Panneaux solaires pour résidence secondaire et maison : types, principe de fonctionnement et procédure de calcul des systèmes solaires

La science nous a offert une époque où la technologie de l'énergie solaire est devenue accessible à tous. Tout propriétaire peut se procurer des panneux solaires pour sa maison. Les propriétaires de résidences secondaires ne sont pas en reste. Ils se trouvent souvent éloignés des sources centralisées d'alimentation électrique stable.

Nous vous proposons de découvrir les informations concernant la structure, les principes de fonctionnement et le calcul des composants du système solaire. La consultation des informations que nous vous présentons rapprochera la réalité de l'alimentation de votre terrain en électricité naturelle.

Pour une compréhension visuelle des données fournies, des schémas détaillés, des illustrations, des instructions photo et vidéo sont joints.

Structure et principe de fonctionnement d'un panneau solaire

Autrefois, des esprits curieux ont découvert pour nous des substances naturelles qui, sous l'action des particules de lumière solaire, les photons, produisent de l'énergie électrique. Ce processus a été appelé l'effet photoélectrique. Les scientifiques ont appris à contrôler ce phénomène microphysique.

À partir de matériaux semi-conducteurs, ils ont créé des dispositifs électroniques compacts – les cellules photovoltaïques.

Les fabricants ont maîtrisé la technologie de combinaison de convertisseurs miniatures en panneaux solaires efficaces. Le rendement des modules solaires en silicium largement produits par l'industrie est de 18 à 22 %.

De la description du schéma, on voit clairement que tous les éléments constitutifs de la centrale sont également importants – leur sélection judicieuse détermine le fonctionnement coordonné du système.

Un panneau solaire est assemblé à partir de modules. Il est le point final du voyage des photons du Soleil à la Terre. De là, ces composants du rayonnement lumineux poursuivent leur chemin à l'intérieur du circuit électrique en tant que particules de courant continu.

Ils sont distribués dans les batteries, ou bien transformés en charges de courant alternatif de 220 volts, alimentant divers appareils techniques domestiques.

Un panneau solaire est un ensemble de dispositifs semi-conducteurs connectés en série – des cellules photovoltaïques, qui convertissent l'énergie solaire en électricité.

Vous trouverez plus de détails sur les spécificités de l'appareil et le principe de fonctionnement d'un panneau solaire dans un autre article populaire de notre site.

Types de modules/panneaux solaires

Les modules de panneaux solaires sont assemblés à partir de cellules solaires, c'est-à-dire des cellules photovoltaïques. Les cellules photovoltaïques de deux types ont été largement utilisées.

Elles se distinguent par les variétés de semi-conducteur en silicium utilisées pour leur fabrication, à savoir :

• Polycristallines. Ce sont des cellules solaires fabriquées à partir de silicium fondu par refroidissement lent. La méthode de production simple assure l'accessibilité du prix, mais le rendement de la variante polycristalline ne dépasse pas 12 %.
• Monocristallines. Ce sont des éléments obtenus en découpant en fines tranches un cristal de silicium cultivé artificiellement. L'option la plus productive et la plus coûteuse. Le rendement moyen est d'environ 17 %, et on peut trouver des cellules photovoltaïques monocristallines avec un rendement plus élevé.

Les cellules solaires polycristallines sont de forme carrée plane avec une surface hétérogène. Les variétés monocristallines ressemblent à des carrés fins de structure de surface homogène avec des coins coupés (pseudo-carrés).

Voici à quoi ressemblent les cellules photovoltaïques : les caractéristiques du module solaire ne dépendent pas du type d'éléments utilisés – cela n'influence que la taille et le prix.

Les panneaux de la première version sont plus grands que les seconds à puissance égale en raison d'une efficacité moindre (18 % contre 22 %). Mais ils sont environ dix pour cent moins chers et sont plus demandés.

Vous pourrez lire ici à propos des règles et des subtilités du choix de panneaux solaires pour alimenter un chauffage autonome.

