Batteries solaires pour le jardin et la maison : types, principes de fonctionnement et procédure de calcul des systèmes solaires

La science nous a donné une époque où la technologie permettant d’utiliser l’énergie solaire est devenue accessible au public.Chaque propriétaire a la possibilité d’acquérir des panneaux solaires pour sa maison. Les estivants ne sont pas en reste en la matière. Ils se trouvent souvent loin des sources centralisées d’approvisionnement en électricité durable.

Nous vous proposons de vous familiariser avec les informations présentant la conception, les principes de fonctionnement et le calcul des unités de travail du système solaire. La familiarisation avec les informations que nous vous proposons vous rapprochera de la réalité de l'alimentation de votre site en électricité naturelle.

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

Conception et principe de fonctionnement d'une batterie solaire

Il était une fois des esprits curieux qui découvraient pour nous des substances naturelles produites sous l'influence de particules de lumière solaire, de photons, énergie électrique. Le processus s'appelait l'effet photoélectrique. Les scientifiques ont appris à contrôler les phénomènes microphysiques.

Sur la base de matériaux semi-conducteurs, ils ont créé des appareils électroniques compacts - les photocellules.

Les fabricants maîtrisent la technologie consistant à combiner des convertisseurs miniatures en panneaux solaires efficaces. L'efficacité des modules de panneaux solaires en silicium largement produits par l'industrie est de 18 à 22 %.

D'après la description du schéma, cela ressort clairement : tous les composants de la centrale électrique sont d'égale importance - le fonctionnement coordonné du système dépend de leur sélection compétente.

Une batterie solaire est assemblée à partir de modules. C'est le point final du voyage des photons du Soleil à la Terre. À partir de là, ces composants du rayonnement lumineux poursuivent leur chemin à l’intérieur du circuit électrique sous forme de particules de courant continu.

Ils sont répartis entre des batteries ou transformés en charges de courant électrique alternatif d'une tension de 220 volts, qui alimente toutes sortes d'appareils techniques domestiques.

Une batterie solaire est un complexe de dispositifs semi-conducteurs connectés en série - des photocellules qui convertissent l'énergie solaire en énergie électrique.

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

Types de modules de panneaux solaires

Les panneaux-modules solaires sont assemblés à partir de cellules solaires, autrement appelées convertisseurs photoélectriques. Les FEP de deux types ont été largement utilisés.

Ils diffèrent par les types de semi-conducteurs en silicium utilisés pour leur fabrication, à savoir :

• Polycristallin. Ce sont des cellules solaires fabriquées à partir de silicium fondu grâce à un refroidissement à long terme. La méthode de production simple rend le prix abordable, mais la productivité de la version polycristalline ne dépasse pas 12 %.
• Monocristallin. Ce sont des éléments obtenus en découpant un cristal de silicium cultivé artificiellement en fines tranches. L'option la plus productive et la plus coûteuse. Le rendement moyen est d'environ 17 % ; vous pouvez trouver des cellules solaires monocristallines avec des performances plus élevées.

Les cellules solaires polycristallines sont de forme carrée et plate avec une surface non uniforme. Les variétés monocristallines ressemblent à de fins carrés avec une structure de surface uniforme avec des coins coupés (pseudo-carrés).

Voici à quoi ressemblent les FEP - convertisseurs photovoltaïques : les caractéristiques du module solaire ne dépendent pas du type d'éléments utilisés - cela n'affecte que la taille et le prix

Les panneaux de la première version de même puissance sont plus grands que les seconds en raison d'un rendement moindre (18% contre 22%). Mais en moyenne, ils coûtent dix pour cent moins cher et sont très demandés.

Vous pourrez découvrir les règles et les nuances du choix des panneaux solaires pour fournir de l’énergie de chauffage autonome. lire ici.

Schéma de fonctionnement de l'alimentation en énergie solaire

Lorsque l’on regarde les noms mystérieux des composants qui composent le système d’énergie solaire, l’idée vient à la complexité super-technique de l’appareil.

Au niveau micro de la vie des photons, cela est vrai. Et visuellement, le schéma général du circuit électrique et le principe de son fonctionnement paraissent très simples. Il n'y a que quatre marches entre le corps céleste et « l'ampoule Ilitch ».

