Taille des panneaux solaires et des batteries pour les systèmes hors réseau

Pourquoi un dimensionnement solaire approprié est important

Si vous sous-dimensionnez un système solaire, vous aurez affaire à des batteries déchargées et à des utilisateurs en colère. Si vous le surdimensionnez, vous n'aurez plus qu'à dépenser de l'argent pour acheter des panneaux et des batteries inutiles, ce qui signifie également un surcroît de poids, un véritable casse-tête lorsque vous transportez du matériel vers un site de répéteurs isolé au sommet d'une montagne ou que vous essayez de maintenir le déploiement d'un capteur de champ léger. Bien faire les calculs dès le départ vous permet d'éviter ces deux modes de défaillance.

Le principal problème de dimensionnement est en fait simplement un équilibre énergétique. Vous devez générer au moins autant d'énergie par jour que vous n'en consommez, plus une certaine marge en cas de temps nuageux et de pertes inévitables liées au matériel réel. La plupart des ingénieurs passent outre cette analyse minutieuse et se contentent de deviner, puis se demandent pourquoi leur système tombe en panne chaque hiver ou pourquoi ils ont dépensé le double de ce dont ils avaient besoin. Passons en revue l'ingénierie correctement, puis prenons un exemple réel avec des chiffres réels.

Le bilan énergétique

Commencez par l'équation fondamentale. Votre demande énergétique quotidienne$E_{\text{day}}$en wattheures est de :

§ 0§

où$P_{\text{load}}$est la puissance de charge moyenne en watts et$t_{\text{on}}$est le nombre d'heures par jour pendant lesquelles la charge fonctionne réellement. Si quelque chose fonctionne 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, alors$t_{\text{on}} = 24$. C'est assez simple.

Maintenant, c'est là que ça devient intéressant. Le panneau solaire doit produire cette énergie pendant toutes les heures d'ensoleillement disponibles. L'indicateur clé est Heures de pointe d'ensoleillement (PSH) , soit le nombre équivalent d'heures par jour à pleine irradiance$1000 \, \text{W/m}^2$. Considérez cela comme une compression de la lumière solaire variable de la journée en une période équivalente à une intensité maximale. Ce chiffre varie énormément en fonction de l'endroit où vous vous trouvez et de la météo :

• Faible (climats nuageux/nordiques) : environ 3 heures
• Moyenne (zones tempérées) : environ 5 heures
• Élevé (désert/équatorial) : jusqu'à 7 heures ou plus

La puissance requise du panneau$P_{\text{panel}}$devient :

§ 1§

Ce terme$\eta_{\text{sys}}$est crucial car il tient compte de toutes les pertes que vous pourriez subir dans le monde réel. Résistance du câblage, inefficacité du régulateur de charge, réduction de la température des panneaux et dégradation progressive des panneaux au fil du temps. Un facteur d'efficacité du système se situe généralement entre$0.75$et$0.85$. Notre calculateur utilise le$0.80$comme solution intermédiaire pratique qui fonctionne pour la plupart des installations sans être trop pessimiste.

Dimensionnement du banc de batteries

Les batteries permettent à votre système de fonctionner lorsque le soleil ne coopère pas. La capacité dont vous avez besoin dépend du nombre de jours d'autonomie que vous souhaitez. En gros, combien de jours nuageux consécutifs votre système peut-il survivre sans aucun apport solaire.

L'équation de capacité de la batterie est la suivante :

Ici,$V_{\text{sys}}$est la tension de votre système (généralement 12 V, 24 V ou 48 V) et le DOD est la profondeur de décharge maximale que vous autorisez. Ce chiffre dépend fortement de la composition chimique de votre batterie. Pour les batteries au plomb traditionnelles, vous limitez généralement le DOD à$0.50$pour éviter de les tuer prématurément. Déchargez-les régulièrement plus profondément et vous les remplacerez bien plus tôt que vous ne le souhaiteriez. Les batteries LiFePO4 sont plus tolérantes et vous pouvez les pousser jusqu'à$0.80$ou même plus. Notre calculateur suppose que$0.50$est la valeur par défaut prudente, ce qui fonctionne pour toutes les substances chimiques et vous permet de l'ajuster en fonction de ce que vous utilisez réellement.

Courant du contrôleur de charge

Le régulateur de charge se trouve entre vos panneaux et la batterie et régule le flux de courant pour éviter les surcharges. Vous devez le dimensionner correctement, sinon vous endommagerez les batteries ou vous perdrez la capacité du panneau. Le courant nominal minimum du régulateur de charge est de :

Ce facteur de sécurité$1.25$provient directement de la norme NEC 690.8 et il existe pour une bonne raison. Les panneaux solaires peuvent dépasser brièvement leur puissance nominale par temps froid et clair, en particulier en raison des effets de réflexion sur les bords des nuages. J'ai vu des panels dépasser de 15 à 20 % leur note nominale dans les bonnes conditions. Dimensionnez votre manette pour le pire des cas, et non pour les cas classiques.

Exemple concret : station météo distante

Dimensionnons un système complet pour une station météo distante qui consomme 15 W en continu. Il s'agit d'un scénario réaliste : vous avez des capteurs, un microcontrôleur, peut-être un petit émetteur radio, qui fonctionnent tous 24 heures sur 24, 7 jours sur 7 sur le terrain.