Schéma de fonctionnement de l'alimentation solaire

Lorsque vous parcourez du regard les noms mystérieux des composants du système d'alimentation solaire, vous pensez à la complexité technique extrême de l'appareil.

Au niveau micro de la vie du photon, c'est le cas. Mais visuellement, le schéma général du circuit électrique et son principe de fonctionnement semblent très simples. De l'astre céleste à la « lampe d'Ilitch », il n'y a que quatre étapes.

Les modules solaires – le premier composant de la centrale. Ce sont des panneaux rectangulaires minces, assemblés à partir d'un certain nombre de plaques photovoltaïques standard. Les fabricants produisent des panneaux photovoltaïques de différentes puissances électriques et tensions, multiples de 12 volts.

Les dispositifs de forme plate se placent facilement sur les surfaces exposées aux rayons directs. Les blocs modulaires sont regroupés par connexions mutuelles pour former un panneau solaire. Le rôle du panneau est de convertir l'énergie solaire reçue en produisant un courant continu d'une valeur donnée.

Les dispositifs de stockage de charge électrique – les batteries pour panneaux solaires sont bien connus. Leur rôle au sein du système d'alimentation solaire est traditionnel. Lorsque les consommateurs domestiques sont connectés au réseau centralisé, les accumulateurs d'énergie stockent l'électricité.

Ils accumulent également son excédent, si le courant du module solaire est suffisant pour couvrir la puissance consommée par les appareils électriques.

Le bloc-batterie fournit au circuit la quantité d'énergie requise et maintient une tension stable dès que la consommation dans celui-ci augmente à un niveau élevé. La même chose se produit, par exemple, la nuit lorsque les panneaux photovoltaïques ne fonctionnent pas ou par temps peu ensoleillé.

Le schéma d'alimentation énergétique de la maison à l'aide de panneaux solaires diffère des options avec des capteurs par la possibilité de stocker l'énergie dans une batterie.

Le contrôleur est un intermédiaire électronique entre le module solaire et les batteries. Son rôle est de réguler le niveau de charge des batteries. L'appareil empêche leur ébullition due à une surcharge ou une chute du potentiel électrique en dessous d'une certaine norme nécessaire au fonctionnement stable de l'ensemble du système solaire.

Renversant, telle est la signification littérale du terme onduleur pour panneaux solaires. Oui, car en réalité, ce composant remplit une fonction qui semblait autrefois fantastique aux électrotechniciens.

Il convertit le courant continu du module solaire et des batteries en courant alternatif avec une différence de potentiel de 220 volts. C'est cette tension qui est la tension de fonctionnement pour la grande majorité des appareils électriques domestiques.

Le flux d'énergie solaire est proportionnel à la position de l'astre : lors de l'installation des modules, il serait bon de prévoir un réglage de l'angle d'inclinaison en fonction de la saison.

Charge de pointe et consommation d'énergie moyenne quotidienne

Le plaisir d'avoir sa propre centrale solaire coûte encore cher. La première étape vers la maîtrise de la puissance de l'énergie solaire consiste à déterminer la charge de pointe optimale en kilowatts et la consommation énergétique quotidienne moyenne rationnelle en kilowattheures d'un foyer ou d'une résidence secondaire.

La charge de pointe est créée par la nécessité d'allumer plusieurs appareils électriques en même temps et est déterminée par leur puissance totale maximale, en tenant compte des caractéristiques de démarrage élevées de certains d'entre eux.

Le calcul de la puissance maximale consommée permet d'identifier quels appareils électriques ont un besoin vital de fonctionner simultanément et lesquels moins. Les caractéristiques de puissance des composants de la centrale sont subordonnées à cet indicateur, c'est-à-dire le coût final de l'appareil.

La consommation énergétique quotidienne d'un appareil électrique se mesure en multipliant sa puissance individuelle par le temps pendant lequel il a fonctionné sur le réseau (consommé de l'électricité) au cours de la journée. La consommation énergétique quotidienne moyenne totale est calculée comme la somme de l'énergie électrique consommée par chaque consommateur sur une période de 24 heures.

