A. Etude de cas : Dimensionnement de centrales de
production décentralisée par énergie solaire
La région de l'Est du Cameroun est popiste au
développement des centrales hybrides c'est-à-dire solaires et
groupe électrogène. Afin de tirer profit des équipements
électriques producteurs d'énergie électrique à base
de l'énergie fossile existent déjà dans la région,
le jumelage à celui-ci des centrales solaire constituera une
opportunité de renforcer la capacité de production du
réseau de la région.
Lorsqu'on est vraiment très loin du réseau, des
solutions d'extension ne sont plus envisageables pour alimenter les maisons ou
même des villages isolés. La comparaison économique est
alors faite entre plusieurs solutions d'électrification : un groupe
électrogène (GE), une centrale hydroélectrique si le site
le permet, une centrale à bois, une centrale solaire ou des
générateurs solaires individuels.
Le système (Annexe 6)
reproduit la structure d'un système de génération
électrique hybride, une partie de l'installation est alimentée
par un système photovoltaïque, l'autre partie comprenant les
éléments de fortes puissances est alimentée grâce
à un groupe électrogène (G.E.).
L'élément central de l'installation est un
onduleur-chargeur connecté au panneau de contrôle non
schématisé ici mais representé en (Annexe
5) qui gère pratiquement tout le transfert de
l'énergie électrique, c'est à dire :
? La charge des batteries à partir des panneaux ou du 230
V AC généré par le G.E.
? La conversion de la tension continue de la batterie en 230 V AC
destiné aux récepteurs.
51
? La surveillance des surcharges ou du bas niveau des batteries
(dans ce cas démarrage automatique du G.E.)
Les services énergétiques qui alimentent ce
modèle d'électrification découlent de trois sphères
: les services Collectifs/Publics, les services domestiques, services
productifs.
A travers la vulgarisation de l'usage des PV dans la
région de l'Est il va apparaitre deux types de producteurs
d'énergie : L'autoproduction est constituée de la production par
groupe électrogène, par centrale photovoltaïque ou par
centrale hybride (photovoltaïque/groupe électrogène) et le
producteur électrique national.
Toutes les localités situées à une
distance de l'ossature existante supérieure à (d) doivent
être électrifiées avec la solution auto production la moins
coûteuse ;
Toutes les localités situées à une
distance inférieure à (d) doivent être
interconnectées à l'ossature existante (ou celle née de la
progression de ladite ossature).
Pour le développement de structures d'autoproduction,
la conception et la planification du projet d'électrification rural
s'appuie sur trois catégories-types de localités, «grands
villages» de plus de 1000 habitants, «villages moyens» entre 500
et 1000 habitants et «petits villages» de mois de 500 habitants;
ainsi que sur une typologie de consommateurs, les infrastructures sociales
(type école, dispensaire, mosquée, etc...), l'éclairage
public, le pompage et les autres usages moteurs. Les usagers de type commercial
(commerces, services) sont considérés déjà pris en
compte au sein des usagers domestiques.
L'électrification des consommateurs s'effectue soit par
raccordement à un réseau classique de distribution (en principe
en coeur de village), soit par système solaire individuel (dans les
abords de village ou dans les communautés où la demande est
excessivement faible et dispersée).
Dès lors qu'il y a réseau de distribution,
celui-ci est alimenté par raccordement au grand réseau lorsque
cela est économiquement viable, et sinon par autoproduction locale
(prise en gérance ou rachat d'un équipement existant ou mise en
place d'un groupe spécifique).
a) Calcules pour le dimensionnement d'une installation
photovoltaïque autonome
Pour faire les bons choix quand on s'équipe d'une
source d'énergie autonome, il est important de faire un bon
dimensionnement. Pour une installation photovoltaïque autonome, il y a 6
étapes à respecter :
Etape 1 : La première
d'entre elles consiste à déterminer le moment où vous avez
besoin d'électricité, et à mesurer votre consommation.
Cette étape comporte peu de calculs, mais demande relativement beaucoup
de réflexion car une erreur à ce stade faussera vos
résultats jusqu'à la fin. Si la consommation est
surestimée, l'installation sera trop grande et vous coûtera cher.
