DIMENSIONNEMENT SOLAIRE - METHODE 1 - Version Date Rédacteur Modifications / Commentaires 1.0 25/02/11 Julien Turpin Création du document Table des matières I. Introduction... 2 II. Dimensionnement de batteries... 2 A. En théorie... 2 1. Détermination de l énergie/jour du système instrumental Etotal Sx/jour... 2 2. Détermination de la charge de la batterie à utiliser Qbat... 3 B. En pratique... 3 1. Détermination de la consommation de chaque système instrumental... 3 2. Détermination de l énergie totale par jour de chaque système instrumental... 4 3. Détermination de la charge des batteries à utiliser... 4 III. Dimensionnement de panneaux solaires et du régulateur... 4 A. En théorie... 4 1. Détermination de la puissance théorique des cellules photovoltaïques du système à énergie solaire Wmodule théorique... 4 2. Détermination du nombre z de panneaux solaires à utiliser sur le site... 5 3. Détermination des courants d entrée et de sortie du régulateur... 5 B. En pratique... 6 1. Détermination de la puissance théorique des cellules photovoltaïques du système à énergie solaire Wmodule théorique sous H... 6 2. Détermination du nombre de panneaux solaires, noté zsous H, à utiliser sur le site 6 3. Détermination des courants d entrée et de sortie du régulateur... 7 IV. Conclusion... 7 DimensionnementSolaire-Méthode1 1/7 DIMENSIONNEMENT SOLAIRE - METHODE 1
I. Introduction Ce document propose une méthode permettant de définir le type de panneaux solaires et la capacité de la (ou des) batterie(s) à utiliser sur une installation en milieu isolé. Pour une batterie, il faut au préalable : identifier le nombre d élément actif présent sur votre installation déterminer leur consommation respective et leur durée d utilisation journalière avoir une idée sur le type de batterie à utiliser (une batterie au plomb par exemple) De même, pour les panneaux solaires, vous devez : identifier le nombre d élément actif présent sur son installation déterminer leur consommation respective et leur durée d utilisation journalière savoir où se situe votre installation Figure 1 - Exemple d'installation Par la suite, afin d illustrer cette méthode, le schéma ci-dessus servira de base instrumentale. Elle est constituée de 4 vélocimétres et 3 inclinomètres connectés à un numériseur, d une station météo. Le transfert de donnée à distance est aussi utilisé et l ensemble de ces instruments est alimenté par un système de batterie couplé à un ensemble de générateurs solaires. II. Dimensionnement de batteries A. En théorie 1. Détermination de l énergie/jour du système instrumental Etotal Sx/jour Considérons un système instrumental Sx, installé sur site isolé, et constitué de n éléments actif de consommation maximale W i avec i variant de 1 à n. La consommation totale W total Sx du système est donnée par la relation suivante : W total Sx = [W] (1) n : nombre totale d appareil actif appartenant à Sx W i : consommation de l appareil actif i appartenant à Sx Soit H i la durée de consommation journalière de l élément actif i de Sx exprimée en heure. L énergie totale E total Sx/jour de Sx par jour est donc : E total Sx/jour = [Wh/j] (2) DimensionnementSolaire-Méthode1 2/7 DIMENSIONNEMENT SOLAIRE - METHODE 1
Supposons que la durée de consommation journalière de chaque élément actif de Sx soit la même et vaut H. On a alors : E total Sx/jour sous H = W total Sx. H [Wh/j] (3) 2. Détermination de la charge de la batterie à utiliser Qbat Soit K le facteur de majoration lié au niveau de décharge d une batterie, J i l autonomie désirée pour l élément actif i de Sx et E total Sx sous J l énergie consommée par Sx pour une autonomie J i. On suppose aussi que Sx n est alimenté que par sa batterie pendant une durée J autonomie = max( J i ). On a : E total Sx sous Ji = V bat Sx. Q bat Sx [Wh] (4) Or, E total Sx sous Ji = K. [Wh] (5) Par conséquent : Q bat Sx = [Ah] (6) Si chaque élément actif de Sx nécessite la même autonomie notée J et a la même durée de consommation H. On a alors en utilisant la relation (3) : E total Sx sous J sachant H = K. J. E total Sx/jour sous H [Ah] (7) Ainsi, Q bat Sx sous J sachant H = [Ah] (8) Remarque: En général, J i sera égale à 3 au maximum. Le facteur K quant à lui dépend de la nature de la batterie. En effet, dans le cas d une batterie au plomb, la décharge tolérée est de 50%. Par conséquent la valeur de K est 1,5. E total Sx sous Ji ou E total Sx sous J sachant H est l énergie de la batterie. B. En pratique Considérons maintenant notre installation de référence. Il existe ici 2 types de batterie et donc 2 