L'analyse et l'optimisation ultérieures des données obtenues sur les charges et la consommation d'énergie garantiront la configuration nécessaire et le fonctionnement ultérieur du système solaire avec un coût minimal.

Le résultat de la consommation d'énergie permet d'aborder rationnellement l'utilisation de l'électricité solaire. Le résultat des calculs est important pour le dimensionnement ultérieur de la batterie. Ce paramètre influence encore plus le prix du bloc-batterie, un composant coûteux du système.

Procédure de calcul des indicateurs énergétiques

Le processus de calcul commence littéralement par une feuille de cahier quadrillée posée horizontalement. Avec de légers traits de crayon, on obtient un formulaire avec trente colonnes et autant de lignes que d'appareils électroménagers.

Préparation aux calculs arithmétiques

La première colonne est traditionnelle : le numéro d'ordre. La deuxième colonne : le nom de l'appareil électrique. La troisième : sa puissance individuelle consommée.

Les colonnes de la quatrième à la vingt-septième représentent les heures de la journée de 00 à 24. On y inscrit, séparés par une barre de fraction horizontale :

• au numérateur : la durée de fonctionnement de l'appareil pendant l'heure donnée, sous forme décimale (0,0) ;
• au dénominateur : à nouveau sa puissance individuelle consommée (cette répétition est nécessaire pour calculer les charges horaires).

La vingt-huitième colonne est la durée totale de fonctionnement de l'appareil ménager au cours de la journée. Dans la vingt-neuvième, on inscrit la consommation d'énergie individuelle de l'appareil, résultat de la multiplication de la puissance individuelle par la durée de fonctionnement sur la période de 24 heures.

L'établissement d'une spécification détaillée des consommateurs en tenant compte des charges horaires permettra de conserver davantage d'appareils habituels, grâce à leur utilisation rationnelle.

La trentième colonne est également standard : une note. Elle sera utile pour les calculs intermédiaires.

Établissement de la spécification des consommateurs

L'étape suivante des calculs consiste à transformer le formulaire de cahier en spécification des consommateurs domestiques d'électricité. La première colonne est claire : on y inscrit les numéros d'ordre des lignes.

Dans la deuxième colonne, on inscrit les noms des consommateurs d'énergie. Il est recommandé de commencer par les appareils de l'entrée. Ensuite, on décrit les autres pièces dans le sens inverse ou dans le sens horaire (selon ce qui convient).

S'il y a un deuxième étage (etc.), la procédure est la même : depuis l'escalier, en faisant le tour. Il ne faut pas oublier les appareils dans les paliers et l'éclairage extérieur.

Il est préférable de remplir la troisième colonne avec la puissance en regard du nom de chaque appareil électrique en même temps que la deuxième.

Les colonnes de la quatrième à la vingt-septième correspondent chacune à une heure de la journée. Pour plus de commodité, on peut les tracer immédiatement avec des lignes horizontales au milieu des lignes. Les moitiés supérieures des lignes obtenues sont en quelque sorte les numérateurs, les moitiés inférieures les dénominateurs.

Ces colonnes sont remplies ligne par ligne. Les numérateurs sont sélectivement formatés comme des intervalles de temps au format décimal (0,0), reflétant la durée de fonctionnement de cet appareil électrique pendant une période horaire spécifique. Parallèlement, là où les numérateurs sont placés, les dénominateurs sont inscrits avec l'indication de puissance de l'appareil, tirée de la troisième colonne.

Après que toutes les colonnes horaires ont été remplies, on passe au calcul du temps de travail quotidien individuel des appareils électriques, en parcourant les lignes. Les résultats sont consignés dans les cellules correspondantes de la vingt-huitième colonne.

Dans le cas où la centrale solaire joue un rôle auxiliaire, afin que le système ne fonctionne pas à vide, une partie de la charge peut être connectée à elle pour une alimentation permanente.

