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DIMENSIONNEMENT D’UN SYSTEME
PHOTOVOLTAÎQUE
DIMENSIONNEMENT D’UN SYSTEME
PHOTOVOLTAÎQUE
Utilisation pour l’éclairage
Les trois étapes à suivre pour dimensionner un système PV:
1) temps: évaluation de la puissance d’éclairage désirée: choix de type
et de nombre des lampes et le nombre d’utilisateur par jour.
2)temps: à partir des données et des conditions d’ensoleillement,
Calcul de la puissance de générateur pour couvrir les besoins.
3) temps: une fois le système installé , l’utilisateur doit respecter
la puissance définit au départ.
1- Calcul de l’énergie à consommer Ec /J
2- Calcul de l’énergie à produire Ep /J
Ep = Ec/k
Avec k: facteur de correcteur qui tient compte divers
Paramètres:
- L’incertitude météorologiques,
- Les caractéristiques des modules solaire,
- Rendement de charge et de décharge de la batterie,
- Rendement du régulateur,
- Rendement de l’onduleur,
- Perte des câblages de connexion.
0.55<k<0.75 (pour les systèmes utilisant les batteries)
3- Calcul de la puissance crête:
Pc = Ep / Ir (Wc),
Pc= Ec / (k.Ir)
Ep: énergie produite wh/Jour
Ir: irradiation Kwh/m².Jour
4- Dimensionnement des batteries:
- détermination de la capacité de stockage:
C = Ec.N/D.U
Avec: -Ec énergie de consommation (Wh);
- N: le nombre des jours d’autonomie;
- D: profondeur de décharge maximale;
- U: tension du batterie.
- Batterie stationnaire (décharge 80% d’où D=0.8)
- Batterie de démarrage (50%, D = 0.5)
Exemple : Système d'une résidence
éloignée occupée toute l'année
Appareil
ou
charge
c.a. ou c.c.
(cochez une
case)
(A) Puissance
nominale (réelle ou
estimée) (W)
(B) Heures
d'utilisation par
jour
(C) Taux de
consommation (Wh/j)
(A) x (B)
c.a. c.c. c.a. c.c.
Lampes
- cuisine
(2)
(12 V) 15 1 h (x 2) = 2
Lampes
-
chambr
e (2)
(12 V) 15 1 h (x 2) = 2
Lampes
- séjour
(2)
(12 V) 15 4 h (x 2) = 8
Pompe
à eau
(12 V) 90 1 h
Chaîne
stéréo
d'auto
(12 V) 6 4 h
Télé
(noir et
blanc)
(12 V) 20 3 h
Sous-total : c.a. : Wh/j c.c. : Wh/j
DIMENSIONNEMENT D’UN SYSTEME
PHOTOVOLTAÎQUE
Utilisation pour le pompage
Un système au fils du soleil comporte essentiellement:
- Les modules;
- Onduleur;
- Groupe électropompe: groupe immergé et groupe de surface
pour dimensionner un système de pompage, il faut définir:
- La quantité d’eau nécessaire pour une utilisation donnée;
- Energie électrique qui sera consommée.
- La hauteur à laquelle doit être remonter;
- La distance à laquelle l’eau doit être transporter;
- L’énergie produire par jour;
La constante hydraulique
La constante hydraulique dépend de la gravité terrestre et la
densité d’eau, et se calcule par:
Ch = g.𝝏
Ch = 9,81(ms ²).10 ³(kg/m³)/𝟑𝟔𝟎𝟎(𝐬/𝐡)
Ch=2,725 kg.s.h/m²
• g : constante de la gravité (9,81 m/s²)
- Puissance hydraulique:
C’est la puissance nécessaire pour déplacer une quantité
d’eau d’une altitude à une autre, donner par:
Phyd = 2.725 Qi. H
Qi: débit instantané (m3/h)
H=HMT (m)(hauteur manométrique totale)
HMT= HGT+ hauteur équivalente aux perte de charge;
HGT: hauteur géométrique totale: différence d'altitude
entre l'entrée du liquide et sa sortie à l'atmosphère.