Les modules solaires sont le premier composant d'une centrale électrique. Il s'agit de panneaux rectangulaires minces assemblés à partir d'un certain nombre de plaques de photocellules standards. Les fabricants fabriquent des panneaux photo de puissance électrique variable et de multiples de tension de 12 volts.

Les appareils de forme plate sont idéalement situés sur des surfaces ouvertes aux rayons directs. Les blocs modulaires sont combinés à l'aide de connexions mutuelles dans une batterie solaire. La tâche de la batterie est de convertir l'énergie solaire reçue, en produisant un courant continu d'une valeur donnée.

Dispositifs de stockage de charges électriques - batteries pour panneaux solaires connu de tous. Leur rôle au sein du système d’approvisionnement en énergie solaire est traditionnel. Lorsque les consommateurs domestiques sont connectés à un réseau centralisé, les dispositifs de stockage d’énergie stockent l’électricité.

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

La batterie fournit la quantité d'énergie requise au circuit et maintient une tension stable dès que sa consommation augmente jusqu'à une valeur accrue. La même chose se produit, par exemple, la nuit lorsque les panneaux photo ne fonctionnent pas ou par temps peu ensoleillé.

Le schéma d'approvisionnement en énergie d'une maison utilisant des panneaux solaires diffère des options avec des collecteurs par la capacité de stocker de 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 ne leur permet pas de bouillir en raison d'une surcharge ou d'une chute du potentiel électrique en dessous d'une certaine norme nécessaire au fonctionnement stable de l'ensemble du système solaire.

Inverser, c'est ainsi que le terme sonne littéralement expliqué onduleur solaire. Oui, en fait, cet appareil remplit une fonction qui semblait autrefois fantastique aux ingénieurs électriciens.

Il convertit le courant continu du module solaire et des batteries en courant alternatif avec une différence de potentiel de 220 volts. Il s’agit de la tension de fonctionnement de la grande majorité des appareils électroménagers.

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

Charge de pointe et consommation énergétique quotidienne moyenne

Le plaisir d’avoir sa propre station solaire vaut toujours beaucoup. La première étape vers l'exploitation de la puissance de l'énergie solaire consiste à déterminer la charge de pointe optimale en kilowatts et la consommation d'énergie quotidienne moyenne rationnelle en kilowattheures pour un ménage ou une maison de campagne.

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

Le calcul de la consommation électrique maximale vous permet d'identifier quels appareils électriques nécessitent un fonctionnement simultané et lesquels ne sont pas si vitaux. Les caractéristiques de puissance des composants de la centrale électrique, c'est-à-dire le coût total de l'appareil, sont soumises à cet indicateur.

La consommation énergétique quotidienne d'un appareil électrique est mesurée par le produit de sa puissance individuelle et du temps pendant lequel il a fonctionné sur le réseau (électricité consommée) pendant la journée. La consommation énergétique quotidienne moyenne totale est calculée comme la somme de l’électricité consommée par chaque consommateur sur une période quotidienne.

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 d'énergie solaire à un coût minimal.

Le résultat de la consommation d'énergie permet d'aborder rationnellement la consommation d'électricité solaire. Le résultat des calculs est important pour le calcul ultérieur de la capacité de la batterie. Le prix du pack batterie, élément non négligeable du système, dépend encore plus de ce paramètre.

La procédure de calcul des indicateurs énergétiques

Le processus de calcul commence littéralement avec une feuille de cahier située horizontalement, carrée et dépliée. Avec de légers traits de crayon, on obtient à partir de la feuille un formulaire à trente colonnes, et des lignes en fonction du nombre d'appareils électroménagers.

Préparation aux calculs arithmétiques

La première colonne est traditionnelle : un numéro de série. La deuxième colonne est le nom de l'appareil électrique. Le troisième est sa consommation électrique individuelle.

Les colonnes quatre à vingt-sept correspondent aux heures de la journée de 00 à 24. Les éléments suivants y sont inscrits par une ligne fractionnaire horizontale :

• au numérateur – la durée de fonctionnement de l'appareil pendant une heure spécifique sous forme décimale (0,0) ;
• le dénominateur est à nouveau sa consommation électrique individuelle (cette répétition est nécessaire pour calculer les charges horaires).