Sur la base de la puissance et du temps de fonctionnement, la consommation d'énergie quotidienne de tous les consommateurs est calculée séquentiellement. Elle est notée dans les cellules de la vingt-neuvième colonne.

Lorsque toutes les lignes et colonnes de la spécification sont remplies, on effectue les calculs des totaux. En additionnant par colonne les puissances des dénominateurs des colonnes horaires, on obtient les charges de chaque heure. En additionnant de haut en bas les consommations d'énergie quotidiennes individuelles de la vingt-neuvième colonne, on trouve la consommation moyenne quotidienne totale.

Le calcul n'inclut pas la consommation propre du futur système. Ce facteur est pris en compte par un coefficient auxiliaire lors des calculs finaux ultérieurs.

Analyse et optimisation des données obtenues

Si l'alimentation de la centrale solaire est prévue comme une source de secours, les données sur les puissances consommées horaires et sur la consommation d'énergie quotidienne totale aident à minimiser la consommation d'électricité solaire coûteuse.

On y parvient en excluant de l'utilisation les consommateurs énergivores jusqu'au rétablissement de l'alimentation électrique centralisée, en particulier pendant les heures de pointe.

Si le système d'énergie solaire est conçu comme une source d'alimentation électrique permanente, alors les résultats des charges horaires sont mis en avant. Il est important de répartir la consommation d'électricité sur la journée de manière à éliminer les maxima très dominants et les minima fortement creux.

L'exclusion des pics, le nivellement des charges maximales, l'élimination des baisses brusques de consommation d'énergie dans le temps permettent de sélectionner les options les plus économiques pour les composants du système solaire et assurent un fonctionnement stable et, surtout, sans incident à long terme de la centrale solaire.

Le graphique révélera l'irrégularité de la consommation d'énergie : notre objectif est de décaler les pics vers les périodes de plus forte activité solaire et de réduire la consommation quotidienne totale, notamment nocturne.

Le schéma présenté montre la transformation d'un graphique irrationnel, obtenu à partir du cahier des charges établi, en un graphique optimal. L'indicateur de consommation quotidienne a été réduit de 18 à 12 kWh, la charge horaire moyenne quotidienne de 750 à 500 W.

Le même principe d'optimalité s'appliquera lors de l'utilisation de l'alimentation solaire comme source de secours. Il n'est peut-être pas nécessaire de dépenser inutilement pour augmenter la puissance des modules solaires et des batteries au profit d'un inconfort temporaire.

Sélection des composants d'une centrale solaire

Pour simplifier les calculs, nous considérerons une version de l'utilisation d'un panneau solaire comme source principale d'électricité pour une maison de campagne. Le consommateur sera une maison de campagne hypothétique dans la région de Riazan, où l'on réside en permanence de mars à septembre.

Des calculs pratiques basés sur les données du graphique rationnel de consommation horaire d'énergie publié ci-dessus apporteront de la clarté aux raisonnements :

• Consommation énergétique totale moyenne quotidienne = 12 000 wattheures.
• Charge de consommation moyenne = 500 watts.
• Charge maximale = 1200 watts.
• Charge de pointe = 1200 x 1,25 = 1500 watts (+25 %).

Ces valeurs seront nécessaires pour calculer la capacité totale des équipements solaires et les autres paramètres de fonctionnement.

Détermination de la tension de fonctionnement du système solaire

La tension de fonctionnement interne de tout système solaire est basée sur un multiple de 12 volts, la tension nominale la plus courante des batteries. Les composants des centrales solaires – modules solaires, contrôleurs, onduleurs – sont le plus souvent fabriqués pour les tensions courantes de 12, 24 et 48 volts.

Une tension plus élevée permet d'utiliser des câbles d'alimentation de plus petite section – ce qui améliore la fiabilité des contacts. D'autre part, les batteries défectueuses d'un réseau 12 V peuvent être remplacées une par une.

Dans un réseau 24 V, compte tenu des spécificités d'utilisation des batteries, le remplacement devra se faire uniquement par paires. Un réseau 48 V nécessitera le remplacement des quatre batteries d'une même branche. De plus, à 48 volts, il existe déjà un risque d'électrocution.