- Puissance demandée par la pompe est donner par:
Pe = Phyd/(ηm.ηp)
ηm Le rendement de moteur,
ηp Le rendement de pompe;
- Energie hydraulique:
Ehyd= 2.725 .Qq.H
Qq: le débit quotidien (m3/J)
- Energie électrique consommé;
Ec = Ehyd/(ηm.ηp)
Rendement global de l’électropompe:
η = Pe/Phyd
-Calcul de la puissance crête :
Pc = 2.725. Qq.H/(η.Ir.k)
pour choisir notre onduleur, il faut que l’on s’assure que :
- La tension c’est la tension recommandé;
- La puissance nominale doit être supérieur a la puissance des
charge à alimenter le groupe motopompe;
- Il faut que la tension des panneaux compatible avec la tension
d’onduleur.
Choix d’onduleur
Choix de motopompe
- Le choix d’une pompe se portera également sur sa capacité à répondre
aux conditions variables du site.
- Le moteur doit être capable de supporter la puissance crête du
générateur photovoltaïque.
- Lorsque HMT augmente, le rendement de la pompe diminue très
rapidement, le moteur devrait tourner beaucoup plus rapidement pour
fournir un même débit.
Comment choisir une pompe de puits ?
il suffit de suivre les étapes. Pour déterminer la puissance d'une pompe immergée de puits
ou de forage ou d'une pompe de surface, il est nécessaire de connaitre la Hauteur
Manométrique Totale (HMT) ainsi que le débit que l'on souhaite obtenir en m3/h (Q).
Détermination de la hauteur manométrique totale (HMT)
HMt= HMa (aspiration) + HMR (Refoulement)
- HMA = ha + Ja
- HMR = hr + Jr + Pr
avec:
HMa = Hauteur Manométrique aspiration
ha = hauteur aspiration
Ja = Pertes de charge aspiration du au frottement du liquide dans la tuyauterie
et les accessoires.
HMR = Hauteur Manométrique refoulement
hr = hauteur refoulement
Jr = Pertes de charge refoulement
Pr = Pression résiduelle (disponible au robinet le plus éloigné)
Exemple de calcul pour une pompe d'arrosage
On souhaite un débit en sortie de 2,5 m3/h avec une pression utile (Pu) de 2,5 bars (2,5 bars = 25 m
de hauteur d'eau).
Hauteur d'aspiration (Ha) : 3 m
Longueur du tuyau à l'aspiration (La) : 5 – 0,15 + 1 = 5,75 m
Hauteur de refoulement (Hr) : 4 m
Longueur du tuyau au refoulement (Lr) : 35 m
Hauteur manométrique à l'aspiration (HMA) = Ha + Pa (pertes de charge à l'aspiration) =
3 m + (0,1 x 5,75 m) = 3,6 m
Hauteur manométrique de refoulement (HMR) = Hr + pertes de charge au refoulement + Pu (pression
utile) = 4 m + (0,1 x 35) + 25 = 32,5 m
(Pu : c'est la pression utile souhaitée à l'ouverture du robinet. On la choisit en moyenne aux alentours
de 2,5 bars, soit 25m de pression.).
Hauteur manométrique totale (HMT) = HMA + HMR
3,6 m + 32,5 m = 36,1 m
Il faut donc une pompe délivrant un débit de 2,5 m3/h pour une hauteur manométrique totale (HMT)
de 36,1 m.C.E.
Pompe de puits WILO TWI5-304 (0,85 kW) Prix: 864
€
Sélection de la pompe d'arrosage
La pompe la plus adaptée c’est qui porte la référence HMP 604.
Dimensionnement du réservoir d’eau
- lorsque la pompe est au fil du soleil, le réservoir doit pouvoir stocker l’eau
nécessaire pour la journée
- le réservoir doit permettre une certaine autonomie durant les journées peu
ensoleillées
-Le réservoir doit être stocker en fonction de l’utilisation.
- Le volume de stockage est souvent dimensionné entre 60% et 100% du volume
moyen journalier de l’eau pompée.
Dimensionnement de la conduite d’eau
- Pour minimiser les pertes, il faut installer le réservoir le plus prés possible et le
relier le plus directement à la pompe.
- La largeur de la conduite doit être dimensionnée afin que, pour le débit
demande, la perte de charge exprimée en hauteur dynamique soit petite (<5 %)
comparée à la hauteur géométrique totale.