systèmes instrumentaux : - une batterie qui alimente un système de communication à distance - une autre utile au bon fonctionnement du matériel permettant d acquérir des données sismiques et météorologiques sur site. 1. Détermination de la consommation de chaque système instrumental Consommation du système de communication W total communication Dans ce système, on dénombre 2 éléments actifs : - le modem qui consomme au maximum 5 W - le Web Relay de consommation maximale égale à 1.5W - l adaptateur Lantronix consommant au maximum 1.5W On a d après la relation (1) : W total communication = 8 W Consommation du système d acquisition de données W total acquisition Dans ce système, on dénombre 9 éléments actifs : - le numériseur qui consomme au maximum 15 W - les 4 vélocimètres de consommation totale égale à 4*0.72 = 2.88 W - les 3 inclinomètres qui consomment au total 3*0.54= 1.62 W - la station météo de consommation égale à 3 W On a donc : W total acquisition = 21.5 W DimensionnementSolaire-Méthode1 3/7 DIMENSIONNEMENT SOLAIRE - METHODE 1
2. Détermination de l énergie totale par jour de chaque système instrumental Sur notre installation chaque élément actif a la même durée de consommation H qui vaut 24 h. Energie totale par jour du système de communication E total communication/jour En utilisant la relation (3), on a : E total communication/jour sous H = W total communication. H = 192 Wh Energie totale par du système d acquisition de données E total acquisition/jour De manière analogue, on en déduit que : E total acquisition/jour sous H = W total acquisition. H = 516 Wh 3. Détermination de la charge des batteries à utiliser Par ailleurs, on souhaite utiliser des batteries au plomb de 12V et on désire une autonomie de 2 jours pour chaque élément actif présent sur cette installation. On a donc, K = 1,5 et J = 2. Charge de la batterie à utiliser pour le système de communication Q bat communication D après les relations (7) et (8), on a : E total communication sous J sachant H = K. J. E total communication /jour sous H = 576 Wh Ainsi, Q bat communication sous J sachant H = = 48 Ah Charge de la batterie à utiliser pour le système de communication Q bat acquisition Pour l acquisition, on a : E total acquisition sous J sachant H = 1548 Wh Par conséquent, Q bat acquisition sous J sachant H = 129 Ah En résumé, afin que les différents systèmes fonctionnent pendant 2 jours sans être alimentés par des panneaux solaires (ou autres), il faut envisager l achat d une batterie au plomb de 12 V, dont la charge minimale est égale à 48 Ah, et une autre batterie du même type, mais de charge minimale égale à 129 Ah. III. Dimensionnement de panneaux solaires et du régulateur A. En théorie Soit Sx un système instrumental installé sur site isolé, constitué de n éléments actif de consommation maximale W i (avec i variant de 1 à n), et d énergie totale E Sx. Sx est alimenté par une batterie de d énergie totale E batt, et, cette batterie est rechargée par un système constitué de z panneaux solaires d énergie totale E ps (z étant un nombre entier naturel non nul). D un point de vue énergique, pour que Sx fonctionne, il faut que : E batt = E Sx et que E ps = E batt d où E Sx = E ps Remarque : Si k système (k étant un nombre entier naturel non nul), d énergie respective Es_k, sont connectés au même générateur solaire, on a : = = E ps 1. Détermination de la puissance théorique des cellules photovoltaïques du système à énergie solaire Wmodule théorique En se référant à la partie précédente, l énergie totale par jour de Sx est de la forme : E total Sx/jour = [Wh/j] (2) En supposant comme précédemment que la durée de consommation journalière de chaque élément actif de Sx est la même et vaut H, on a aussi : E total Sx/jour sous H = W total Sx. H [Wh/j] (3) Afin de prendre en compte les variations météorologiques du site, il est judicieux de majorer l énergie de Sx par un facteur noté K tps. L énergie journalière de Sx devient donc : E total Sx/jour_majoré = K tps. E total Sx/jour [Wh/j] (9) En particulier, on a aussi : DimensionnementSolaire-Méthode1 4/7 DIMENSIONNEMENT SOLAIRE - METHODE 1
