Conception d'énergie solaire hors réseau 5kW et système stockage batterie

I. Introduction aux systèmes d'énergie solaire hors réseau 

1.1 Introduction 

Un système d'énergie solaire hors réseau est un système de production d'électricité autonome, fonctionnant indépendamment du réseau électrique. Il est principalement composé de panneaux solaires, de batteries de stockage d'énergie, d'un onduleur et d'une charge. 

Il utilise des modules photovoltaïques pour convertir l'énergie solaire en électricité et la stocker dans des batteries. Lorsque l'énergie solaire est insuffisante ou la nuit, les batteries alimentent la charge, assurant ainsi une alimentation électrique autonome. 

Ce système est particulièrement adapté aux zones sans couverture réseau, à l'alimentation électrique instable ou aux zones isolées, telles que les zones rurales, les îles, les stations de base de télécommunication, les exploitations agricoles, les zones pastorales et les situations d'alimentation de secours. 

1.2 Paramètres de charge

Paramètres de charge utilisateur

2. Réglementations et normes applicables

Les normes suivantes peuvent servir de référence pour la fabrication, les essais et l'homologation des systèmes de stockage d'énergie photovoltaïque hors réseau :

GB/T 18479-2001 « Lignes directrices pour les systèmes de production d'énergie photovoltaïque (PV) au sol »

GB/T 20046-2006 « Caractéristiques d'interface réseau des systèmes photovoltaïques (PV) »

GB2297-89 « Terminologie des systèmes énergétiques téravoltiques »

GB/T 18210-2000 « Mesure in situ des caractéristiques IV des panneaux photovoltaïques en silicium cristallin »

GB/T 20514-2006 « Procédure de mesure de l'efficacité des conditionneurs de puissance dans les systèmes photovoltaïques »

GB/T 20513-2006 « Surveillance des performances des systèmes photovoltaïques - Lignes directrices pour la mesure, l'échange de données et Analyse"

GBT 20047.1-2006 « Qualification de sécurité des modules photovoltaïques (PV) - Partie 1 - Exigences structurelles »

GB/T 14285-2006 « Spécification technique pour les relais de protection et les dispositifs automatiques de sécurité »

GB4064-1984 « Lignes directrices pour la conception de sécurité des équipements électriques »

GB/T 14549-1993 « Qualité de l'énergie - Harmoniques du réseau public »

DL5027-1993 « Code type de protection incendie des équipements électriques »

EN50178 « Équipements électriques destinés aux installations électriques »

3. Composition et principe du système

3.1 Composition d'un système de production d'énergie solaire hors réseau

Un système de production d'énergie solaire photovoltaïque hors réseau comprend principalement : un générateur solaire, une batterie, un onduleur, une charge, etc.

(1) Panneau solaire : Le panneau solaire est l'élément central du système de production d'énergie solaire. Sa fonction est de convertir l'énergie solaire en énergie électrique pour alimenter la charge.

(2) Onduleur : La fonction principale de l'onduleur est de convertir le courant continu (CC) en courant alternatif (CA), afin que l'électricité stockée dans la batterie ou produite par le module photovoltaïque puisse être utilisée par des appareils électriques ordinaires ou des systèmes connectés au réseau.

(3) Batterie : Généralement une batterie lithium-ion. Sa fonction est de stocker l'électricité produite par le panneau solaire en cas d'ensoleillement et de la restituer en cas de besoin.

(4) Support ; (5) Dispositif de surveillance des communications du système ;

(5) Dispositif de protection contre la foudre et de mise à la terre du système ;

(6) Génie civil, coffret de distribution électrique et autres infrastructures ;

(7) Câbles de connexion et matériaux de protection du système.

3.3 Schéma d'un système photovoltaïque hors réseau

Le schéma suivant illustre le schéma d'un système hors réseau :

4. Processus de conception d'un système de production d'électricité hors réseau

4.1 Présentation de la solution

Le système utilise un onduleur hors réseau qui convertit le courant continu en courant alternatif pour alimenter la charge.

