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Voici comment on dimensionne un kit photovoltaïque en site isolé :

Avant de commencer, si la réalisation de votre dimensionnement vous parait un peu compliqué, descendez en pied de page, §4 , vous trouverez des solutions pour éviter une bonne partie des recherches, mais pas la définition précise de vos besoins, car là, c'est vous qui avez les informations, et c'est le plus important.

Si vous voulez une petite approche simple et approximative, vous pouvez vous reporter à notre page qui présente un calcul simplifié de système photovoltaïque, il convient pour les petits systèmes.

Et si vous aimez les calculs et les formules, je vous propose le dossier de l'association 'EnergieSolidaires' , scolaire mais précis ! A part un petit bug à la dernière ligne, mais c'est juste pour voir si vous avez suivi...

Si vous voulez en savoir plus, voici la démarche que je vous conseille de suivre :

1 - Déterminer les besoins.

La première présentation de la détermination des besoins se trouve à l'onglet précédent, si vous ne l'avez pas fait, prenez le temps de le lire, il est important.

Il faut tout d'abord analyser ses besoins en énergie, en considérant le cas le plus défavorable.

Par exemple, si l'on doit utiliser le système toute l'année, en hiver, prévoir 9 heures de fonctionnement par jour pour les ampoules des pièces principales, 4 heures par jour pour un film et les infos télévisées. Vous verrez plus loin que même si l'on optimise son installation pour l'hiver, ce sont les mois de Décembre et de Janvier qui posent problème : c'est à ce moment qu'on a le plus de chances de se retrouver avec une batterie vide, c'est là que l'on fatigue les batteries, qui sont aujourd'hui, si vous les avez bien dimensionnées l'élément le plus cher de votre système. Ne pas négliger le fait que c'est en hiver qu'on apprécie de se retrouver au chaud, à l'intérieur, que c'est la saison où l'on aime la lumière, car dehors il en manque, et comme les soirées sont longues, c'est aussi à cette période que l'on utilise le plus les écrans, sous toutes leurs formes. Ce sont ces chiffres qu'il faut prendre en compte si l'on veut éviter des déconvenues.

Les besoins en énergie :

Récupéré sur le site de Tecsol, dans une version précédente -ils ont supprimé le simulateur - , c'est une liste de 'consommateurs', qui vous permettra d'établir votre propre liste d'équipements et de préciser l'utilisation.. Ce simulateur a la particularité de tenir compte de la saison pour ajuster les consommations de courant comme expliqué plus haut. C'est particulièrement utile pour avoir une bonne évaluation du besoin. Pour des raisons pratiques, on vous met cette liste à disposition en téléchargement ici.  Cette expression du besoin permet de déterminer dans un premier temps la puissance crête des panneaux photovoltaïque de l'installation (la puissance que le panneau est capable de fournir sous ensoleillement nominal, en watt crête, est couramment appelée puissance en watts, par abus de langage ou ... manque de compréhension).

Voici un exemple dans un environnement très sobre.

Ces données brutes sont à interpréter pour le calcul : par exemple la machine à laver - qui fonctionnera à l'eau froide ou à l'eau chaude solaire- tournera 2 fois par semaine et la yaourtière tous les 3 jours. On voit que le smartphone a été négligé. Il y a deux enfants, il y aura peut-être plus de smartphones et d'ordinateur à terme. Le réfrigérateur sera dans une pièce non chauffée, sa consommation en hiver sera réduite, l'utilisateur envisage même de le couper en hiver.. Et l'éclairage LED est sous-estimé en hiver.Le réfrigérateur, s'il est A++, ne consommera que 800 wh par jour dans une pièce chauffée). On oscille donc entre une estimation plutôt haute à 1855 wh/jour, à une estimation affinée à : 1855-135 (machine à laver) + 60 (éclairage)+ 90 (ordinateur)- 300 (yaourtière) + 10 (smartphones) - 200 (réfrigérateur), soit environ 1400 wh/jour.

