CHAPITRE III :
DIMENSIONNEMENT DE
L'INSTALLATION
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Etude et dimensionnement d'un système solaire
photovoltaïque de secours pour l'administration du lycée polyvalent
de Ziniaré
Introduction
Le dimensionnement d'une installation est une étape du
projet d'installation solaire. Le but du dimensionnement du système est
d'avoir une production d'électricité la plus efficace pour
répondre aux besoins du client. Il s'agit donc de trouver un juste
milieu entre la production éventuelle de l'installation et la
consommation. Cette étape est primordiale car elle contribuera à
la satisfaction du client et surtout aura un impact sur la durée de vie
du système. Pour cela il faut évaluer les besoins du consommateur
afin de déterminer la puissance adéquate à installer.
I. Données géographique du
site
L'énergie produite par un générateur
photovoltaïque est estimée à partir des données de
l'irradiation globale sur un plan incliné, de la température
ambiante et des données du constructeur. Les données de
l'irradiation du milieu sont représentées dans le tableau
ci-dessous.
Tableau 2 : Irradiation globale horizontal de la ville de
Ziniaré
MOIS
|
Irradiation Globale Horizontale (kWh/m2/Jour)
|
Janvier
|
4.91
|
Février
|
5.41
|
Mars
|
5.92
|
Avril
|
6.20
|
Mai
|
6.02
|
Juin
|
6.09
|
Juillet
|
6.24
|
Août
|
5.66
|
Septembre
|
5.78
|
Octobre
|
5.63
|
Novembre
|
5.32
|
Décembre
|
4.69
|
|
Donnés du site : Source Application PVsyst
7.2.19
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NB : Nous retiendrons le mois le plus défavorable de
l'année comme base de calcul qui est ici le mois de décembre avec
un ensoleillement journalier de 4.69 kWh/m2/jour
La trajectoire du soleil au cours de la journée est
décrite dans la figure ci-dessous, ce qui permet de connaitre les
périodes de la journée ou la production du système sera au
minimum.
Figure 14 : Position du soleil au cours de la journée
II. Dimensionnement et choix des différents
éléments de l'installation
Il s'agira d'effectuer les calculs nécessaires afin de
déterminer la puissance globale à installer ainsi que la
puissance de chaque élément de l'installation et leurs
caractéristiques. La méthode de dimensionnement consiste à
déterminer la puissance crête nécessaire en tenant compte
du temps de fonctionnement journalier de chaque récepteur et de la
quantité d'énergie consommée. Les équipements
choisis doivent nécessairement permettre de garantir une fourniture
d'énergie suffisante sur une période donnée. Il nous
revient donc d'évaluer le besoin énergétique
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journalier afin de définir la puissance crête du
champ photovoltaïque, la capacité totale des batteries à
installer, les caractéristiques de l'onduleur et la section des
câbles.
II.1. Détermination de la puissance crête
à installer II.1.1. Estimation du besoin journalier
Tableau 3 : Tableau indiquant les caractéristiques des
récepteurs
Référence
|
Nombre
|
Puissance (w)
|
Lampes
|
22
|
18
|
Ventilateurs
|
9
|
75
|
Vidéo projecteur
|
2
|
120
|
Ordinateur de bureau
|
6
|
100
|
Ordinateur portable
|
2
|
60
|
Imprimante
|
4
|
90
|
Téléviseur
|
1
|
80
|
Photocopieuse
|
2
|
300
|
Cafetières
|
2
|
100
|
réfrigérateur
|
2
|
175
|
Lampe projecteur
|
2
|
100
|
|
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? le bilan de puissance
Tableau 4: Bilan des puissances des récepteurs
Récepteurs
|
Quantité
|
Puissance Unitaire (W)
|
Puissance totale
(W)
|
Lampes
|
22
|
18
|
396
|
Ventilateurs
|
9
|
75
|
675
|
Vidéo projecteur
|
2
|
120
|
240
|
Ordinateur de bureau
|
6
|
100
|
600
|
Ordinateur portable
|
2
|
60
|
120
|
Imprimante
|
4
|
90
|
360
|
Téléviseur
|
1
|
80
|
80
|
Photocopieuse
|
2
|
300
|
600
|
Cafetières
|
2
|
100
|
200
|
réfrigérateur
|
2
|
175
|
350
|
Lampe projecteur
|
2
|
100
|
200
|
Total
|
|
|
3271
|
|
? Consommation journalière
L'évaluation du besoin énergétique
journalier se fait en tenant compte de la puissance des récepteurs et du
temps d'utilisation de chaque récepteur. L'énergie
consommée journalière s'obtient par la formule :
Cj = P x t avec
Cj = Énergie consommée par
récepteur (Wh) ; T : le temps d'utilisation en(h) ;
P : Puissance du récepteur en (w).