En revanche, si vous la sous-estimez, le matériel ne sera pas
adapté et s'usera plus vite. Plus votre consommation est
régulière, plus le dimensionnement sera simple.
Cas No1 : Cet exemple
ne comporte qu'un seul cycle de consommation, de début juin à fin
septembre. On peut considérer que la période de charge dure 8
mois (d'octobre à mai) et que la période de décharge dure
4 mois.
Il faut donc approfondir un peu, et se demander si quatre mois
les habitants sont au même endroit ou s'il se déplacent durant
cette période. Il faut également se demander à quelle
fréquence est-il disposé à recharger les batteries (par le
biais d'une borne ou de l'alternateur). Dans notre cas, les habitants restent
rarement plus d'une semaine au même endroit en juin et septembre (ils
font des visites, vont voir de la famille, ...), mais ils passent la
totalité de juillet et août au même endroit. Durant cette
période, ils sont disposés à recharger leur batterie tous
les 10 jours.
L'installation photovoltaïque autonome permettra
d'alimenter l'éclairage, un poste radio, une petite
télévision, un petit réfrigérateur et la recharge
d'un téléphone portable :
Ampoule basse consommation : 11 W
52
Poste radio : 45 W
Télévision : 80 W
Réfrigérateur : 300 Wh par jour
Téléphone portable : 20 Wh par jour
Les ampoules sont au nombre de 3, mais elles ne fonctionnent
pas toutes autant et en même temps. On peut
cependant dire qu'elles sont utilisées en moyenne 2h
chacune. La télévision est utilisée 2h par jour et le
poste radio 5h. Les besoins quotidiens en
électricité sont donc les suivants :
3 Ampoules x 11 Watts x 2 heures = 66Wh
1 Poste radio x 45 Watts x 4 heures = 180Wh
1 Télévision x 80 Watts x 2 heures = 160Wh
1 Réfrigérateur x 300Wh = 300Wh
1 Téléphone x 20Wh = 20Wh
TOTAL = 66 + 180 + 160 + 300 + 20 = 726 Wh par
jour
En résumé, notre couple consommera 726Wh x 7j =
5082Wh par semaine en juin et septembre, et
726Wh x 10j = 7260Wh tous les 10 jours en juillet et
août.
Cas No2 :
Prenons l'exemple d'une habitation de montagne dont les propriétaires
n'y séjournent
que pendant les vacances.
Cette maison n'est habitée que ponctuellement, une
semaine courant février, deux semaines début août et
parfois une semaine supplémentaire (fin octobre /
début novembre). Les cycles de consommation sont donc
les suivants :
Charge du 15 novembre au 10 février (environ 85
jours)
Décharge en 1 semaine (7 jours)
Charge du 1er mars au 31 juillet (environ 150 jours)
Décharge du 1er août au 15 août (15
jours)
Charge du 15 août au 20 octobre (environ 65 jours)
Décharge en 1 semaine (7 jours)
Il n'est pas utile de compter le nombre de jour exact pour
chaque période. Avoir une durée de charge un
peu plus petite que la réalité permet de
s'adapter aux aléas du calendrier (d'une année sur l'autre les
dates
des vacances changent).