On le voit, la détermination du besoin est très personnelle, elle correspond au mode de vie et aux exigences de l'utilisateur. Dans l'exemple, il a été considéré un chauffe-eau solaire  en thermosiphon avec un appoint hydraulique. L'appoint est réalisé par un poêle bouilleur qui chauffera l'eau en thermosiphon.

En été, la situation est moins critique : on éclairera plutôt 4 heures par jour. Mais la réfrigération consommera plus d'énergie. Et de toutes manières, la production sera plus importante.

Il s'agit d'une résidence principale. Une utilisation seulement le week-end permettra d'utiliser moins de panneaux photovoltaïques car on recharge les batteries solaires durant toute la semaine. De même, on pourrait réduire la taille des batteries qui ne seraient sollicitées que 2 jours par semaine.

L'autonomie souhaitée pour l'installation photovoltaïque :

Ensuite on décide de son besoin en autonomie (nombre de jours sans soleil durant lesquels on exige un fonctionnement 'sur batteries' du système, pour couvrir les périodes de mauvais temps). Un jour d'autonomie correspond en première approche à 2 jours de mauvais temps. Ce besoin est un des facteurs de détermination de la taille des batteries, mais on peut aussi ajuster sa consommation en cas de mauvais temps, ce qui permet de diminuer la capacité des batteries à installer, ou d'augmenter l'autonomie des batteries en place ; la question est : ' Aura-t-on vraiment envie de réduire sa consommation, pendant des années, lorsqu'il fait mauvais ? '. Par défaut, le simulateur de l'INES propose 5 jours au minimum. La pratique recommandée par un ancien expert est de 6 jours : il considérait que 6 jours d'autonomie correspondaient à 12 jours de mauvais temps consécutifs. Cette donnée est en partie intégrée dans les simulateurs puisque l'on voit qu'ils tiennent compte de la station météo la plus proche, voire même de la localisation précise du lieu de la simulation (je vous parle de ce simulateur plus tard).

Le besoin d'appoint : utilisation d'un source alternative :

La possibilité d'appoint est aussi à prendre en compte: il est important, surtout pour les sites utilisés été comme hiver.

On base les simulations en général sur un % maximum lorsqu'elle est fournie par un groupe électrogène, % calculé sur le mois le plus défavorable.Bien sûr, l'utilisation se fera généralement aussi un peu durant les mois voisins, dans le but de ne pas solliciter la batterie de manière trop importante.

Dans le cas d'un appoint par éolienne, si la situation s'y prête, le calcul est un peu plus difficile. Je ne connais pas de simulateur, la localisation et les obstacles locaux qui perturbent le vent sont bien sûr impossibles à modéliser. Il reste donc a expérimenter sur le terrain.

2 - Dimensionner l'installation photovoltaïque :

Les simulateurs en ligne :

Ils permettent une première approche de ce dimensionnement : Si l'on en croit un certain nombre de spécialistes, ils ne remplacent pas une vraie étude.

Cela est vrai. J'y apporterait 3 commentaires :

- pour des installations 'domestiques', le coût d'une étude est tout à fait significatif par rapport au coût du matériel. Il vaut peut-être mieux augmenter le matériel sans faire d'étude...

- encore pour des installations domestique, le plus difficile à déterminer est le besoin. Je viens de vous en parler longuement. Voyez ci-après la méthodologie proposée pour éviter de le sous-estimer. Sous estimer le besoin est coûteux : si l'on peut facilement ajouter des panneaux à un système photovoltaïque pour en augmenter la production, il est impossible d'ajouter de la capacité batterie à un parc existant. La batterie neuve ne serait jamais complètement chargée à cause de ses voisines usagées, et du coup elle se dégraderait de manière accélérée.

- enfin j'ai vu dans le domaine du thermique des bureaux d'études utiliser les mêmes simulateurs en ligne, en l'occurrence ceux de l'INES.

