Diseno_sistema_energia_solar_de_8kW_almacenamiento_bateriaI. Aperçu des systèmes de production d'énergie photovoltaïque
1. Concept : La technologie de production d'énergie photovoltaïque désigne la technologie de conversion de l'énergie solaire en énergie électrique. Elle exploite l'effet photovoltaïque aux interfaces des semi-conducteurs pour convertir directement l'énergie lumineuse en énergie électrique.
2. Avantages : Comparée aux systèmes de production d'énergie thermique classiques, la production d'énergie photovoltaïque présente les principaux avantages suivants :
2.1 Absence de risque d'épuisement des ressources ;
2.2 Sécurité, fiabilité, fonctionnement silencieux et non polluant ;
2.3 Non-limitation géographique des ressources, avec possibilité d'exploiter les toitures des bâtiments ;
2.4 Production et distribution locales d'électricité sans consommation de combustible ni construction de lignes de transport ;
2.5 Haute qualité d'énergie ;
2.6 Délais de construction et de production d'énergie courts.
3. Classification : Les systèmes de production d'énergie photovoltaïque se divisent en deux catégories : les systèmes hors réseau et les systèmes raccordés au réseau.
Système hors réseau : Il s'agit d'un système solaire non raccordé au réseau électrique et qui alimente directement la charge. L'énergie électrique excédentaire est stockée dans des batteries. Ce système comprend généralement : des panneaux solaires, des onduleurs, des batteries, des boîtes de distribution, etc.
Système raccordé au réseau : Il s'agit d'un système où l'électricité produite par les cellules solaires est directement injectée dans le réseau électrique via un onduleur. Ce système comprend généralement plusieurs composants tels qu'un ensemble de panneaux solaires, un onduleur et un système de contrôle élévateur, éliminant ainsi le besoin d'un parc de batteries. Bien que ce type de système ait un coût unitaire inférieur, il nécessite le soutien du réseau.
II. Aperçu du site du projet
1. Site du projet : Le projet se déroule à Katmandou, au Népal.
La République fédérale démocratique du Népal, communément appelée Népal, a pour capitale Katmandou, située à 27°42'N, 85°19'E, dans un pays montagneux enclavé d'Asie du Sud.
2. Climat et environnement : Le Népal connaît une saison sèche d'octobre à mars de l'année suivante, caractérisée par de très faibles précipitations et d'importantes variations de température entre le jour et la nuit, allant d'environ 10 °C le matin à 25 °C à midi. La saison des pluies (été) s'étend d'avril à septembre, avril et mai étant particulièrement chauds et humides, avec des températures atteignant souvent 36 °C. Les pluies, qui débutent généralement en mai, précèdent souvent la saison des pluies et se poursuivent jusqu'à fin septembre, caractérisée par des précipitations abondantes et des inondations fréquentes.
La géographie du Népal varie considérablement du nord au sud, engendrant des climats régionaux distincts. Le pays se divise en trois zones climatiques : les hauts plateaux du nord, la zone tempérée centrale et la zone subtropicale du sud. La partie nord est une région montagneuse froide de haute altitude, avec un manteau neigeux permanent et des températures minimales pouvant atteindre -41 °C ; les vallées fluviales du centre bénéficient d'un climat doux, avec un temps printanier toute l'année ; les plaines du sud sont chaudes toute l'année, avec des températures estivales pouvant atteindre 45 °C.
3. Analyse des ressources en énergie solaire : Le Népal, frontalier du Tibet (Chine), est l’une des régions du monde les plus riches en ressources en énergie solaire. Katmandou bénéficie d’un air raréfié et d’une grande transparence, avec un ensoleillement annuel important, totalisant environ 2 500 à 2 550 heures. L’intensité du rayonnement y est élevée, avec un rayonnement annuel total moyen de 7 000 mégajoules par mètre carré.
III. Schéma de conception d’un système de production d’énergie solaire hors réseau
D’après les informations fournies par le propriétaire (surface du bâtiment : 100 m²) et la consommation électrique, cette dernière est résumée dans le tableau suivant :s
Le système de production d'énergie solaire hors réseau est conçu comme suit : les panneaux solaires sont des dispositifs de production d'énergie solaire qui convertissent directement la lumière du soleil en courant continu (CC). Selon les besoins de l'utilisateur en termes de puissance et de tension, des panneaux solaires peuvent être fabriqués individuellement, ou plusieurs panneaux peuvent être connectés en série (pour répondre aux exigences de tension) ou en parallèle (pour répondre aux exigences de courant) afin de former un réseau de production d'énergie et fournir ainsi une puissance électrique plus importante. Les panneaux solaires se caractérisent par un rapport surface/puissance élevé, une longue durée de vie et une grande fiabilité ; sur une durée de vie de 20 ans, la puissance de sortie ne diminue généralement pas de plus de 20 %.