L'installation photovoltaïque permettra d'alimenter
l'éclairage de la maison, la recharge des appareils
portables (téléphone et ordinateur), un poste
radio ainsi qu'un petit réfrigérateur :
Ampoule basse consommation : 11 W
Téléphone portable : 150 Wh par semaine
Ordinateur portable : 300 W
Poste radio : 50 W
Réfrigérateur : 320 Wh par jour
Les ampoules sont au nombre de 8, mais elles ne fonctionnent
pas toutes autant et en même temps. On peut
cependant dire qu'elles sont utilisées en moyenne 2h
chacune en Février et 1h en Juillet. L'ordinateur est
utilisé 2h par jour et le poste radio 6h. Les besoins
en électricité pour une semaine sont donc les suivants :
Février
8 ampoules x 11 Watts x 2 heures x 7 jours= 1232Wh
Téléphone = 150Wh
1 Ordinateur x 300 Watts x 2 heures x 7 jours = 4200Wh
1 Poste radio x 50 Watts x 6 heures x 7 jours = 2100Wh
1 réfrigérateur x 320 Wh x 7 jours = 2240Wh
TOTAL = 1232 + 150 + 4200 + 2100 + 2240 = 9922Wh
par semaine
Juillet
53
8 ampoules x 11 Watts x 1 heures x 7 jours= 616Wh
Téléphone = 150Wh
1 Ordinateur x 300 Watts x 2 heures x 7 jours = 4200Wh
1 Poste radio x 50 Watts x 6 heures x 7 jours = 2100Wh
1 réfrigérateur x 320 Wh x 7 jours = 2240Wh
TOTAL = 616 + 150 + 4200 + 2100 + 2240 = 9306Wh par
semaine
En résumé, pour les vacances de février nous
disposons de 85 jours de charge et 7 jours de décharge
pendant lesquels nous consommerons 9922Wh. Pour les vacances de
juillet nous disposons de 150 jours
de charge et 15 jours de décharge pendant lesquels nous
consommerons 9306 ×2 = 18612 Wh. Enfin, pour
les vacances d'Octobre nous disposerons de 65 jours de charge et
7 jours de décharge pendant lesquels
nous consommerons 9922Wh.
Etape 2 : Avec les
données de la première étape, il vous sera possible de
connaître la quantité de modules photovoltaïques
nécessaires (2ème étape). L'ensoleillement varie selon la
région et l'époque de l'année. Vous devez localiser votre
installation sur une carte afin de savoir quelle quantité
d'électricité vos modules peuvent produire. Une fois
localisée, il suffit de relever le coefficient d'ensoleillement
correspondant. Les modules vont produire de l'électricité qui
sera stockée dans les batteries pendant toute la durée de la
charge. Mais ils vont également en produire durant la décharge.
Le temps dont vous disposez pour produire toute l'électricité est
donc égal à la somme des deux (en reprenant notre exemple de la
première étape : charge/décharge en 1 jour,
charge/décharge en 7 jours, ou charge/décharge en 105 jours). Il
faut donc diviser vos besoins en énergie (deuxième
résultat de la première partie: 250Wh par jour, 500 Wh en un
weekend, ou 3750Wh en deux semaines) par la durée du cycle
charge/décharge. Exemple :
250Wh / 1j = 250Wh/j
500Wh / 7j = 71,4Wh/j
3750Wh / 105j = 35,7Wh/j
Vous venez de calculer la quantité d'énergie que
les modules doivent produire chaque jour. Pour connaître la "puissance
crête" à installer, il ne reste plus qu'à diviser ce
nouveau résultat par le coefficient d'ensoleillement.
Exemple pour Bordeaux en été, avec un coefficient
qui est de 6
250/6 = 42Wc de modules
71,4/6 = 12Wc de modules
35,7/6 = 6Wc de modules
Dans les deux cas (utilisation continue et périodique),
les calculs peuvent être affinés en tenant compte de l'inclinaison
et de l'orientation des modules, ainsi que des pertes engendrées par la
chaleur et le matériel. Nous vous recommandons de lire les articles
consacrés à ces sujets.
Etape 3 : La première
étape vous permettra également de calculer la quantité de
batteries (3ème étape). L'énergie qu'il faut stocker
dépend directement de la périodicité de votre
consommation. Autrement dit, il vous faudra beaucoup moins de batteries si vous
consommez un peu d'électricité tous les jours (consommation
régulière) que si vous consommez tout en quelques jours (par
exemple pendant les vacances), et cela même si dans les deux cas vous
avez consommez la même quantité. Le calcul de la capacité
des batteries.
Énergie stockée = (consommation
pendant la décharge + pertes du système) - (production
journalière des modules x nombre de jour de
décharge)
L'énergie que doivent emmagasiner les batteries
correspond à toute l'énergie produite par les modules pendant la
période de charge. Quand les résidants consommeront de
l'électricité, c'est à dire durant la
54
période de décharge (les vacances), les modules
continueront à fabriquer de l'énergie qui sera directement
utilisée. Ce qui doit être stocké ne correspond donc pas
à la consommation totale.