4.2 Exigences d'utilisation spécifiques

(1) Utilisation continue requise par temps de pluie : 3 jours ;

(2) Type de charge : 220 VAC ;

(3) Consommation électrique quotidienne :

Selon le tableau de consommation électrique des équipements électriques de l'utilisateur, en supposant une puissance totale de 6 060 W, sur la base d'une utilisation simultanée de 80 %, la puissance totale des équipements électriques est de 4 848 W et la consommation électrique quotidienne moyenne est de 8 255 Wh.

4.3 Conception et sélection des batteries

Le calcul de la capacité de la batterie est basé sur la consommation électrique quotidienne du système, le nombre de jours d'autonomie, le rendement de l'onduleur et le niveau de décharge de la batterie. La capacité de la batterie est l'un des critères clés d'un système solaire photovoltaïque domestique. Calcul de la capacité de la batterie :

Capacité = (QL × D) / (η1 ×η2 ×η3) = (7,5 kWh ×3) / (0,95 ×0,9 ×0,92) = 28,6 kWh

QL : Consommation électrique quotidienne moyenne ;

D : Nombre de jours de pluie consécutifs (3 jours) ;

η1 : Profondeur de décharge de la batterie (0,95) ;

η2 : Rendement de l’onduleur (0,9) ;

η3 : Rendement de décharge de la batterie (0,92) ;

Avec deux batteries de 51,2 V et 314 Ah en parallèle, la puissance totale est de 2 * 51,2 V * 314 Ah = 32,2 kWh, ce qui répond aux besoins du client.

4.4 Conception et sélection des panneaux solaires

(1) Calcul de l'inclinaison et de l'azimut

La conception de l'inclinaison horizontale des panneaux solaires dépend principalement de la latitude du système de production d'énergie photovoltaïque et des exigences de répartition de la production tout au long de l'année.

1) Pour une production d'énergie globalement équilibrée tout au long de l'année, l'inclinaison du module peut être choisie comme suit :

Latitude 0~25° : inclinaison égale à la latitude

Latitude 26~40° : inclinaison égale à la latitude plus 5~10°

Latitude 41~55° : inclinaison égale à la latitude plus 10~15°

Latitude >55° : inclinaison égale à la latitude plus 15~20°

2) Dans la plupart des régions de Chine, une inclinaison horizontale du module de 7° est généralement utilisée.

Pour une production d'énergie plus importante en hiver, une inclinaison horizontale du module de 11° peut être utilisée.

Pour les besoins de production d'électricité plus importants en été, l'inclinaison horizontale du module de 11° peut être utilisée. Ce système de production d'électricité autonome est situé à 30° de latitude nord. Afin d'assurer une production d'électricité équilibrée tout au long de l'année, l'angle d'inclinaison du module est temporairement fixé à 30°. 

(2) Calcul de l'espacement des panneaux photovoltaïques

Conception de l'espacement entre les rangées avant et arrière du panneau photovoltaïque ou entre les obstacles avant :

Un espacement incorrect entre les rangées avant et arrière du panneau photovoltaïque ou entre les obstacles avant peut affecter la production d'électricité du système photovoltaïque, notamment en hiver.

La conception de l'espacement entre les rangées avant et arrière du panneau photovoltaïque ou entre les obstacles avant dépend de la latitude du système photovoltaïque et de la hauteur de la rangée avant du panneau ou de l'obstacle. La formule de calcul est la suivante :

D = 0,707H / tan [arc sin (0,648cosΦ - 0,399sinΦ)]

D : espacement avant-arrière ;

Φ : latitude du système photovoltaïque (positive dans l'hémisphère nord, négative dans l'hémisphère sud) ;

H : hauteur verticale depuis le bord inférieur des panneaux photovoltaïques arrière jusqu'au bord supérieur de l'obstacle avant ;

En supposant que l'emplacement du projet soit d'environ Φ = 30°, alors

D = 0,707H / tan [arc sin (0,648cos30° - 0,399sinΦ30°)]

= 0,707H / tan [arc sin (0,648 × 0,866 - 0,399 × 0,5)]

= 0,707H / tan [arc sin (0,561 - 0,2)] = 0,707H / tan [arc sin (0,561 - 0,2)] sin0,361〕

= 0,707H / tan 21,2° = 0,707H / 0,388 = 1,8H

(2) Capacité PV

Le client souhaitait minimiser les coûts, et notre stratégie consistait à charger complètement la batterie en trois jours. Nous avons utilisé neuf panneaux solaires de 640 W.