E total Sx/jour sous H_majoré = K tps. E total Sx/jour sous H [Wh/j] (10) Soit P l irradiation moyenne, exprimée en Wh/m 2 j, sur le site, et W module la puissance théorique, exprimée en Wc, des cellules photovoltaïques du système à énergie solaire. La puissance des cellules photovoltaïques est : W module théorique = [Wc] (11) En particulier, on a aussi : W module théorique sous H = [Wc] (12) 2. Détermination du nombre z de panneaux solaires à utiliser sur le site Notons W module pratique la puissance réel des cellules photovoltaïques de notre système à énergie solaire. On a alors : z = E( ) (13) si W module théorique mod(w module pratique ) < E ( ) z = E( ) +1 (14) si W module théorique mod(w module pratique ) E( ) En particulier, on a aussi : z sous H=E( ) (15) si W module théorique sous H mod(w module pratique ) < E ( ) z sous H= E( ) +1 (16) si W module théorique sous H mod(w module pratique ) E( ) 3. Détermination des courants d entrée et de sortie du régulateur Soit V bat la tension de la batterie utilisée pour alimenter Sx, I entrée le courant maximale admissible par le régulateur et I sortie le courant maximale générée par le régulateur. On a : I entrée = [A] (17) Et, I sortie = [A] (18) En particulier, on a : I entrée sous H = [A] (19) Et, I sortie sous H = [A] (20) DimensionnementSolaire-Méthode1 5/7 DIMENSIONNEMENT SOLAIRE - METHODE 1
B. En pratique Considérons maintenant notre installation de référence. Elle est située dans la région niçoise. Elle est composée de 2 systèmes instrumentaux, l un servant à l acquisition de données et l autre utile à la communication. Comme précédemment, chaque élément actif appartenant aux 2 systèmes a la même durée de consommation H qui vaut 24 h. Par ailleurs, l alimentation de nos systèmes est connectée au même générateur solaire constitué d un certain nombre panneaux solaires. 1. Détermination de la puissance théorique des cellules photovoltaïques du système à énergie solaire Wmodule théorique sous H On sait que W total communication = 8 W et que W total acquisition = 21.5 W D où W total Sx = W total communication + W total acquisition = 29.5 W On a donc : E total Sx/jour sous H = W total Sx. H = 708 Wh/j d après la relation (3). En majorant par un facteur K tps = 1,5 et en se référant à la relation (10), on en déduit que : E total Sx/jour sous H_majoré = K tps. E total Sx/jour sous H = 1062 Wh/j Figure 2- Insolation moyenne en France Or, on sait que notre installation est située dans la région niçoise. En se référant à la carté ci-dessus, l irradiation moyenne journalière P dans cette région est en moyenne égale à 4 kwh/m 2.j. D après la relation (12), la puissance théorique des cellules photovoltaïques du système à énergie solaire est donc : W module théorique sous H = = 265.5 Wc 2. Détermination du nombre de panneaux solaires, noté zsous H, à utiliser sur le site La puissance W module pratique des cellules photovoltaïques des panneaux solaires à notre disposition vaut 135 Wc DimensionnementSolaire-Méthode1 6/7 DIMENSIONNEMENT SOLAIRE - METHODE 1
Or, W module théorique sous H mod(w module pratique ) = 130.5 > E ( )= 67 En se référant à la relation (15), le nombre de panneaux solaires à utiliser est : z sous H=E( )+1 = 2 3. Détermination des courants d entrée et de sortie du régulateur D après les relations (19) et (20), I entrée sous H = = 22,5 A Et, I sortie sous H = = 3 A Sur notre installation, il faut donc prévoir un régulateur de courant d entrée supérieur à 22.5 A et de courant de sortie supérieur à 3 A. Or le régulateur Sun saver fourni au maximum 30 A sur chaque sortie. Par ailleurs, l intensité photovoltaïque maximale admissible par cet instrument est de 25 A. Malgré un surdimensionnement en sortie, ce régulateur peut donc être utilisé IV. Conclusion Pour dimensionner une batterie : 1. déterminez le nombre d éléments actifs présents sur votre installation 2. déterminez leur consommation 3. définissez leur durée d utilisation par jour 4. calculez l énergie totale par jour 5. choisissez le type de batterie que vous souhaitez installer afin de définir votre facteur de majoration 6. définissez le nombre de jour où votre système doit être autonome 7. calculez l énergie totale en prenant compte le limite de votre batterie et la durée d autonomie désirée 8. et calculez la charge de votre batterie Pour dimensionner votre générateur solaire : 1. déterminez le nombre d éléments actifs présents sur votre installation 2. déterminez leur consommation 3. définissez leur durée d utilisation par jour 4. calculez l énergie totale par jour 5. majorez ce résultat 6. localiser votre installation 7. déterminer l irradiation de votre site 8. calculez la puissance théorique de vos cellules photovoltaïques 9. et calculez le nombre de panneaux solaire nécessaire Pour dimensionner votre régulateur : 1. dimensionnez vos panneaux solaires 2. calculez les courants d entrée et de sortie de sortie de votre régulateur DimensionnementSolaire-Méthode1 7/7 DIMENSIONNEMENT SOLAIRE - METHODE 1