Après la disparition du simulateur du site de TECSOL, qui intégrait une saisonnalité des besoins (plus d'éclairage et moins de réfrigération l'hiver), nous utilisons des simulateurs linéaires. On fournit donc un seul chiffre pour le besoin en énergie, qu'il faut évaluer pour les mois les plus défavorables : Décembre et Janvier. Ce faisant, on voit que pour les autres mois, dans le cas d'un dimensionnement adapté, on est en situation de surproduction.

Les autres paramètres du dimensionnement :

Précisons les autres 'contraintes' du système :

La position des panneaux : leur orientation par rapport au Sud et leur inclinaison. Dans l'hémisphère Nord, l'orientation plein Sud est optimale. Sauf cas très très particulier, il vaut mieux positionner tous ses panneaux plein Sud qu'une partie Sud-Est et une partie Sud-Ouest. Concernant l'orientation, en site isolé, il faut privilégier l'hiver : mettre ses panneaux face au soleil d'hiver. L'inclinaison optimale en sous les latitude de la France métropolitaine se situe donc sensiblement à 65°.

Les ombres et le 'relevé de masquage' : lorsque le site est entouré 'd'obstacles', il faut tenir compte des ombres portées sur les panneaux. Il peut s'agit de montagne, d'immeubles, d'arbres... Dans ce dernier cas, la question qu'il faut impérativement se poser est : que va-t-il se passer quand ils vont pousser. C'est d'ailleurs une question qu'il faut se poser avant de recevoir l'ombre : lors de l'implantation des panneaux, il faut prendre en compte la végétation et en particulier celle dont on n'a pas la maîtrise. Outre l'ombre qu'elle apporte, il faut se méfier de la végétation à proximité des panneaux : les ombres mouvantes (en raison du vent) sollicitent sévèrement les cellules, les parties à l'ombre arrêtant de produire alors que leurs voisines produisent, il se crée des courants internes qui peuvent endommager les cellules. Pour ce qui est du relevé de masquage, je vous laisse découvrir le principe sur le site d'une société des Hautes Alpes qui propose son calculateur : Heliorama.

Le rendement de l'installation et de ses équipements : Les 3 éléments principaux sont :

- les équipements électroniques : pour les onduleurs de qualité, on est aux alentours de 95% de rendement, contre 75% pour les entrée de gamme à bas coût. Le rendement dépend du taux d'utilisation : moins vous utilisez un équipement sous tension, plus les consommations en veille sont importantes; en photovoltaïque, ce qu'on a tendance à négliger lorsqu'on est raccordé au réseau devient primordial.  Le choix de l'équipement dépendra donc de la durée d'utilisation souhaitée, si vous pouvez arrêter la machine. Si vous n'avez pas de réfrigérateur, vous pouvez par exemple conserver l'éclairage en courant continu si vous êtes en 12 ou 24 Volts Dans ce cas, l'onduleur pourra être arrêté la plupart du temps, son rendement est moins critique . Pour le choix, n'hésitez pas à nous appeler, je n'aurai pas le temps de vous faire un tuto sur le sujet avant un moment. Pour ce qui concerne les régulateurs de charges, ils sont sont généralement très raisonnables.

- le rendement des batteries : Une batterie ne peut pas restituer l'ensemble de l'énergie qui a été utilisée pour la recharger : il y a par exemple des pertes joules lorsque le courant la traverse. Le rendement dépend de la batterie utilisée. Par exemple la gamme de batterie Gel sans entretien OpzV d'Exide A602 restitue plus 90% de l'énergie qu'elle absorbe (j'ai perdu le chiffre, je l'actualise dès que possible il me semble que c'est de l'ordre de 92 à 96%). La batterie à électrolyte liquide OPZS d'exide restitue plus de 89% de l'énergie qu'elle absorbe. Ceci -je n'ai pas lu la norme- dans des conditions de charge standard, en 10 heures je pense. Car en charge rapide, la batterie chauffe, les réactions chimiques se font moins bien, le rendement doit chuter. Idem pour les téléphones portables, ordinateurs, etc d'ailleurs.

- les pertes du réseau de câbles : quelques pourcents.

Le simulateur de l'INES propose par défaut 40% de pertes, et au minimum 30%. C'est peut-être un peu pessimiste pour les produits haut de gamme et les utilisateurs avertis/économes.