Paramètres donnés :

• Puissance de charge :$15 \, \text{W}$- Cycle de service : 24 heures par jour (fonctionnement continu)
• Situation : climat tempéré (PSH moyen = 5)
• Tension du système :$12 \, \text{V}$- Jours d'autonomie : 3
• Efficacité du système :$0.80$- DOD maximum :$0.50$Étape 1 — Calculez la consommation d'énergie quotidienne :
  $$E_{\text{day}} = 15 \, \text{W} \times 24 \, \text{h} = 360 \, \text{Wh}$$
  Vous consommez donc 360 wattheures par jour. Ce n'est pas énorme, mais ça s'additionne.

Étape 2 — Déterminer la puissance requise du panneau :

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Un seul panneau de 100 W est le choix évident à cet égard. Cela vous donne une marge d'environ 11 % par rapport au minimum calculé, ce qui est une bonne pratique. Cette marge supplémentaire explique la dégradation des panneaux au fil du temps et des conditions météorologiques pires que la moyenne.

Étape 3 — Calculez le courant du panneau dans la batterie :

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Il s'agit du courant qui circulera de votre panneau vers le régulateur de charge pendant les pics d'ensoleillement.

Étape 4 — Dimensionner le parc de batteries :

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Deux batteries au plomb à décharge profonde de 100 Ah en parallèle répondraient parfaitement à cette exigence. Vous pouvez également utiliser une seule batterie de 200 Ah si vous pouvez en trouver une à un prix raisonnable. Pour une installation plus compacte, une seule batterie LiFePO₂ de 180 Ah fonctionnerait parfaitement, même si cela vous coûtera plus cher à l'avance.

Étape 5 — Sélectionnez le courant nominal du régulateur de charge :

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Un régulateur de charge PWM ou MPPT de 10 A gère cela confortablement avec une marge. Si vous optez pour un panneau de 100 W (qui a généralement un$I_{\text{mp}}$d'environ 5,5 A à sa puissance maximale lors de l'alimentation d'un contrôleur MPPT), un contrôleur 10 A est plus que suffisant. Vous pourriez même vous en tirer avec une manette 8 A en un clin d'œil, mais pourquoi la couper si près ?

Conseils de conception pratiques

La tension du système est plus importante que la plupart des gens ne le pensent. Des tensions plus élevées signifient des courants plus faibles pour la même puissance, ce qui se traduit par des fils plus fins et une réduction spectaculaire des pertes$I^2R$. Cela devient critique lorsque vous avez des câbles de plus de quelques mètres. Un système 48 V réduit votre courant au quart de ce que vous verriez à 12 V pour le même niveau de puissance. Les économies réalisées sur les câbles peuvent à elles seules financer la conversion de la tension dans les grands systèmes. Ne perdez pas de temps les jours d'autonomie. Pour les systèmes critiques (répéteurs de télécommunications, réfrigération médicale, caméras de sécurité, tout ce dont les temps d'arrêt coûtent de l'argent ou de la sécurité), vous souhaitez bénéficier de 3 à 5 jours d'autonomie en standard. Pour les projets de loisirs non critiques ou les configurations expérimentales, vous pourriez vous en tirer avec 1 à 2 jours. Mais soyez honnête avec vous-même quant à ce qui se passe si le système tombe en panne. Tenez compte des variations saisonnières si vous concevez pour fonctionner toute l'année. Aux latitudes tempérées, les valeurs PSH hivernales peuvent chuter à 2 ou 3 heures, parfois moins. Si vous dimensionnez votre système en fonction d'une moyenne annuelle de 5 heures, tout ira bien en été mais vous aurez du mal en décembre. Le réglage PSH « faible » de la calculatrice est parfait pour cette analyse du pire des cas. Taille pour l'hiver, profitez du surplus en été. La température détruit la production des panneaux. Les panneaux en silicium cristallin perdent environ 30 § par degré Celsius au-dessus de 25 °C. Dans un environnement désertique chaud où la température des cellules atteint 60 °C, votre panneau de 100 W peut ne fournir que 85 W. Le facteur d'efficacité du système couvre partiellement ce chiffre, mais pour les environnements extrêmes (déserts, installations tropicales, partout où les températures sont élevées et soutenues), ajoutez un déclassement explicite. J'ai vu des systèmes en Arizona sous-performer de 20 % parce que personne n'a correctement pris en compte le coefficient de température. Contrôleurs MPPT par rapport aux contrôleurs PWM. Pour les petits systèmes 12 V, un simple contrôleur PWM convient souvent et coûte moins cher. Mais si vous utilisez des tensions plus élevées ou si vous rencontrez un décalage important entre la tension du panneau et la batterie, un contrôleur MPPT extrait 20 à 30 % d'énergie en plus des mêmes panneaux. Le coût supplémentaire est amorti grâce à la réduction du nombre de panneaux requis.

Essayez-le vous-même

Évitez les maux de tête liés aux feuilles de calcul et ouvrez le calculateur de taille des panneaux solaires pour générer vos propres chiffres. Branchez l'alimentation de votre charge, sélectionnez vos heures d'ensoleillement maximales et la tension du système, définissez vos exigences d'autonomie, et vous obtiendrez instantanément la puissance du panneau, la capacité de la batterie et le courant du régulateur de charge. C'est le moyen le plus rapide de vérifier l'intégrité d'une conception avant de commencer à vous procurer des composants ou de vous engager dans une configuration particulière. Ajustez les paramètres, observez ce qu'il advient de votre dimensionnement et trouvez le juste équilibre entre coût et fiabilité pour votre application spécifique.