Dimensionnement d'un régulateur
Objectif du régulateur de charge/décharge c’est d’optimiser la durée de vie de
l’équipement de l’installation et permettre une charge adéquate.
Le dimensionnement du régulateur se fait en fonction de la tension des
modules solaires et des batteries, ainsi que l’intensité maximale qu’ils peuvent
générés.
Les différents technologies de régulation sont : shunt, série, PWM ou MPPT.
Il existe deux types de régulateurs : les régulateurs de charge, et les régulateurs
de charge/décharge
Les Régulateurs de charge sont les plus simples et les moins chères car ils ne
contrôlent que la charge de la batterie. Les surcharges sont donc évitées, mais ils
n’ont pas d’autre fonction.
Les régulateurs de charge/décharge sont plus adaptés car ils permettent également
d’éviter les décharges profondes en coupant l’alimentation de tout ou partie
des appareils électriques.
Tension et intensité
Tension d’entrée : La tension du régulateur est imposée par celle des modules.
Ceux-ci produisent l'électricité avec une tension de 12Vdc, 24Vdc et même
jusqu'à 48Vdc.
Tension de sortie : Il est rare que la tension de sortie soit différente de la tension
d'entrée, mais certains régulateurs haut de gamme peuvent proposer ce choix. Si
ce n'est pas le cas, la tension de sortie du régulateur, les batteries, le convertisseur
de courant ou les appareils électriques devront tous avoir la même tension que les
modules, à savoir 12Vdc, 24Vdc ou 48Vdc.
Intensité d’entrée : Pour la connaitre, il faut consulter la fiche technique
des modules photovoltaïques. Il y est indiqué l'intensité maximale qu'ils sont capables
de produire. Quand ils sont en parallèle, en faisant la somme de toutes les Imax
de chaque module, on obtiendra l'intensité d'entrée que le régulateur doit pouvoir
supporter. Quand ils sont en série, l'intensité d'entrée du régulateur est la plus petite
de celle délivrée par les modules.
Intensité de sortie: Cela ne concerne que les régulateurs contrôlant
la décharge. La démarche est la même que pour l'intensité d'entrée, sauf qu'il faut
additionner les intensités maximum que chaque appareil peut consommer.
Choix des câbles
- Tout d’abord, les câbles doivent avoir une tension assignée compatible avec celle de
l’installation.
-Vérification de l’étanchéité des boites de connexion et de jonction.
- Nettoyage des contacts en cas d’oxydation des cosses au niveau de la boite de connexion.
- Les câbles de signaux doivent avoir une section minimale de 1 mm².
La section des câbles
La section des câbles entre les panneaux et l’onduleur est:
S= 𝝆𝑳/𝑹
L: longueur aller + retour du conducteur exprimée en mètres
R=∆𝑈/𝐼: résistance en ohms Ω (3% de tension de système)
Calcul de la section des câbles DC
En théorie, un câble est un conducteur de courant parfait, c'est-à-dire que sa
résistance est nulle. En pratique, un câble n'est pas un conducteur parfait: il se
comporte comme une résistance.
La résistance du câble, définie ci-dessus, va provoquer une chute de potentiel entre le
départ du câble et la fin du câble.
En effet : U = VA - VB = R × I. Ainsi, si le câble est un parfait conducteur alors R=0 et U =
0 soit : VA = VB. Mais comme R > 0 pour un câble réel, on a VA > VB, ce qui correspond à
une chute de potentiel. On parle communément de chute de tension, mais en réalité il
s'agit d'une chute de potentiel (car la tension est une différence de potentiel). Cette chute
de tension conduit à une dissipation d'énergie par effet joule (le câble va chauffer).
Dans une installation photovoltaïque, cela va induire des pertes de puissances.
L'optimisation technico-économique d'une installation photovoltaïque conduit donc à
réduire au maximum ces chutes de tension. Le guide de l'UTE C15-712 relatif aux
installations photovoltaïques indiquent que la chute de tension dans la partie DC
devra être inférieure à 3%, idéalement 1%. Cela signifie :
Formule de la section des câbles
Notons ε la chute de tension admissible tolérée par l'UTE C15-712.
Dans la pratique, la longueur des câbles est connue. Dès lors, on calcule la section de ces
câbles sous la contrainte d'une chute de tension maximale de 3 %.
