V

Dimensionnement des sections des câbles avec un système de 24 V

Conception d’un système de stockage (Batterie)
C’est la batterie qui détermine la tension du système.
Les tensions systèmes les plus courantes sont : 12, 24 et 48 Volts,
suivant la puissance.
La capacité de la batterie est déterminée à partir de la durée pendant
laquelle le système avec une batterie entièrement chargée peut
alimenter les appareils en ligne sans irradiation solaire. Cette
autonomie est comprise entre 2 et plus de dix jours.
Une capacité de la batterie (ou un temps d’autonomie) trop faible
entraine un accroissement de la profondeur de décharge quotidienne
de la batterie, ce qui raccourcit sa durée de vie.
La capacité de la batterie est indiquée en ampères-heures (Ah). Pour
pouvoir réaliser des comparaisons, nous convertissons la
consommation en Ah en divisant cette énergie, exprimée Wh, par la
tension du système (par exemple 12 V).
Exemple : 656 Wh correspond à 656 Wh/12 V = 54,7 Ah

Conception d’un système de stockage (Batterie)
Une batterie pleine qui se décharge pendant le temps d’autonomie devra toujours
présenter un niveau de charge de 30 %.
Dans ces conditions, la capacité de la batterie est calculée par la formule suivante :
Cn= W x Un x A x (1-30/100) = W x Un x A x 0,7
Où A est le nombre de jours d’autonomie, W est la consommation d’énergie
moyenne quotidienne et Un est la tension nominale de la batterie.
Jours d’autonomie : En été 3 à 5 j - Valeur moyenne 3,5 j
En hiver été 5 à 6 j - Valeur moyenne 5,5 j
Il faut bien évidement choisir la plus élevée des deux valeurs (celle en en été).
Consommation
en Wh/j
Jours
d’autonomie
Capacité
en Wh
Capacité batterie
de 12 V en Ah
Capacité batterie
de 24 V en Ah
Eté (septembre) 656 3,5 19286,4 1607,2 803,6
Hiver (décembre) 248 5,5 11457,6 954,8 477,4

Importance du photovoltaïque dans les réseaux électrique isolé
Environ 1,6 milliard de personnes dans le monde n’ont pas accès à un réseau
électrique public.
Jusqu’à 2005, environ 2 millions de systèmes solaires domestiques (SHS) ont été
installés pour l’électrification d’un certain nombre de régions.

Systèmes hybrides
Dans des régions tempérées, une alimentation intégrale autonome
exclusivement basée sur le photovoltaïque est très difficile à
réaliser en raison de l’hiver.
Dans plusieurs cas, on fait appel à d’autres sources d’énergie pour
assister le générateurs photovoltaïque, notamment en hiver.
Les systèmes qui tirent leur énergie de plusieurs sources sont
appelés des systèmes hybrides.
Les systèmes hybrides les plus utilisés sont basés sur un système PV
et un centrale éolienne.

Production d’énergie d’un système PV de 1 kWc et d’une petite
centrale éolienne de 500 W.

Exemple d’un système hybride isolé à connexion CC et CA doté d’un
générateur (groupe diesel)

Exemple d’un système hybride isolé à connexion CA doté d’un
générateur et d’une éolienne.

Systèmes hybrides pour l’électrification des villages

Système de pompage photovoltaïque
Les systèmes
photovoltaïques de
pompage solaire
(PVPS) sont une
forme très élégante
d’usage de l’énergie
solaire.
L’eau pompée dans
un réservoir peut
être utilisée comme
stockage à la place
d’une batterie (qui
est la composante la
plus coûteux, avec
une durée de vie la
plus courte).

Puissance requise du générateur photovoltaïque pour un système de
pompage photovoltaïque
La formule empirique
suivante est utilisée
couramment pour
estimer la
puissance requise du
générateur
photovoltaïque :
PPV= 11,6 x H x Q / G

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