Pour connaître cette quantité, il suffit de
multiplier le nombre de jour de décharge par la production moyenne du
module à cette époque, et de soustraire ce résultat
à la consommation totale:
Quantité = Consommation totale (en Wh) -
(durée de la décharge (en j) X puissance du module (en Wc) X
coefficient d'ensoleillement)
Vacances de février: 9922 Wh - (7 jours x 39Wc x 2,8) =
9166 Wh.
Vacances Juillet : 18612 Wh - (15 jours x 39 Wc x 4) = 16272
Wh.
Vacances de la Octobre : 9922 Wh - (7 jours x 39 Wc x 4) = 8830
Wh.
On peut constater que le choix du module avait
précédemment était fait en fonction des vacances de
février, mais cette fois, le choix des batteries doit se faire en
fonction des vacances de juillet. En effet, c'est pour cette période que
le plus d'énergie doit être stockée. Nous avons besoins
d'une batterie (ou d'un ensemble de batteries) d'une capacité de 16272Wh
minimum.
La capacité s'exprime davantage en Ampère-heure
(Ah). Pour convertir les Wh en Ah, il suffit de les diviser par la tension du
système. Le choix de la tension fait partis du dimensionnement, et nous
ne l'avons pas encore décidé. Cependant, puisqu'il s'agit d'une
installation de petite taille, nous allons faire nos calculs avec une tension
de 12VDC (ce qui est très courant comme valeur). Le résultat est
donc de 16272Wh / 12V = 1356Ah.
Quantité d'énergie théorique
à stocker = production journalière des modules Xdurée de
la charge
(2.4)
Pour une utilisation régulière la capacité
de la batterie vaut :
Quantité d'énergie à
stoker(Wh) X Autonomie (journée)
Capacité (Ah) =
Profondeur de décharge(%) X Tension des
batteries
Ou bien
Quantité d'énergie à stoker(Ah)
X Autonomie (journée)
(2.5
Capacité (Ah) =
Profondeur de décharge(%)
Pour finir, nous allons choisir une profondeur de
décharge à ne pas dépasser afin de prolonger la
durée de vie des batteries. Le meilleur compromis se situe entre 60 et
80% de décharge, sachant qu'il sera toujours possible d'aller
au-delà en cas de problème ou de consommation inattendue
(situation à éviter au maximum car elles se rechargent
lentement). Au final, nous choisirons donc une batterie d'une capacité
minimum de 1356Ah / 0,75 = 1808Ah.
L'autonomie et la profondeur de décharge n'ont pas
vraiment la même fonction, mais elles permettent toutes les deux d'avoir
une marge de sécurité en cas de gros imprévu. Il n'est
donc pas nécessaire de les cumuler. Par exemple, si on choisit une
autonomie de 4 jours dans le cadre d'une utilisation continue, la profondeur de
décharge ne dépassera jamais 20% étant donné qu'il
y aura toujours 4 jours d'énergie stockée d'avance. En cas de
problèmes, il n'est pas dramatique de vider entièrement les
batteries à partir du moment où cela reste relativement rare.
Pour les installations dont l'utilisation sera périodique (weekend,
vacances), la profondeur de décharge peut également servir de
réserve d'urgence et remplacer l'autonomie. En effet, rien
n'empêche la batterie de se vider complètement : la profondeur de
décharge n'est qu'un seuil que l'on
capacité Wh
( )
choisit de ne pas dépasser dans le cadre d'une utilisation
normale.
capacité Ah
( ) ?
tension batteries
( )
Jusqu'à présent nous avons utilisé le Wh
comme unité dans nos calculs, mais la capacité d'une batterie
s'exprime davantage en Ampère-heure (Ah). Pour convertir vos
résultats, il suffit de les diviser par la
tension des batteries : (2.6)
55
Etape 4 : La quatrième
étape a pour objectif de dimensionner le régulateur de charge.
Cette étape ne comporte aucun calcul, mais il existe une grande
variété de régulateurs qui diffèrent selon leurs
options, leurs fonctions et leur puissance. Il faudra donc prendre le temps de
consulter et de choisir sur le marché celui qui sera le mieux
adapté à votre situation. Il existe deux types de
régulateurs : les régulateurs de charge, et les
régulateurs de charge/décharge.