Voici le résultat de la simulation pour l'exemple ci-dessus :

 Dans l'exemple présent, il a été proposé à la demande du client 1800 wc de panneaux, l'installation sera faite en 24 volts.

Pourquoi 24 Volts ? parce qu'une fois qu'on a les éléments de dimensionnement, on a fait des chiffrages avec les différentes éléments de l'installation : en particulier batteries, coffrets de protection, régulateurs de charge, onduleurs. Lorsqu'on change de tension, il ne faut pas oublier qu'il faut disposer les panneaux pour avoir une tension suffisante :

- en 12 volts, les panneaux de 36, 60 ou 72 cellules sont en parallèle,

- en 24 volts, il faut mettre les panneaux de 36 et 60 cellules en série par 2, on doit donc avoir un nombre pair de panneaux,

- en 48 volts, il faut disposer en série 4 panneaux de 36 cellules, 3 de 60 cellules et 2 de 72 cellules au moins,

 

On choisit la solution la plus économique : en 24 volts, ici, l'onduleur,  le coffret DC des panneaux et le régulateur de charge sont moins onéreuses, les batteries un peu plus. Il y a deux fois moins d'intensité dans les câbles, donc moins de pertes joules à tous les niveaux.

Comment a-t-on dimensionné les différents éléments :

- l'onduleur : on prend la puissance maximale du tableau et l'on discute le cas échéant (si l'économie est notable) avec le client : est-ce que la machine à laver, les équipements divers (outillages à bois) et le mixeur doivent pouvoir tourner en même temps ? Sinon, on élimine ceux qui ont la puissance la plus faible.

- le régulateur de charge : on tient compte de l'intensité maximale des panneaux, on additionne les champs branchés en parallèle, on garde 20% de marge, 40% en montagne, bord de mer ou environnement lumineux. Certains 'tirent' sur l'intensité, effectivement, le régulateur ne claque pas instantanément, mais chauffe et vieillit plus vite. Pour la tension maximale, en 24 volts, on a mis 3 lignes de 2 panneaux Voltec Solar BIVA60 300 wc , on vérifie que deux fois la tension du panneau corrigée ne dépasse pas la tension maximale admissible par le régulateur sinon la sanction est immédiate quand la situation se présente : un composant claque.

La correction de tension ? La fiche technique du panneau donne à 25° une tension unitaire de 40.4 Volts. Tension de départ : 80.8 volts. Elle indique d'autre part un coefficient de température de Voc de -0.293%. à chaque ° supplémentaire, la tension diminue de 0.293%, soit 0,236744 Volt. Quand la température diminue, c'est l'inverse, la tension augmente. Si la température arrive à -20°c (à Brest, je ne pense pas que ce soit arrivé dans les 20 dernières années, mais avec le changement climatique, même si la température moyenne augmente, certaines zones comme la Bretagne pourraient avoir un climat plus froid : le Gulf Stream se meurt, on est à la latitude du Québec). Donc la tension peut monter de 45 fois 0.236744, environ 11 volts. On aura donc 90 volts au maximum. Pourquoi prend-on la tension Voc (open circuit : panneau non raccordé) ? parce que certains régulateurs lorsque les batteries sont chargées ouvrent le circuit des panneaux (même si d'autres mettent les panneaux en court circuit, en cas de changement de régulateur) . Vous avez vu qu'il y a aussi des correctifs d'intensité, là c'est mineur.

On regarde aussi si la puissance maximale passe : elle est indiquée sur les régulateurs de bonne marque. Il arrive que cette puissance soit le paramètre bloquant. A noter que pour un même régulateur, plus la tension est élevée, plus il accepte de puissance.

Voilà, à ce stade, je vous en ai dit déjà beaucoup.

Avant de passer à la suite, je vous parle de "l'autre" simulateur en ligne :

Le  simulateur européen qui va vous permettre de comparer les résultats... Voici, sans capture d'écran cette fois, la marche à suivre :

Choisissez la langue, en haut à droite ; déterminez votre localisation sous le plan, puis choisissez l'onglet 'hors réseau'.