La vingt-huitième colonne correspond à la durée totale de fonctionnement de l'appareil domestique pendant la journée.Dans le vingt-neuvième - la consommation d'énergie personnelle de l'appareil est enregistrée en multipliant la consommation d'énergie individuelle par la durée de fonctionnement sur une période quotidienne.

L'élaboration d'un cahier des charges détaillé des consommateurs, prenant en compte les charges horaires, permettra de conserver davantage d'appareils habituels, grâce à leur utilisation rationnelle.

La trentième colonne est également standard - remarque. Ce sera utile pour les calculs intermédiaires.

Elaboration d'un cahier des charges consommateur

La prochaine étape des calculs est la transformation du formulaire de cahier en un cahier des charges destiné aux consommateurs d'électricité domestiques. La première colonne est claire. Les numéros de série des lignes sont saisis ici.

La deuxième colonne contient les noms des consommateurs d'énergie. Il est recommandé de commencer à remplir le couloir d'appareils électriques. Ce qui suit décrit d'autres pièces dans le sens inverse des aiguilles d'une montre ou dans le sens des aiguilles d'une montre (selon votre convenance).

S'il y a un deuxième (etc.) étage, la procédure est la même : depuis les escaliers - autour. Dans le même temps, il ne faut pas oublier les dispositifs d'éclairage des cages d'escalier et des rues.

Il est préférable de remplir la troisième colonne en indiquant la puissance en face du nom de chaque appareil électrique avec la seconde.

Les colonnes quatre à vingt-sept correspondent à chaque heure de la journée. Pour plus de commodité, vous pouvez les dessiner immédiatement avec des lignes horizontales au milieu des lignes. Les moitiés supérieures des lignes résultantes sont comme des numérateurs, les moitiés inférieures sont des dénominateurs.

Ces colonnes sont remplies ligne par ligne. Les numérateurs sont formatés de manière sélective sous forme d'intervalles de temps au format décimal (0,0), reflétant la durée de fonctionnement d'un appareil électrique donné au cours d'une période horaire particulière. En parallèle, là où sont inscrits les numérateurs, les dénominateurs sont inscrits avec l'indicateur de la puissance de l'appareil, pris dans la troisième colonne.

Une fois toutes les colonnes d'heures remplies, procédez au calcul du temps de travail quotidien individuel des appareils électriques, en progressant ligne par ligne. Les résultats sont enregistrés 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 tourne pas au ralenti, une partie de la charge peut y être connectée pour une puissance constante.

Sur la base de la puissance et des heures de travail, la consommation d'énergie quotidienne de tous les consommateurs est calculée séquentiellement. Il est noté dans les cellules de la vingt-neuvième colonne.

Lorsque toutes les lignes et colonnes du cahier des charges sont remplies, les totaux sont calculés. En additionnant les graphiques de puissance des dénominateurs des colonnes horaires, les charges de chaque heure sont obtenues. En additionnant la consommation énergétique quotidienne individuelle de la vingt-neuvième colonne de haut en bas, on obtient la moyenne quotidienne totale.

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

Analyse et optimisation des données obtenues

Si l'énergie d'une centrale solaire est prévue comme source de secours, les données sur la consommation électrique horaire et la consommation énergétique quotidienne moyenne totale permettent de minimiser la consommation d'électricité solaire coûteuse.

Ceci est réalisé en excluant l'utilisation des consommateurs à forte intensité énergétique jusqu'à ce que l'alimentation électrique centralisée soit rétablie, en particulier pendant les heures de pointe.

Si le système d’énergie solaire est conçu comme une source d’alimentation électrique constante, les résultats des charges horaires apparaissent.Il est important de répartir la consommation d'électricité tout au long de la journée de manière à éliminer les hautes et les très basses prédominances.

L'élimination des charges de pointe, le nivellement des charges maximales et l'élimination des baisses brusques de la consommation d'énergie au fil du temps permettent de sélectionner les options les plus économiques pour les composants du système solaire et d'assurer un fonctionnement à long terme stable et, surtout, sans problème de la station solaire.