À capacité égale et à prix à peu près égal, il faut acheter les batteries avec la plus grande profondeur de décharge autorisée et le courant maximal le plus élevé.

Le choix principal de la tension nominale interne du système est lié aux caractéristiques de puissance des onduleurs fabriqués par l'industrie moderne et doit tenir compte de la valeur de la charge de pointe :

• de 3 à 6 kW – 48 volts,
• de 1,5 à 3 kW – 24 ou 48 V,
• jusqu'à 1,5 kW – 12, 24, 48 V.

En choisissant entre la fiabilité du câblage et l'inconvénient du remplacement des batteries, pour notre exemple, nous nous arrêterons sur la fiabilité. Par la suite, nous nous baserons sur la tension de fonctionnement du système calculé, soit 24 volts.

Assemblage de la batterie solaire avec des modules

La formule de calcul de la puissance requise du panneau solaire est la suivante :

Rsm = ( 1000 * Esut ) / ( k * Sin ),

où :

• Rsm = puissance du panneau solaire = puissance totale des modules solaires (panneaux, W),
• 1000 = sensibilité lumineuse standard des convertisseurs photovoltaïques (kW/m²)
• Esut = besoin énergétique quotidien (kWh, dans notre exemple = 18),
• k = coefficient saisonnier prenant en compte toutes les pertes (été = 0,7 ; hiver = 0,5),
• Sin = valeur tabulaire de l'ensoleillement (flux de rayonnement solaire) à l'inclinaison optimale des panneaux (kWh/m²).

La valeur de l'ensoleillement peut être obtenue auprès du service météorologique régional.

L'angle d'inclinaison optimal des panneaux solaires est égal à la latitude du lieu :

• au printemps et en automne,
• plus 15 degrés – en hiver,
• moins 15 degrés – en été.

La région de Riazan, prise en exemple, se situe à la latitude 55.

La puissance maximale des panneaux solaires est obtenue en utilisant des systèmes de suivi, en modifiant l'angle d'inclinaison des panneaux selon la saison, et en appliquant un mix de modules orientés différemment.

Pour la période de mars à septembre, la meilleure inclinaison fixe du panneau solaire est l'angle estival de 40° par rapport au sol. Avec une telle installation des modules, l'ensoleillement quotidien moyen de Riazan sur cette période est de 4,73. Tous les chiffres sont en main, effectuons le calcul :

Rsm = 1000 * 12 / (0,7 * 4,73) ≈ 3 600 watts.

Si l'on prend comme base des modules de 100 watts, il en faudra 36. Ils pèseront environ 300 kilogrammes et occuperont une surface d'environ 5 x 5 mètres.

Les schémas de montage et les options de raccordement des panneaux solaires, éprouvés en pratique, sont présentés ici.

Mise en place du bloc de batteries

En choisissant les batteries, il faut se guider par les principes suivants :

1. Les batteries de voiture ordinaires NE conviennent PAS à cet usage. Les batteries des centrales solaires sont marquées de l'inscription « SOLAR ».
2. Il convient d'acheter des batteries identiques selon tous les paramètres, de préférence du même lot d'usine.
3. La pièce où se trouve le bloc de batteries doit être chaude. La température optimale pour que les batteries fournissent leur pleine puissance est de 25°C. Lorsqu'elle descend à -5°C, la capacité des batteries diminue de 50%.

Si l'on prend pour le calcul une batterie type de 12 volts et 100 ampères-heures, il est facile de calculer qu'elle pourra alimenter des consommateurs d'une puissance totale de 1200 watts pendant une heure. Mais cela correspond à une décharge complète, ce qui est fortement déconseillé.

Pour un fonctionnement durable des batteries, il est déconseillé de laisser leur charge descendre en dessous de 70%. La limite est de 50%. En prenant comme « juste milieu » le chiffre de 60%, nous basons les calcls suivants sur une résreve d'énergie de 720 Wh pour chaue 100 Ah de capacité de batterie (1200 Wh x 60%).