Vous pouvez ensuite entrer votre consommation et ajuster les paramètres des éléments du système et la position des panneaux.

La meilleure solution pour l'hiver : panneaux plein Sud à 65°.

Pour démarrer, je pars des données de la page 'Dimensionnement : Un exemple simple de calcul', 100 wc, 170wattxheure en hiver. Et je tâtonne pour obtenir une jolie courbe de batterie à coût minimal : moins de 10% des jours à moins de 80% de charge, par exemple, les batteries OpzS vivrons 20 années au moins. Le fabriquant dit 15, mais quand je lui montre les courbes, il dit 'Ah oui...'.

A noter : ce logiciel tient compte de la localisation exacte de l'implantation. Côté météo, ça ne doit pas changer puisque seules les données des stations météo sont disponible. Il choisit par contre automatiquement la 'meilleure station', du moins j'espère. De surcroit, il intègre un masquage 'de base' en fonction du relief environnant : selon que vous vous mettez sur l'adret ou l'ubac d'une montagne, les masques changent.

Les résultats au format pdf qui vous sont proposés vous donnent une vision un peu plus complète de la vie du système que ce qui est à l'écran, avec en particulier les taux de charge de batterie. Je prévois de vous mettre à disposition un tuto qui expliquera comment prendre en compte les données.

3 - Quelques exemples de dimensionnement :

Il est difficile de savoir à l'avance comment va évoluer le besoin dès qu'on va disposer d'électricité, il est donc conseillé de faire 3 hypothèses.

La première hypothèse est l'hypothèse minimale : dites ce qui vous manque cruellement aujourd'hui.

La seconde est l'hypothèse moyenne : ce qu'il serait pratique d'avoir à disposition.

La troisième est l'hypothèse maximale :  je veux tout, et je suis prêt à payer pour ... ou pas .

Par exemple :

Hypothèse 1 : j'ai besoin d'éclairage, le réfrigérateur est au gaz, je recharge mon portable au travail ou j'ai un adaptateur 12V. Une idée : un panneau de 50wc 36 cellules, un régulateur de charge pas cher (pas besoin de MPPT), une batterie 100 Ah 12 Volts.

Hypothèse 2.1 : j'ai besoin d'éclairage, une télé ou un ordinateur 2 h par jour, je veux aussi recharger mon portable, et utiliser un petit sèche cheveux et un petit mixeur. Réfrigérateur gaz. On sait lever le pied quand il fait gris, du coup, pas de groupe électrogène. Une idée : un panneau 90 wc 36 cellules, un régulateur de charge, 2 batteries de 100 à 130 Ah 12 Volts, un onduleur pur sinus 500 w. Garder l'éclairage en 12 volts permet d'éteindre l'onduleur la majeure partie du temps. A une époque, trouver des ampoules 12 V était compliqué, aujourd'hui, c'est devenu beaucoup plus simple.

Hypothèse 2.2 : idem, mais réfrigérateur 230V classe A+++. Une idée pour ce qui concerne le réfrigérateur seul : 400 à 700 Wc de panneaux, un bon régulateur de charge, 400 Ah de batteries, un onduleur pur sinus de 500 ou 1000 w. Le réfrigérateur doit tourner tout le temps, du coup, on va prévoir un petit groupe électrogène. Le réfrigérateur alourdit le système au niveau équipement et coût, mais pour comparer avec un réfrigérateur gaz, vous économisez une bouteille de gaz toutes les 3 semaines, et son changement, et l'achat du réfrigérateur gaz... Variante : le réfrigérateur 12 V de Steca, dans ce cas on reste avec un petit onduleur, mais 2 réseaux dans la maison : un 12 VCC et un 230VAC.