Le calcul est le suivant :

Équivalent en heures par jour : 4,2 h

Efficacité du système : 0,8

Production électrique quotidienne : 640 W x 4,2 h x 0,8 x 9 = 19 353,6 Wh

Consommation quotidienne : 8 255 Wh

Économie d’énergie : 19 353,6 - 8 255 = 11 099 Wh

La batterie peut être entièrement chargée en trois jours.

(4) Sélection et paramètres des panneaux solaires

Sélectionnez les panneaux solaires LONGI en silicium monocristallin 640 W

4.5 Choix d'un onduleur hors réseau

La fonction principale d'un onduleur est de convertir le courant continu en courant alternatif. Il doit présenter les caractéristiques suivantes : coupure et rétablissement de la haute tension, avertissement et rétablissement de la basse tension, protection contre les courts-circuits, protection contre l'inversion de charge, compensation de température et minuterie. La puissance crête d'une charge inductive au démarrage est de 3 à 5 fois supérieure à sa puissance nominale. Ici, nous utilisons une valeur de 3 fois supérieure. L'onduleur doit répondre aux besoins instantanés en puissance de tous les appareils au démarrage. Les réfrigérateurs et les climatiseurs sont des exemples de charges inductives.

Calcul de la capacité de l'onduleur :

(Facteur de démarrage * Puissance maximale de la charge inductive + Puissance de la charge résistive) = 2 150 * 3 + 3 360 W = 9 660 W.

Nous choisissons un onduleur d'une puissance nominale de 5 000 W et d'une puissance crête de 10 000 W. Il répond parfaitement aux besoins des clients.

4.8 Conception et sélection des câbles

Un module de 5 kWc est connecté à huit modules de 640 Wc. La tension à vide du système est de 400 V ; le courant de court-circuit est de 16,38 A ; la tension de fonctionnement est de 320 V et le courant de fonctionnement est de 15,69 A.

(1) Côté CC :

1) Entre chaque circuit de chaîne en série du générateur photovoltaïque et l’onduleur : utiliser un fil de cuivre de 2,5 mm², avec une plage de courant de 10 A à 15 A ;

2) Entre l’onduleur et la batterie : utiliser un fil de cuivre de 25 mm², avec une plage de courant de 100 ;

(2) Côté CA

1) Entre l’onduleur et le disjoncteur CA : utiliser un fil de cuivre de 10 mm², avec une plage de courant de 50 A à 65 A ;

2) Entre l'onduleur et la charge CA : utiliser un fil de cuivre de 10 mm², avec une plage de courant de 50 A à 65 A.

4.9 Système de montage solaire

Ce système de production d'électricité autonome étant installé sur un toit plat, le support du panneau photovoltaïque est fixé sur un rail de toit, avec un angle d'inclinaison de 30 degrés.

4.10 Mise à la terre et protection contre la foudre

Afin de garantir le fonctionnement sûr du système en cas d'intempéries, telles que les orages, des mesures de protection contre la foudre doivent être prises. Les principaux points à considérer sont les suivants :

(1) Le fil de terre est essentiel à la protection contre la foudre. Lors de la construction des fondations du local de distribution et du panneau solaire, choisissez un emplacement avec un sol épais et humide à proximité, creusez une fosse de 2 mètres de profondeur pour le fil de terre, utilisez de l'acier plat de calibre 40, ajoutez un réducteur de résistance et faites sortir le fil de terre. Le câble de sortie est un câble à âme en cuivre de 35 mm², dont la résistance de terre doit être inférieure à 4 Ω.

(2) Installez un paratonnerre à proximité du local de distribution, à une hauteur de 10 à 15 mètres, et installez un câble de terre séparé. La méthode est la même que ci-dessus.