Ainsi, la section des câbles se calcule par la formule suivante :

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dimensionnement de Sys PV.pdf

  • 2. DIMENSIONNEMENT D’UN SYSTEME PHOTOVOLTAÎQUE Utilisation pour l’éclairage Les trois étapes à suivre pour dimensionner un système PV: 1) temps: évaluation de la puissance d’éclairage désirée: choix de type et de nombre des lampes et le nombre d’utilisateur par jour. 2)temps: à partir des données et des conditions d’ensoleillement, Calcul de la puissance de générateur pour couvrir les besoins. 3) temps: une fois le système installé , l’utilisateur doit respecter la puissance définit au départ.
  • 3. 1- Calcul de l’énergie à consommer Ec /J 2- Calcul de l’énergie à produire Ep /J Ep = Ec/k Avec k: facteur de correcteur qui tient compte divers Paramètres: - L’incertitude météorologiques, - Les caractéristiques des modules solaire, - Rendement de charge et de décharge de la batterie, - Rendement du régulateur, - Rendement de l’onduleur, - Perte des câblages de connexion. 0.55<k<0.75 (pour les systèmes utilisant les batteries)
  • 4. 3- Calcul de la puissance crête: Pc = Ep / Ir (Wc), Pc= Ec / (k.Ir) Ep: énergie produite wh/Jour Ir: irradiation Kwh/m².Jour 4- Dimensionnement des batteries: - détermination de la capacité de stockage: C = Ec.N/D.U Avec: -Ec énergie de consommation (Wh); - N: le nombre des jours d’autonomie; - D: profondeur de décharge maximale; - U: tension du batterie. - Batterie stationnaire (décharge 80% d’où D=0.8) - Batterie de démarrage (50%, D = 0.5)
  • 5. Exemple : Système d'une résidence éloignée occupée toute l'année
  • 6. Appareil ou charge c.a. ou c.c. (cochez une case) (A) Puissance nominale (réelle ou estimée) (W) (B) Heures d'utilisation par jour (C) Taux de consommation (Wh/j) (A) x (B) c.a. c.c. c.a. c.c. Lampes - cuisine (2) (12 V) 15 1 h (x 2) = 2 Lampes - chambr e (2) (12 V) 15 1 h (x 2) = 2 Lampes - séjour (2) (12 V) 15 4 h (x 2) = 8 Pompe à eau (12 V) 90 1 h Chaîne stéréo d'auto (12 V) 6 4 h Télé (noir et blanc) (12 V) 20 3 h Sous-total : c.a. : Wh/j c.c. : Wh/j
  • 7. DIMENSIONNEMENT D’UN SYSTEME PHOTOVOLTAÎQUE Utilisation pour le pompage Un système au fils du soleil comporte essentiellement: - Les modules; - Onduleur; - Groupe électropompe: groupe immergé et groupe de surface pour dimensionner un système de pompage, il faut définir: - La quantité d’eau nécessaire pour une utilisation donnée; - Energie électrique qui sera consommée. - La hauteur à laquelle doit être remonter; - La distance à laquelle l’eau doit être transporter; - L’énergie produire par jour;
  • 8. La constante hydraulique La constante hydraulique dépend de la gravité terrestre et la densité d’eau, et se calcule par: Ch = g.𝝏 Ch = 9,81(ms ²).10 ³(kg/m³)/𝟑𝟔𝟎𝟎(𝐬/𝐡) Ch=2,725 kg.s.h/m² • g : constante de la gravité (9,81 m/s²)
  • 9. - Puissance hydraulique: C’est la puissance nécessaire pour déplacer une quantité d’eau d’une altitude à une autre, donner par: Phyd = 2.725 Qi. H Qi: débit instantané (m3/h) H=HMT (m)(hauteur manométrique totale) HMT= HGT+ hauteur équivalente aux perte de charge; HGT: hauteur géométrique totale: différence d'altitude entre l'entrée du liquide et sa sortie à l'atmosphère. - Puissance demandée par la pompe est donner par: Pe = Phyd/(ηm.ηp) ηm Le rendement de moteur, ηp Le rendement de pompe;
  • 10. - Energie hydraulique: Ehyd= 2.725 .Qq.H Qq: le débit quotidien (m3/J) - Energie électrique consommé; Ec = Ehyd/(ηm.ηp) Rendement global de l’électropompe: η = Pe/Phyd -Calcul de la puissance crête : Pc = 2.725. Qq.H/(η.Ir.k)
  • 11. pour choisir notre onduleur, il faut que l’on s’assure que : - La tension c’est la tension recommandé; - La puissance nominale doit être supérieur a la puissance des charge à alimenter le groupe motopompe; - Il faut que la tension des panneaux compatible avec la tension d’onduleur. Choix d’onduleur
  • 12. Choix de motopompe - Le choix d’une pompe se portera également sur sa capacité à répondre aux conditions variables du site. - Le moteur doit être capable de supporter la puissance crête du générateur photovoltaïque. - Lorsque HMT augmente, le rendement de la pompe diminue très rapidement, le moteur devrait tourner beaucoup plus rapidement pour fournir un même débit.