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Tableau 5 : Besoin journalier de l'établissement
Récepteurs
|
Puissance
totale en
W
|
Durée de
fonctionnement par
jour en heure
|
Energie consommée en Wh
|
Lampes
|
396
|
8
|
3168
|
Ventilateurs
|
675
|
6
|
4050
|
Vidéo projecteur
|
240
|
8
|
1920
|
Ordinateur de bureau
|
600
|
8
|
4800
|
Ordinateur portable
|
120
|
2
|
240
|
Imprimante
|
360
|
5
|
1800
|
Téléviseur
|
80
|
10
|
800
|
Photocopieuse
|
600
|
3
|
1800
|
Cafetières
|
200
|
1
|
200
|
réfrigérateur
|
350
|
10
|
3500
|
Lampe projecteur
|
200
|
6
|
1200
|
Total
|
|
|
23478
|
|
? Calcul de la puissance crête
Cj
PC= K * Ej
Avec :
Pc : Puissante crête à
installer
Cj : Consommation journalière
Ej : Ensoleillement journalier du mois le
plus défavorable
K : facteur de correction prenant en compte
divers rendement K= Kp . Tbat . Treg . Tond
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Kp : Coefficient panneau et vaut 0.8
çbat : Rendement batterie ; Treg :
Rendement régulateur et Tond : Rendement onduleur
AN : Pc =
4.91*(0.8*0.9*0.85*0.9)
= 8681.31 Wc
23478
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La puissance totale à installer sera de 8681.31Wc
II.1.2. Choix des panneaux solaires
> Tension du système
La tension d'utilisation du système dépend de
la puissance crête maximale du champ photovoltaïque. Le tableau
ci-dessous donne les tensions normalisées en fonction des
différentes puissances.
Tableau 6 : Tension du système
Puissance des
modules
|
0-500Wc
|
500Wc- 2kWc
|
2kWc- 10kWc
|
>10kWc
|
Tension normalisée
|
12v
|
24v
|
48v
|
>48v
|
|
La puissance de notre système est située entre
2kwc et 10kwc donc la tension de notre système sera de 48
Vdc
II.1.4. Nombre de module à installer
Afin de constituer notre générateur
photovoltaïque, nous utiliserons des panneaux solaires de 300Wc chacun de
type monocristallin pour meilleur rendement.
> Nombre de module série
Ucharge 48
Nms = Nms =
Umodule 36.75
|
=1.32
|
|
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Nombre de module en série : 2 modules en série
> Nombre de module en parallèle
???? ????????.????
?????? = ????????*?????? ?????? = = ????. ???? ????
??????*??
Nombre de branche en parallèle : 15 branches en
parallèle > Nombre de module nécessaire
????= ??????* ?????? ????= ??* ????= ????