(3) Les paratonnerres peuvent être en acier rond de 12 mm. Si des paratonnerres sont utilisés, utilisez de l'acier rond ou plat. Le diamètre de l'acier rond doit être ≥ 48 mm et l'épaisseur de l'acier plat ne doit pas être inférieure ou égale à 4 mm.

(4) Les conducteurs de descente doivent être en acier rond ou plat. Le diamètre de l'acier rond doit être ≥ 8 mm et la section de l'acier plat ne doit pas être inférieure à 4 mm².

(5) La tension du câble du panneau photovoltaïque entrant dans le local de distribution est de 400 V CC. Il doit être enterré dans un tube en PVC et protégé par un parafoudre. De plus, le support du panneau solaire doit assurer une bonne mise à la terre.

(6) La ligne de sortie CA de l'onduleur doit être protégée par un boîtier de protection contre la foudre.

(7) Dispositif de mise à la terre : Le corps de mise à la terre artificiel vertical doit être en acier d'angle, en tube d'acier ou en acier rond ; le corps de mise à la terre horizontal doit être en acier plat ou en acier rond. Le diamètre de l'acier rond ne doit pas être inférieur à 10 mm, la section de l'acier plat ne doit pas être inférieure à 100 mm², l'épaisseur de l'acier d'angle ne doit pas être inférieure à 4 mm et celle du tube ne doit pas être inférieure à 3-5 mm. La profondeur d'enfouissement du corps de mise à la terre artificiel dans le sol ne doit pas être inférieure à 0,5 mm. Un traitement anticorrosion par galvanisation à chaud est nécessaire. Les points de soudure doivent également être traités anticorrosion et antirouille.

VII. Installation et mise au point du système

7.1 Installation et inspection des panneaux solaires

(1) Un module photovoltaïque de 640 W pèse environ 33,5 kg. Ce système de production d'électricité hors réseau utilise un total de 8 modules, pour une surface d'installation d'environ 7 m².

(2) Pré-assemblez la colonne du cadre du panneau solaire et vérifiez son horizontalité. Le cadre métallique ne peut être assemblé que lorsqu'il est conforme aux normes. Testez le courant et la tension d'un panneau et installez les panneaux solaires après avoir réussi le test. Enfin, vérifiez que le fil de terre et les fixations du cadre métallique sont bien serrés, que le connecteur du panneau solaire est bien en contact et que le boîtier de jonction et le connecteur sont bien étanches. Vérifiez que la tension à vide du panneau photovoltaïque est normale. Cette tâche doit être effectuée par les techniciens du fournisseur de modules.

(3) Points à prendre en compte lors de l'installation d'un système photovoltaïque :

1) La disposition des panneaux doit tenir compte du nombre de connexions en série et en parallèle, et éviter tout problème de panneaux inutilisés ou de perte de charge. Le nombre de panneaux doit être coordonné avec le nombre de connexions en série et en parallèle afin de faciliter le câblage groupé.

2) La dissipation thermique des panneaux solaires doit être prise en compte. Pendant les mois d'été les plus chauds, les pertes de puissance dues aux températures élevées sont importantes ; des conduits de ventilation doivent donc être prévus. En général, un espace de 5 à 10 cm doit être maintenu entre chaque panneau solaire, et le système solaire doit également se trouver à 5 à 10 cm au-dessus du sol.

3) Un accès dédié à la maintenance doit être prévu entre les panneaux du système photovoltaïque.

4) L'installation des systèmes photovoltaïques doit tenir compte de la capacité portante de la structure du bâtiment. Les points d'appui des consoles doivent impérativement être situés sur les poutres principales du bâtiment afin d'éviter tout risque de sécurité ou accident de chantier.

5) Si l'installation d'un panneau solaire nécessite de modifier la structure du toit, une étude approfondie doit être menée afin de garantir que l'installation soit réalisée sans compromettre la sécurité et l'étanchéité du bâtiment.

6) Si le système complet est composé de plusieurs sous-systèmes, l'installation du panneau photovoltaïque doit tenir compte de l'équilibre de chaque sous-système et de la distance par rapport au local de distribution.

7) Lors de l'installation des modules photovoltaïques, veillez à éviter les vents forts afin d'éviter tout danger inattendu ou tout dommage à la sécurité des ouvriers ou à la structure des modules.