Le graphique révélera l'inégalité de la consommation d'énergie : notre tâche est de décaler les maximums au moment de la plus grande activité solaire et de réduire la consommation totale quotidienne, surtout la nuit.

Le dessin présenté montre la transformation d'un planning irrationnel obtenu sur la base d'un cahier des charges en un planning optimal. La consommation journalière a été réduite de 18 à 12 kW/h, la charge horaire journalière moyenne de 750 à 500 W.

Le même principe d’optimalité est utile lors de l’utilisation de l’option énergie solaire comme secours. Cela ne vaut peut-être pas la peine de dépenser trop d’argent pour augmenter la puissance des modules solaires et des batteries au nom de quelques désagréments temporaires.

Sélection de composants de centrale solaire

Pour simplifier les calculs, nous considérerons la version consistant à utiliser une batterie solaire comme principale source d'énergie électrique pour le jardin. Le consommateur sera une maison de campagne conditionnelle dans la région de Riazan, où il résidera en permanence de mars à septembre.

Des calculs pratiques basés sur les données du planning rationnel de consommation horaire d'énergie publié ci-dessus permettront de clarifier le raisonnement :

• Consommation d'énergie quotidienne moyenne totale = 12 000 watts/heure.
• Consommation de charge moyenne = 500 watts.
• Charge maximale 1200 watts.
• Charge de pointe 1200 x 1,25 = 1500 watts (+25%).

Les valeurs seront nécessaires au calcul de la capacité totale des appareils solaires et d'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, qui est la valeur nominale de batterie la plus courante. Les composants les plus utilisés des stations solaires : modules solaires, contrôleurs, onduleurs sont produits pour les tensions courantes de 12, 24, 48 volts.

Une tension plus élevée permet d'utiliser des fils d'alimentation de section plus petite, ce qui signifie une fiabilité de contact accrue. En revanche, les batteries 12 V défectueuses peuvent être remplacées une par une.

Dans un réseau 24 volts, compte tenu des spécificités du fonctionnement des batteries, vous ne devrez les remplacer que par paires. Un réseau 48V nécessitera de changer les quatre piles d'une branche. De plus, à 48 volts, il existe déjà un risque de choc électrique.

Avec la même capacité et à peu près le même prix, vous devez acheter des batteries avec la profondeur de décharge autorisée la plus élevée et un courant maximum plus élevé.

Le choix principal de la valeur nominale de la différence de potentiel interne du système est lié aux caractéristiques de puissance des onduleurs produits par l'industrie moderne et doit prendre en compte l'ampleur de la charge de pointe :

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

Choisir entre la fiabilité du câblage et l'inconvénient du remplacement des batteries, pour notre exemple nous nous concentrerons sur la fiabilité. Par la suite, nous partirons de la tension de fonctionnement du système calculé, 24 volts.

Equiper la batterie de modules solaires

La formule de calcul de la puissance nécessaire à une batterie solaire ressemble à ceci :

Рcm = (1000 * Esut) / (k * Sin),

Où:

• Rcm = puissance de la batterie solaire = puissance totale des modules solaires (panneaux, W),
• 1000 = sensibilité photovoltaïque acceptée (kW/m²)
• Esut = besoin de consommation énergétique journalière (kWh, dans notre exemple = 18),
• k = coefficient saisonnier prenant en compte toutes les pertes (été = 0,7 ; hiver = 0,5),
• Syn = valeur tabulée de l'insolation (flux de rayonnement solaire) à l'inclinaison optimale des panneaux (kW*h/m²).

Vous pouvez connaître la valeur d'ensoleillement auprès de votre service météorologique régional.

L'angle d'inclinaison optimal des panneaux solaires est égal à la latitude de la zone :

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

La région de Riazan considérée dans notre exemple est située à la latitude 55.

La puissance la plus élevée des panneaux solaires est obtenue grâce à l'utilisation de systèmes de suivi, aux changements saisonniers de l'angle d'inclinaison des panneaux et à l'utilisation de modules de finition mixtes.