  • 13. Comment choisir une pompe de puits ? il suffit de suivre les étapes. Pour déterminer la puissance d'une pompe immergée de puits ou de forage ou d'une pompe de surface, il est nécessaire de connaitre la Hauteur Manométrique Totale (HMT) ainsi que le débit que l'on souhaite obtenir en m3/h (Q). Détermination de la hauteur manométrique totale (HMT) HMt= HMa (aspiration) + HMR (Refoulement) - HMA = ha + Ja - HMR = hr + Jr + Pr avec: HMa = Hauteur Manométrique aspiration ha = hauteur aspiration Ja = Pertes de charge aspiration du au frottement du liquide dans la tuyauterie et les accessoires. HMR = Hauteur Manométrique refoulement hr = hauteur refoulement Jr = Pertes de charge refoulement Pr = Pression résiduelle (disponible au robinet le plus éloigné)
  • 14.
  • 15. Exemple de calcul pour une pompe d'arrosage On souhaite un débit en sortie de 2,5 m3/h avec une pression utile (Pu) de 2,5 bars (2,5 bars = 25 m de hauteur d'eau).
  • 16. Hauteur d'aspiration (Ha) : 3 m Longueur du tuyau à l'aspiration (La) : 5 – 0,15 + 1 = 5,75 m Hauteur de refoulement (Hr) : 4 m Longueur du tuyau au refoulement (Lr) : 35 m Hauteur manométrique à l'aspiration (HMA) = Ha + Pa (pertes de charge à l'aspiration) = 3 m + (0,1 x 5,75 m) = 3,6 m Hauteur manométrique de refoulement (HMR) = Hr + pertes de charge au refoulement + Pu (pression utile) = 4 m + (0,1 x 35) + 25 = 32,5 m (Pu : c'est la pression utile souhaitée à l'ouverture du robinet. On la choisit en moyenne aux alentours de 2,5 bars, soit 25m de pression.). Hauteur manométrique totale (HMT) = HMA + HMR 3,6 m + 32,5 m = 36,1 m Il faut donc une pompe délivrant un débit de 2,5 m3/h pour une hauteur manométrique totale (HMT) de 36,1 m.C.E.
  • 17. Pompe de puits WILO TWI5-304 (0,85 kW) Prix: 864 € Sélection de la pompe d'arrosage La pompe la plus adaptée c’est qui porte la référence HMP 604.
  • 18. Dimensionnement du réservoir d’eau - lorsque la pompe est au fil du soleil, le réservoir doit pouvoir stocker l’eau nécessaire pour la journée - le réservoir doit permettre une certaine autonomie durant les journées peu ensoleillées -Le réservoir doit être stocker en fonction de l’utilisation. - Le volume de stockage est souvent dimensionné entre 60% et 100% du volume moyen journalier de l’eau pompée.
  • 19. Dimensionnement de la conduite d’eau - Pour minimiser les pertes, il faut installer le réservoir le plus prés possible et le relier le plus directement à la pompe. - La largeur de la conduite doit être dimensionnée afin que, pour le débit demande, la perte de charge exprimée en hauteur dynamique soit petite (<5 %) comparée à la hauteur géométrique totale.