(4) Exigences fondamentales pour la conception d'un système de montage solaire :

1) La conception, la production et la fabrication des supports solaires doivent respecter les principes d'économie de matériaux, de faible coût, de durabilité et de facilité d'installation.

2) Le système de montage solaire doit être fabriqué en acier ou en alliage d'aluminium, et sa résistance doit être suffisante pour résister à des vents violents de force 10.

3) La surface métallique du support du panneau photovoltaïque doit être galvanisée, aluminisée ou peinte avec une peinture antirouille pour prévenir la rouille et la corrosion. 4) Lors de la conception des supports de panneaux solaires photovoltaïques, des facteurs tels que la latitude et l'ensoleillement doivent être pris en compte. Le degré d'intégration au bâtiment doit être pris en compte. L'inclinaison et l'azimut du panneau photovoltaïque doivent donc être optimisés et ajustés afin de capter pleinement l'énergie solaire et d'augmenter sa production.

5) Les connecteurs du support solaire, notamment ceux reliant les composants au support, ceux reliant le support aux boulons et ceux reliant les boulons au champ du panneau, doivent être en acier galvanisé ou en acier inoxydable.

7.2 Installation de l'ensemble de la commande

Se référer aux exigences du manuel du produit, connecter les panneaux solaires, les batteries et les onduleurs dans l'ordre correspondant, observer les différents paramètres de fonctionnement de l'onduleur et consigner les données correspondantes. Comparer les paramètres de fonctionnement réels aux paramètres nominaux, analyser les différences et préparer la mise au point ultérieure.

7.3 Inspection et mise au point

(1) Conformément aux exigences de l'inspection sur site, vérifier si le plan de construction est raisonnable et s'il répond pleinement aux exigences.

(2) Conformément aux exigences de conception et à la liste des fournitures, vérifier si les composants, équipements, instruments et équipements auxiliaires sont complets et si la qualité de la fourniture est conforme aux exigences. Pour certains équipements et matériaux essentiels nécessaires à certains projets, des contrôles par échantillonnage peuvent être effectués chez le fabricant ou sur le site de livraison, conformément aux réglementations et normes techniques en vigueur, selon la situation.

(3) Inspection et réception sur site : Vérifier si la qualité de construction des fondations en béton du panneau solaire et du local de distribution est conforme aux exigences et consigner les données.

(4) Le débogage consiste à tester et à ajuster les paramètres de l'équipement installé dans différents modes de fonctionnement, conformément à ses spécifications. La mise en service du système doit être effectuée conformément au manuel technique de l'équipement et aux réglementations de sécurité en vigueur. Une fois terminé, le système doit atteindre ou dépasser les indicateurs de performance spécifiés dans les spécifications. Si des écarts de performance réels par rapport aux paramètres manuels sont constatés lors de la mise en service, le fournisseur de l'équipement doit prendre des mesures correctives. Ce n'est que lorsque les performances sont conformes aux normes que le système est éligible à la réception.

8. Précautions d'utilisation et de maintenance

8.1 Maintenance quotidienne

La maintenance préventive est la meilleure maintenance ; il est donc nécessaire d'inspecter régulièrement le système photovoltaïque hors réseau. Ainsi, les petits problèmes peuvent être détectés et traités avant qu'ils ne s'aggravent. La plupart des inspections peuvent être effectuées à l'aide d'un voltmètre et d'un ampèremètre. Des inspections régulières permettent d'éliminer les dangers cachés avant que le système ne tombe en panne. Les inspections suivantes doivent être effectuées :

(1) Entretien des panneaux solaires et des supports

1) Nettoyage régulier

Utilisez un chiffon doux et propre, sec ou humide, pour essuyer la surface du module. Il est strictement interdit d'utiliser des solvants corrosifs ou des objets durs pour essuyer la surface du module ; le module doit être nettoyé lorsque l'irradiance est inférieure à 200 W/m². Il est déconseillé d'utiliser des liquides dont la température est supérieure à celle du module pour le nettoyer. 2) Inspection régulière