La puissance crête installée est le nombre de
module total multiplié par la puissance d'un
module Pc = 30 × 300WC = 9000Wc
II.1.5. Caractéristiques des panneaux solaires
Tableau 7 : Caractéristiques d'un panneau de 300Wc
Type de panneau
|
Panneau solaire monocristallin
|
Puissance
|
300WC
|
Courant de court-circuit
|
8.9A
|
Tension sortie
|
36.75V
|
Courant nominal
|
8.16A
|
Dimension
|
1690*1120*112mm
|
Poids
|
10.8Kg
|
|
II.1.6. Agencement des panneaux solaires
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9000 Wc
300Wc
300Wc
300Wc
300Wc
300Wc
300Wc
300Wc
Figure 15 : Agencement des panneaux solaires
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II.2. Détermination de la capacité des
batteries de stockage
La détermination de la capacité des
accumulateurs tient compte du nombre du jour d'autonomie désiré,
de la tension des batteries et du rendement de celles-ci.
Cj*Nj
C(Ah) =
(DM*Ubat*abat)
Avec :
C : Capacité du parc de batterie
Nj : nombre de jour d'autonomie (un jour
pour notre projet)
DM : décharge maximale de la batterie
(50 à 70%)
Ubat : tension de la batterie (48V)
çbat: rendement de la batterie
(85%)
23478*1
AN : C = (0.6*48*0.85)
La capacité totale des batteries de stockage est de
959Ah
|
= 959.068 Ah
|
|
II.2.1. Nombre totale des batteries d'accumulateurs >
Nombre de batterie en série
Ucharge
Nbs =
Ubat
= 48 = 4
12
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Nombre de batterie série : 4 Batteries en série
Nous avons choisi d'utiliser des batteries de 12V ; 250Ah
chacune. Nombre de branche en parallèle
C 959.068
·---:
Cbat = 250 = 3. 83
4
Nbp =
Nombre de branche parallèle : 4 branches parallèle
> Nombre totale de batterie
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Nt = Nbs * Nbp = 4 * 4 = 16
Nous installerons un parc de 16 batteries de 12V ; 250Ah
à savoir 4 en série avec 4 branches en parallèle pour
garantir l'autonomie désirée
II.2.2. Agencement des batteries
12V-250Ah
12V-250Ah
12V-250Ah
12V-250Ah
12V-250Ah
12V-250Ah
48V- 1000Ah
12V-250Ah
12V-250Ah
12V-250Ah
12V-250Ah
12V-250Ah
12V-250Ah
12V-250Ah
12V-250Ah
|
12V-250Ah
|
12V-250Ah
|
|
|
Figure 16 : Branchement des batteries
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II.2.3. Choix des batteries
Le tableau comparatif entre les batteries au plomb et les
batteries lithium ci-dessous nous permet de faire un meilleur choix en tenant
compte de la relation qualité/prix
Tableau 8 : Tableau comparatif des batteries
Batteries
|
Dure de vie
|
Avantages
|
Inconvénients
|
Les batteries Au plomb
|
4- 6 ans
|
-Accepte de fortes intensités en charge et
décharge
-Simple et facile à poser
-Pas d'entretien
-Technologie robuste : bonne résistance aux chocs et
vibrations
|
-Résiste peu aux fortes
températures
-Durée de vie très assez faible
|
Les batteries lithium
|
10 à 15 ans
|
-S'adapte au changement de température -Possède
une durée de vie élevée
-Elle peut se connecter au réseau AC pour
contrôler l'alimentation de l'installation
|
-Elle est très coûteuse et nécessite de
grand moyen pour son acquisition
|
|
Au vu des caractéristiques ci-dessus exposées
nous choisirons les batteries au plomb qui supportent mieux les hautes
températures. La température moyenne de fonctionnement sur le
site est estimée à 35°c.
II.2.4. Caractéristiques de batteries de stockage
Tableau 9 : Caractéristiques des batteries
Type de batterie
|
Batterie au plomb AGM Victron Energy
|
Capacité (Ah)
|
250AH
|
Tension
|
12V
|
Durée de vie à 25°c
|
4 à 7 ans
|
Dimension
|
L=522mm ; l=240mm ; h=224mm
|
Poids
|
67Kg
|
|
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II.3. Dimensionnement de l'onduleur
Le dimensionnement de l'onduleur doit tenir compte du courant
total du champ photovoltaïque, de la tension et de la puissance des
récepteurs que celui-ci doit alimenter.