3.1 Calcul de la production d'énergie solaire
1. Le client consomme 14,4 kWh d'électricité par jour.
2. Consommation électrique journalière : 14,4 kWh
3. Durée d'ensoleillement équivalente : 4,5 h
4. Module photovoltaïque : 550 W
5. Rendement du système hors réseau : 80 %
6. Production d'énergie journalière effective par module : 0,55 kW × 4,5 × 0,8 = 1,98 kWh
7. Nombre de modules requis : 14,4 ÷ 1,98 ≈ 7,27. Il faut donc 8 panneaux solaires.
8. 8 panneaux × 550 W = 3 850 kWc. Afin de répondre au besoin d'énergie supplémentaire pour recharger la batterie tout en minimisant les coûts, nous ajoutons 2 panneaux solaires supplémentaires. Total : 10 panneaux solaires
9. Production d'énergie solaire journalière : 550 × 10 × 0,8 × 4,5 = 19,8 kWh
10. Caractéristiques des panneaux solaires
Puissance maximale (Pmax/W) : 550 W
Tension en circuit ouvert (Voc/V) : 49,8 V
Courant de court-circuit (Isc/A) : 13,99 A
Tension de puissance maximale (Vmp/V) : 41,95 V
Courant de puissance maximale (Imp/A) : 13,12 A
3.2 Batterie solaire
Elle stocke l'énergie électrique produite par les panneaux photovoltaïques pendant la journée et fournit une alimentation continue à la charge la nuit ou par temps nuageux/pluvieux, garantissant ainsi un fonctionnement stable du système. Ce système utilise des batteries lithium-fer-phosphate (LiFePO₄), qui présentent des avantages tels qu'une sécurité élevée, une longue durée de vie, un rendement de décharge élevé et de faibles coûts d'entretien. En configurant judicieusement la capacité et le niveau de décharge de la batterie, les besoins énergétiques journaliers des utilisateurs peuvent être efficacement satisfaits, améliorant ainsi la fiabilité et la continuité de l'alimentation hors réseau.
3.2.1 Calcul de la capacité de la batterie
Le client a besoin d'une alimentation de secours pour une journée ; la capacité de la batterie doit donc être supérieure ou égale à 14 kWh. Nous supposons ici un niveau de décharge de la batterie de 95 %, un rendement de 97 % et un rendement de l'onduleur de 97 %.
Capacité = Consommation journalière ÷ (η₁ × η₂ × η₂) = 14,4 ÷ (0,95 × 0,97 × 0,97) = 16,1 kWh
Nous choisissons ici une batterie de 51,2 V et 314 Ah. 51,2 V × 314 Ah = 16,07 kWh. Cette batterie solaire lithium-ion prend en charge les mises à jour à distance via une application, un écran tactile, la sélection automatique du protocole de communication de l'onduleur, les bits d'adresse virtuelle et ne nécessite aucun commutateur DIP.
3.2.2 Paramètres de la batterie
Tension : 51,2 V
Capacité : 314 Ah
Courant de décharge : 200 A
Courant de charge : 200 A
3.3 Calcul de la puissance de l'onduleur
Production d'énergie solaire : 550 × 10 = 4 950 W. Puissance totale de tous les appareils : 7 kW. Les charges inductives consomment 3 à 4 fois leur courant nominal au démarrage. Le climatiseur et le réfrigérateur sont des charges inductives. La puissance de démarrage du climatiseur est d'environ 9 kW. Par conséquent, nous avons sélectionné un onduleur hors réseau de 8 kW avec une puissance de crête de 12 kW.
Paramètres de l'onduleur
Puissance nominale : 8 kW
Puissance crête : 12 kW
MPPT : 2
Tension de fonctionnement des MPPT : 60 V - 480 V
Tension de sortie : 230 V
Tension de la batterie : 48 V
Chaque MPPT est connecté à 5 panneaux solaires.
Schéma d'un système hors réseau de 8 kW
4. Système de montage solaire
Les supports utilisés sont en acier galvanisé à chaud. Ils offrent une grande robustesse, une excellente résistance au vent et à la neige, une résistance à la corrosion (galvanisation à chaud ≥ 80 µm), un faible coût et une durée de vie de 20 à 25 ans, voire plus.
5. Boîte de distribution
La boîte de distribution assure la distribution et la protection de l'énergie électrique du système photovoltaïque hors réseau.
Elle répartit la puissance de manière rationnelle entre les différents circuits et, grâce à des disjoncteurs, des dispositifs différentiels résiduels (DDR) et des parafoudres, elle protège contre les surcharges, les courts-circuits, les fuites de courant et la foudre, garantissant ainsi la sécurité des équipements et des personnes. Simultanément, le boîtier de distribution facilite l'inspection et la maintenance quotidiennes du système, garantissant ainsi un fonctionnement stable et fiable à long terme du système hors réseau.
Des parafoudres, des disjoncteurs et des fusibles sont installés côté photovoltaïque ; des disjoncteurs sont installés côté batterie ; et des disjoncteurs différentiels, des disjoncteurs, des parafoudres et des fusibles sont installés côté charge.
IV. Coûts d'investissement et analyse de la production d'énergie du système
1. Coûts d'investissement du système
Le coût total de construction de ce système est d'environ 8 400 USD.
2. Analyse de la production d'énergie du système (angle d'inclinaison des panneaux photovoltaïques : 29°)
D'après les ressources en énergie solaire disponibles sur le site du projet, l'analyse effectuée à l'aide d'un logiciel approprié indique que la production d'énergie du système la première année est d'environ 7 492 kWh, et la production moyenne sur 25 ans est de 6 673 kWh.