Hypothèse 3 : je veux la même chose qu'en raccordé réseau, mais sans centrale nucléaire (généralement, il n'y a pas la place dans le jardin). Prenez le formulaire et cochez. Vous allez passer à 1000 ou 2000 Wc de panneaux, voire plus; un onduleur chargeur de 1 à 3 kwc, voire plus, un ou plusieurs régulateurs de charge haut de gamme, de type TAROM MMPT 6000 chez Steca par exemple,  l'ordre de grandeur de la capacité batterie sera de 500 à 1000 Ah en 12V en 24 V, voire en 48 V, et même parfois plus. A ce niveau, le poste le plus onéreux est la batterie. Et s'il s'agit d'une résidence principale, on va généralement la dimensionner pour qu'elle résiste bien plus de 10 ans : environ 7 à 9000 cycles, soit 15 à 25 ans si vous la déchargez tous les jours de maximum 20%, en première approche. Je vous parle là de batteries en blocs de 2V -6 blocs pour une installation en 12 Volts, 12 pour 24 Volts et 24 blocs pour 48 Volts-, plus robustes, et une énergie d'appoint sera (quasiment) obligatoire (éolienne, groupe électrogène), sauf si vous savez lever le cas échéant réfrigération.

4 - Une alternative à considérer si vos besoins correspondent à un 'gros' système :

Avant de vous lancer dans un achat de type 3, dites vous bien qu'il vous faudra y réfléchir à 2 fois : vous partez pour 10 ans et plus. Et il est difficile de modifier une installation 3 ans après :

- côté panneaux, vous n'êtes pas sûr de retrouver les mêmes panneaux, il faut donc reprendre aussi un régulateur supplémentaire et un shunt qui n'auraient peut-être pas été nécessaires en anticipant.

- côté batteries : si vous changez, c'est parce que vous voyez que les batteries se déchargent un peu trop rapidement, vous les avez déjà cyclées, en d'autre termes elles on vieilli (durée de vis d'une batterie 12 volts, selon la qualité pour une utilisation raisonnable : généralement 3 à 7 ans) . Et il n'est pas possible de brancher des batteries neuves sur un parc de vieilles batteries : les neuves prennent l'âge des vieilles très rapidement, et continuent : elles meurent très rapidement.

En conclusion : la définition des besoins est très importante quand on part sur un gros système, il faut se demander comment pourraient évoluer les besoins dans 1, 5 , 10 ans et plus. Ça vaut la peine d'y réfléchir en famille une demi journée, ou plus, de laisser quelques nuits passer. Une alternative est de prendre un système du type 'hypothèse 2' où les batteries dureront 3 à 7 ans selon votre usage, et de faire à nouveau le point au bout de 3 à 7 ans, ça procure un certain recul, une bonne expérience. Et si vos batteries ont tenu 7 ans, c'est que le dimensionnement initial n'était pas trop mauvais ! Vous pouvez donc au choix repartir sur la même solution ou opter pour des batteries en blocs de 2 volts et partir pour beaucoup plus longtemps.

5 - Conseils, accompagnement , à votre convenance :

Vous pouvez nous contacter et si vous nous fournissez la liste de vos besoins, nous ferons les simulations pour vous.

A partir de là, nous vous proposerons les produits qui répondent à vos besoins.

Si vous souhaitez un œil extérieur et un accompagnement, je peux vous recommander 2 contacts :

- Olivier Gilet, auto-entrepreneur et formateur en solaire thermique et photovoltaïque. Il pratique personnellement et accompagne depuis plusieurs années de auto-installateurs, y compris pour des installations couplées à des poêles bouilleurs et aussi des chaudières à bois. Basé en Loire Atlantique, à Issé, voisin et contributeur de la Maison Autonome, et si vous n'avez pas d'allergie aux cookies et inscriptions obligatoires, vous pouvez vous rendre ici : https://www.facebook.com/hameauduruisseau. Olivier peut aussi sous réserve d'une certaine proximité participer ou prendre totalement en charge l'installation.

David Mercereau, que j'ai découvert au gré des navigations sur le net et qui vous fera bénéficier de son expérience et de sa pratique dans le photovoltaïque. Vous  trouverez la page qui présente sa prestation en suivant ce lien.

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