Il est possible que l'achat d'une seule batterie d'une capacité de 200 Ah soit moins cher que l'achat de deux de 100 Ah, et le nombre de connexions de contact des batteries sera également réduit.

Initialement, les batteries doivent être installées chargées à 100% à partir d'une source de courant fixe. Les batteries doivent couvrir entièrement les charges de la période nocturne. Si la météo n'est pas favorable, elles doivent maintenir les paramètres nécessaires du système même en journée.

Il est important de noter qu'un excès de batteries entraînera leur sous-charge constante, ce qui réduira considérablement leur durée de vie. La solution la plus rationnelle semble être d'équiper le bloc de batteries avec une résre d'énergie suffisante pour couvrir la consommation énergétique d'une journée.

Pour connaître la capacité totale requise des batteries, divisons la consommation énergétique totale journalière de 12 000 Wh par 720 Wh et multiplions par 100 Ah :

12 000 / 720 * 100 = 2 500 Ah ≈ 1 600 Ah

Au total, pour notr exemple, il faudra 16 batteries d'une capacité de 100 Ah ou 8 de 200 Ah, connectées en série-parallèle.

Choix d'un bon contrôleur

Le choix judicieux d'un contrôleur de charge de batteries (AKB) est une tâche très spécifique. Ses paramètres d'entrée doivent correspondre aux modules solaires choisis, et la tension de sortie – à la différence de potentiel interne du système solaire (dans notre exemple – 24 volts).

Un bon contrôleur doit impérativement fournir :

1. Une charge en plusiers étapes des batteries, prolongeant considérablement leur durée de vie effective.
2. La connexion-déconnexion automatique et réciproque entre les batteries et le panneau solaire en corrélation avec la charge et la décharge.
3. Le rebranchement de la charge des batteries sur le panneau solaire et vice versa.

Ce composant de petite taille est un élément très important.

Si l'on transfère une partie des consommateurs (par exemple, l'éclairage) sur une alimentation directe de 12 volts depuis le contrôleur, l'onduleur nécessire sera moins puissant, donc moins cher.

Le bon choix du contrôleur détermine le fonctionnement sans panne du coûteux bloc de batteries et l'éqilibre de tout le système.

Sélection de l'onduleur de meilleure qualité

L'onduleur est choisi avec une puissance suffisante pour soutenir une charge de pointe à long terme. Sa tension d'entrée doit correspondre à la différence de potentiel interne du système solaire.

Pour une meilleur sélection, il est recommandé de prêter attention aux paramètes :

1. Forme et fréquence du courant alternatif délivré. Plus ils se rapprochent d'une sinusoïde à 50 hertz, mieux c'est.
2. Rendement de l'appareil. Plus il est supérieur à 90 % – mieux c'est.
3. Consommation propre de l'appareil. Elle doit être proportionnelle à la consommation énergétique totale du système. Idéallement, jusqu'à 1 %.
4. Capacité du composant à supporter des surcharges doubles de courte durée.

L'exécution la plus excellente – un onduleur avec foncion de régulateur integrée.

Assemblage d'un système solaire domestique

Nous vous avon préparé une sélection de photos qui illustre clairement le processus d'assemblage d'un système solaire domestique à partir de modules fabriqués en usine :

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Vidéo n°1 : Démonstration de l'installation de panneaux solaires sur le toit d'une maison par soi-même :

Vidéo n°2 : Choix des batteries pour le système solaire, types, différences :

Vidéo n°3 : Centrale solaire de campagne pour ceux qui font tout eux-mêmes :

Les méthodes pratiques pas à pas de calculs examinées, le principe fondamental du fonctionnement efficace d'une batterie de panneaux solaires modene au sein d'une centrale solaire domestiqe autonome aideront les propriétaires d'une grande maison dans une zone densément peuplée, ainsi que ceux d'une maison de campagne isolée, à acquérir une souveraineté énergétique.

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