Si l'un des problèmes suivants est détecté, il doit être corrigé ou remplacé immédiatement :

1) Verre fissuré, feuille arrière brûlée ou changement de couleur notable du panneau solaire ;

2) Bulles se formant entre le panneau solaire et le bord du module ou tout circuit ;

3) Boîte de jonction déformée, tordue, fissurée ou brûlée, empêchant une connexion correcte des bornes ;

4) L'étiquette d'avertissement de mise sous tension du panneau solaire doit être intacte ;

5) Pour les modules à cadre métallique, le cadre et le support doivent être solidement liés, avec une résistance de contact ne dépassant pas 4 Ω, et le cadre doit être correctement mis à la terre ;

6) Pour les modules à cadre métallique, le cadre et le support doivent être solidement liés, avec une résistance de contact ne dépassant pas 4 Ω, et le cadre doit être solidement mis à la terre. 5) En conditions de fonctionnement sans ombrage, avec un ensoleillement d'environ 500 W/m² ou plus et une vitesse du vent inférieure ou égale à 2 m/s, la différence de température à la surface d'un même module (zone située directement au-dessus des cellules) doit être inférieure à 20 °C.

6) À l'aide d'une pince ampèremétrique CC, dans des conditions d'ensoleillement quasi uniforme, mesurez le courant d'entrée de chaque chaîne de modules photovoltaïques connectée au même coffret de raccordement CC. L'écart ne doit pas dépasser 5 %.

7) Tous les boulons, soudures et fixations doivent être solides et fiables, et le revêtement anticorrosion de surface ne doit ni se fissurer ni se détacher ; dans le cas contraire, il doit être réparé à temps.

2) Maintenance de l'onduleur

1) La structure et les connexions électriques de l'onduleur doivent être préservées. L'accumulation de rouille et de poussière est interdite. La dissipation thermique doit être optimale. Aucune vibration importante ni bruit anormal ne doit être observé pendant le fonctionnement. 2) Les panneaux d'avertissement sur l'onduleur doivent être complets. 

3) Les ventilateurs des modules, réacteurs et transformateurs de l'onduleur doivent démarrer et s'arrêter automatiquement en fonction de la température. Aucune vibration importante ni bruit anormal ne doit être observé pendant le fonctionnement des ventilateurs de refroidissement. En cas d'anomalie, l'alimentation doit être coupée pour inspection. 

(3) Entretien du câble 1) Le câble ne doit pas être utilisé en surcharge. Il ne doit ni gonfler ni se fissurer. 2) Le câble doit être scellé à l'entrée et à la sortie de l'équipement. Aucun espace ne doit dépasser 10 mm. En cas de trous, les boucher avec de la pâte ignifuge. 3) Aux endroits oùSi le câble exerce une pression ou une tension excessive sur le boîtier de l'équipement, le point de support du câble doit être intact. 

4) L'embouchure du tube de protection en acier ne doit présenter ni perforations, ni fissures, ni irrégularités importantes, et la paroi doit être lisse. Le tube métallique ne doit pas être fortement rouillé, ni présenter de bavures, d'objets durs ou de débris. En cas de bavures, il convient de les lisser, de les envelopper dans une gaine de câble et de les attacher solidement. 

5) Les gaines de câbles extérieures doivent être nettoyées à temps. Si la gaine du câble est endommagée, elle doit être traitée immédiatement.

6) Lors de l'inspection de la tranchée ouverte du câble intérieur, veillez à ne pas endommager le câble et à ce que le support soit mis à la terre et que la tranchée soit bien ventilée.

(4) Autres opérations de maintenance 

1) Vérifiez le serrage et la solidité de toutes les connexions du système. La connexion de la batterie doit être propre et scellée avec un agent anticorrosion.

2) Vérifiez que tous les boîtiers de câbles sont fermés (scellés) pour détecter d'éventuels dégâts des eaux et de la corrosion. Si des composants électroniques sont installés dans la boîte de jonction, vérifiez la climatisation et remplacez ou nettoyez le filtre à air.

3) Vérifiez le bon fonctionnement de l'interrupteur. Vérifiez l'absence de corrosion et de carbonisation près des contacts.