II.3.1. Le courant de l'onduleur
Ce courant s'obtient en multipliant le nombre de branche
parallèle de module par le courant d'un module
Iond=Nmp . Imod AN : Iond= 15 x
8.16=122.4 A
L'onduleur que nous choisirons doit pouvoir supporter un courant
de 122.4 A II.3.2. Puissance de l'onduleur
La puissance de l'onduleur s'obtient en multipliant la
puissance totale des récepteurs AC par 3. La puissance totale des
récepteurs de l'établissement est de 3271W
P= 3271* 3= 9813W
Nous utiliserons donc un onduleur hybride de 10kVA ; 48Vdc ;
160A
II.3.3. Caractéristiques de l'onduleur
Tableau 10 : Caractéristiques de l'onduleur
Type de l'onduleur
|
Onduleur hybride EcoWatt monophasé
|
Puissance
|
10 KVA
|
Tension d'entrée
|
MPPT 48Vdc
|
Courant
|
160A
|
Tension de sortie
|
230V AC
|
Poids
|
12Kg
|
|
Source :
www.kitsolaire-discount.com
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III. Dimensionnement des câbles de
connexion
Le choix de la section des câbles est une étape
très importante car il contribue à l'efficacité du
système. Une section de câble mal dimensionnée peut
entrainer des graves dommages pour l'installation et expose à des
risques d'incendie.
Pour que les câbles soient adaptés au
système, la détermination de la section doit tenir de
l'intensité du courant à transporter, de la distance entre les
différents éléments et de la chute de tension. Pour cela
les différents fournisseurs proposent des tableaux permettant de choisir
la section des câbles adaptés en prenant en compte la tension,
l'intensité et la distance. Le générateur
photovoltaïque être le plus près possible du local technique
afin de limiter les chutes de tension.
III.1. Section normalisée des
câbles
? Section normalisée des câbles entre les
panneaux et l'onduleur pour une tension de 48Vdcc
Le choix de la section des câbles tient compte de la
distance et du courant qui va y circuler, cela permet de limiter les pertes par
effet joule. La section du câble d'alimentation entre les panneaux
solaires et l'onduleur doit être assez importante afin d'exploiter au
maximum possible la production du champ.
Tableau 11 : Choix de la section des câbles pour
l'alimentation Panneaux/onduleur
SECTION CÂBLE
|
Longueur des câbles
|
|
5m
|
7.5m
|
10m
|
0.75mm2
|
13.8A
|
6.6A
|
4 .8A
|
3.6A
|
1.5mm2
|
27A
|
13.8A
|
9A
|
6.6A
|
2.5mm2
|
45A
|
22.8A
|
15A
|
11.4A
|
4mm2
|
72A
|
36A
|
24A
|
18A
|
6mm2
|
108A
|
54A
|
36A
|
30A
|
10mm2
|
180A
|
90A
|
60A
|
48A
|
16mm2
|
288A
|
144A
|
96A
|
72A
|
|
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25mm2
|
450A
|
228A
|
150A
|
114A
|
35mm2
|
630A
|
318A
|
210A
|
156A
|
|
? Section normalisée des câbles entre
l'onduleur et les batteries pour une tension de 48Vdcc
La section du câble de liaison entre l'onduleur et les
batteries est importante car elle permet d'assurer la charge optimale des
batteries et ainsi augmenter leur durée de vie.