Etape 5 : Le choix du
convertisseur de courant est la cinquième étape. Il s'agit avant
tout de savoir si cet appareil vous est indispensable ou non. En effet, votre
installation peut déjà fournir du courant continu 12, 24 ou
48VDC, et certains appareils fonctionnent avec du 12VDC. Il n'est peut
être pas nécessaire de transformer votre courant continu en
alternatif. Le convertisseur de courant se dimensionne en fonction de plusieurs
critères :
? La tension d'entrée : c'est la même que la
tension des batteries ou du régulateur (12, 24 ou 48V DC). ? La tension
de sortie : nous utilisons du 220/230 VAC, 50Hz.
? La puissance nominale : c'est la puissance dont les
appareils qui consomment votre électricité ont besoin pour
fonctionner de façon "normale". Pour connaître cette puissance
nominale, il suffit de faire la somme des puissances des appareils
électriques. Il faut toujours choisir un convertisseur dont la puissance
est légèrement supérieure à celle des appareils.
? La puissance maximale : l'onduleur est capable de fournir
une grande puissance sur un court laps de temps (généralement 2
ou 3 fois la puissance nominale). Cette particularité est utile pour les
appareils qui possèdent un moteur (réfrigérateur,
micro-onde, lave linge, ...), car leur consommation augmente très
fortement lors du démarrage. En général, si vous avez
correctement dimensionné la puissance nominale, la puissance maximale
est suffisante.
? Le rendement : Une partie de l'électricité
transformée est consommée par le convertisseur de courant (entre
80 et 95% de l'énergie est restituée). Il est important de
contrôler ce rendement, sachant qu'un bon produit se situe autour de 90%.
De plus, la plupart des convertisseurs consomment de l'énergie
même lorsqu'ils ne fonctionnent pas. Heureusement, certains sont
équipés d'un système de marche/arrêt qui permet de
grandes économies dans les petites installations
photovoltaïques.
Etape 6 : Enfin, le
dimensionnement de votre installation photovoltaïque autonome sera
terminé lorsque vous aurez calculé la section des câbles
électriques transportant l'énergie (6ème étape).
Une section trop petite augmente la résistance et la température
du câble, ce qui réduit la puissance de l'installation. Pour
assurer le transport de l'énergie des modules jusqu'au régulateur
de charge, on ne peut pas utiliser n'importe quel câble
électrique. Les câbles solaires sont étudiés pour
résister aux conditions spéciales liées à leur
utilisation. Ils sont les seuls à pouvoir assurer une longue
durée de vie (supérieure à 30 ans) tout en minimisant les
pertes d'énergie. Les câbles ordinaires, même s'ils sont
conçus pour un usage extérieur, ne supportent pas aussi bien les
variations de température (pouvant aller de -20°C à
80°C à proximité des modules), ainsi que l'exposition aux
rayons ultra violets et à l'ozone. Tout cela en restant souples et
maniables. Ils sont équipés dans la majorité des cas d'une
double isolation et ne possèdent pas de substances inflammables
(halogène) ce qui accroît leur sécurité.
Pour faire ce dimensionnement, nous avons besoin de
connaître l'intensité du courant qui circule dans ces
câbles. Nous savons déjà qu'entre le module et les
batteries, il ne peut y avoir plus de 3A. C'est le maximum que peut produire le
module, et c'est la capacité que nous avons choisis pour le
régulateur. Nous savons également que la puissance entre les
batteries et les appareils électrique est de 630W maximum (lors des pics
de consommation), soit 630/12 = 52,5A. Nous avons dimensionné l'onduleur
pour cette intensité.
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La configuration de l'installation photovoltaïque
autonome est la suivante : les modules se trouvent à 5 mètres de
l'habitation de montagne, pour profiter d'une bonne exposition. Les
propriétaires ont prévu de placer le régulateur, les
batteries et l'onduleur dans leur sous-sol, à proximité les uns
des autres. Il y aura donc 8 mètres de câbles entre le module et
les batteries, plus 2 mètres entre les batteries et l'onduleur. Le but
est de réduire les pertes à moins de 3% de l'énergie
produite (maximum conseillé).
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