  • 20. Dimensionnement d'un régulateur Objectif du régulateur de charge/décharge c’est d’optimiser la durée de vie de l’équipement de l’installation et permettre une charge adéquate. Le dimensionnement du régulateur se fait en fonction de la tension des modules solaires et des batteries, ainsi que l’intensité maximale qu’ils peuvent générés. Les différents technologies de régulation sont : shunt, série, PWM ou MPPT. Il existe deux types de régulateurs : les régulateurs de charge, et les régulateurs de charge/décharge
  • 21. Les Régulateurs de charge sont les plus simples et les moins chères car ils ne contrôlent que la charge de la batterie. Les surcharges sont donc évitées, mais ils n’ont pas d’autre fonction. Les régulateurs de charge/décharge sont plus adaptés car ils permettent également d’éviter les décharges profondes en coupant l’alimentation de tout ou partie des appareils électriques. Tension et intensité Tension d’entrée : La tension du régulateur est imposée par celle des modules. Ceux-ci produisent l'électricité avec une tension de 12Vdc, 24Vdc et même jusqu'à 48Vdc.
  • 22. Tension de sortie : Il est rare que la tension de sortie soit différente de la tension d'entrée, mais certains régulateurs haut de gamme peuvent proposer ce choix. Si ce n'est pas le cas, la tension de sortie du régulateur, les batteries, le convertisseur de courant ou les appareils électriques devront tous avoir la même tension que les modules, à savoir 12Vdc, 24Vdc ou 48Vdc. Intensité d’entrée : Pour la connaitre, il faut consulter la fiche technique des modules photovoltaïques. Il y est indiqué l'intensité maximale qu'ils sont capables de produire. Quand ils sont en parallèle, en faisant la somme de toutes les Imax de chaque module, on obtiendra l'intensité d'entrée que le régulateur doit pouvoir supporter. Quand ils sont en série, l'intensité d'entrée du régulateur est la plus petite de celle délivrée par les modules. Intensité de sortie: Cela ne concerne que les régulateurs contrôlant la décharge. La démarche est la même que pour l'intensité d'entrée, sauf qu'il faut additionner les intensités maximum que chaque appareil peut consommer.
  • 23. Choix des câbles - Tout d’abord, les câbles doivent avoir une tension assignée compatible avec celle de l’installation. -Vérification de l’étanchéité des boites de connexion et de jonction. - Nettoyage des contacts en cas d’oxydation des cosses au niveau de la boite de connexion. - Les câbles de signaux doivent avoir une section minimale de 1 mm². La section des câbles La section des câbles entre les panneaux et l’onduleur est: S= 𝝆𝑳/𝑹 L: longueur aller + retour du conducteur exprimée en mètres R=∆𝑈/𝐼: résistance en ohms Ω (3% de tension de système)
  • 24. Calcul de la section des câbles DC En théorie, un câble est un conducteur de courant parfait, c'est-à-dire que sa résistance est nulle. En pratique, un câble n'est pas un conducteur parfait: il se comporte comme une résistance.
  • 25. La résistance du câble, définie ci-dessus, va provoquer une chute de potentiel entre le départ du câble et la fin du câble. En effet : U = VA - VB = R × I. Ainsi, si le câble est un parfait conducteur alors R=0 et U = 0 soit : VA = VB. Mais comme R > 0 pour un câble réel, on a VA > VB, ce qui correspond à une chute de potentiel. On parle communément de chute de tension, mais en réalité il s'agit d'une chute de potentiel (car la tension est une différence de potentiel). Cette chute de tension conduit à une dissipation d'énergie par effet joule (le câble va chauffer). Dans une installation photovoltaïque, cela va induire des pertes de puissances. L'optimisation technico-économique d'une installation photovoltaïque conduit donc à réduire au maximum ces chutes de tension. Le guide de l'UTE C15-712 relatif aux installations photovoltaïques indiquent que la chute de tension dans la partie DC devra être inférieure à 3%, idéalement 1%. Cela signifie :
  • 26. Formule de la section des câbles Notons ε la chute de tension admissible tolérée par l'UTE C15-712. Dans la pratique, la longueur des câbles est connue. Dès lors, on calcule la section de ces câbles sous la contrainte d'une chute de tension maximale de 3 %. Ainsi, la section des câbles se calcule par la formule suivante :