Tableau 12 : Choix de la section des câbles pour
l'alimentation onduleur/batteries
SECTION CABLE
|
Longueur de câble
|
|
5m
|
7.5m
|
10m
|
0.75mm2
|
9.2A
|
4.4A
|
3.2A
|
2.4A
|
1.5mm2
|
18A
|
9.2A
|
6A
|
4.4A
|
2.5mm2
|
30A
|
15.2A
|
10A
|
7.6A
|
4mm2
|
48A
|
24A
|
16A
|
12A
|
6mm2
|
72A
|
36A
|
24A
|
20A
|
10mm2
|
120A
|
60A
|
40A
|
32A
|
16mm2
|
192A
|
96A
|
64A
|
48A
|
25mm2
|
300A
|
152A
|
100A
|
76A
|
35mm2
|
420A
|
212A
|
140A
|
104A
|
|
III.2. Choix des sections de câbles
En considérant les tableaux ci-dessus nous avons choisis
d'utiliser les sections de câbles
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Tableau 13 : Section des conducteurs choisi
Utilisation
|
Section (mm2)
|
Longueur (m)
|
Matériaux
|
Panneaux Onduleur
|
35
|
15
|
cuivre
|
Onduleur Batterie
|
16
|
5
|
cuivre
|
|
IV. Récapitulatif du dimensionnement
Tableau 14 : Récapitulatif du dimensionnement
Références
|
Caractéristiques
|
Puissance
|
Panneaux solaires
|
300Wc ; 30 modules
|
9000Wc
|
Batteries de stockage
|
250Ah ; 12v ; 16 unités
|
1000Ah ; 48v
|
Onduleur
|
Hybride monophasé
|
10Kva ; 48Vdc/230Vac ; 160A
|
Câble panneau- onduleur
|
Cuivre
|
2*35mm2 ; 15m
|
Câble onduleur-batterie
|
Cuivre
|
2*16mm2 ; 5m
|
|
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Figure 17 : Synoptique de l'installation
V. Maintenance des équipements
La maintenance d'un équipement est définie dans
la norme de l'AFNOR par "l'ensemble des actions permettant de maintenir ou de
rétablir un bien dans un état spécifié ou en mesure
d'assurer un service déterminé". Ainsi la maintenance garantit le
niveau de production d'électricité attendu de l'installation
photovoltaïque tout au long de sa durée de vie.
On distingue la maintenance préventive et la maintenance
curative.
- La maintenance préventive : Elle consiste à
effectuer des opérations de contrôles et d'entretiens ;
- La maintenance corrective : elle consiste à intervenir
pour éliminer un défaut ou une panne
Bien que la technologie photovoltaïque ne possède
pas d'éléments mobiles et donc fait preuve d'une grande
fiabilité, l'investissement important au départ s'attend à
une grande longévité du système afin de garantir sa
rentabilité. La maintenance préventive et corrective de
l'installation
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s'effectue sur l'ensemble des équipements et sur son
environnement proche. Elle permet avant tout de prévenir ou de corriger
les défauts de l'installation photovoltaïque.
V.1. Le générateur
photovoltaïque
La maintenance du générateur
photovoltaïque se résume à l'inspection visuelle des
modules, à leur nettoyage et à leur remplacement en cas de
défaillance. Il peut s'agir d'une inspection. L'inspection visuelle du
générateur photovoltaïque permet de s'assurer de
l'état de propreté des modules et de repérer certaines
anomalies. Généralement effectuée annuellement dans le
cadre d'une petite installation, elle peut être programmée
différemment pour une plus grande installation selon les recommandations
d'un système de supervision.
Quelques opérations peuvent mener comme le nettoyage :
Le nettoyage des modules permet de supprimer la crasse et de
retrouver le niveau de production d'électricité d'origine. La
fréquence de nettoyage est très variable selon les installations
photovoltaïques. Elle dépend de l'environnement et de l'inclinaison
du système.
V.2. L'onduleur
La maintenance de l'onduleur d'une installation
photovoltaïque est primordiale. En effet, l'onduleur est la pièce
centrale de l'installation, il doit donc être entretenu et
contrôlé au moins une fois par an.
Sa maintenance consiste à :
V' Garder le local où se situe le ou les onduleurs propre
;
V' Dépoussiérer l'onduleur au niveau des
entrées d'air, ses filtres, et s'assurer que les
grilles de ventilations ne soient pas obstruées ;
V' Vérifier que les câbles de connexion AC et DC
sont correctement serrés ;
V' S'assurer que le local technique est bien ventilé
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