Pour la période de mars à septembre, la meilleure inclinaison non régulée du panneau solaire est égale à un angle d'été de 40⁰ par rapport à la surface de la terre. Avec cette installation de modules, l'ensoleillement quotidien moyen de Riazan pendant cette période est de 4,73. Tous les chiffres sont là, faisons le calcul :

Rcm = 1 000 * 12 / (0,7 * 4,73) ≈ 3 600 watts.

Si nous prenons des modules de 100 watts comme base pour la batterie solaire, nous en aurons alors besoin de 36. Ils pèseront 300 kilogrammes et occuperont une superficie d’environ 5 x 5 m.

Schémas de câblage testés sur le terrain et options de connexion de panneaux solaires sont donnés ici.

Disposition d'un bloc d'alimentation par batterie

Lors du choix des batteries, vous devez être guidé par les principes suivants :

1. Les batteries de voiture ordinaires ne conviennent PAS à cet usage. Les batteries des centrales solaires portent l’inscription « SOLAR ».
2. Vous ne devez acheter que des batteries identiques à tous égards, de préférence provenant du même lot d’usine.
3. La pièce où se trouve la batterie doit être chaude. La température optimale lorsque les batteries produisent leur pleine puissance = 25⁰C. Lorsqu'elle descend à -5⁰C, la capacité de la batterie diminue de 50 %.

Si l'on prend pour le calcul une batterie représentative de 12 volts d'une capacité de 100 ampères/heure, il est facile de calculer qu'elle peut fournir de l'énergie aux consommateurs avec une puissance totale de 1 200 watts pendant une heure entière. Mais c'est avec une décharge complète, ce qui est extrêmement indésirable.

Pour une durée de vie à long terme des batteries, il n'est PAS recommandé de réduire leur charge en dessous de 70 %. Chiffre limite = 50%. En prenant le nombre 60 % comme « juste milieu », nous basons les calculs ultérieurs sur la réserve d'énergie de 720 Wh pour 100 Ah du composant capacitif de la batterie (1 200 Wh x 60 %).

Peut-être que l'achat d'une batterie d'une capacité de 200 Ah coûtera moins cher que l'achat de deux batteries de 100 Ah et que le nombre de connexions de contact de la batterie sera réduit.

Initialement, les batteries doivent être installées chargées à 100 % à partir d’une source d’alimentation fixe. Les batteries rechargeables doivent couvrir complètement les charges dans l'obscurité. Si vous n'avez pas de chance avec la météo, maintenez les paramètres système requis pendant la journée.

Il est important de prendre en compte qu'un excès de batteries entraînera une sous-charge constante. Cela réduira considérablement la durée de vie. La solution la plus rationnelle semble être d'équiper l'unité de batteries disposant d'une réserve d'énergie suffisante pour couvrir une consommation énergétique quotidienne.

Pour connaître la capacité totale requise de la batterie, divisez la consommation énergétique quotidienne totale de 12 000 Wh par 720 Wh et multipliez par 100 A*h :

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

Au total, pour notre exemple nous aurons besoin de 16 batteries d'une capacité de 100 ou 8 de 200 Ah, connectées en série-parallèle.

Choisir un bon contrôleur

Sélection compétente contrôleur de charge de batterie (AKB) est une tâche très spécifique. Ses paramètres d'entrée doivent correspondre aux modules solaires sélectionnés, et la tension de sortie doit correspondre à la différence de potentiel interne du système solaire (dans notre exemple, 24 volts).

Un bon contrôleur doit fournir :

1. Chargement des batteries en plusieurs étapes, ce qui multiplie leur durée de vie effective.
2. Connexion-déconnexion automatique mutuelle, batterie et batterie solaire en corrélation avec charge-décharge.
3. Reconnexion de la charge de la batterie à la batterie solaire et vice versa.

Cette petite unité est un élément très important.

Si certains consommateurs (par exemple, l'éclairage) passent à l'alimentation directe de 12 volts du contrôleur, un onduleur moins puissant sera nécessaire, ce qui signifie moins cher.

Le bon choix du contrôleur détermine le fonctionnement sans problème d'une batterie coûteuse et l'équilibre de l'ensemble du système.

Choisir le meilleur onduleur

L'onduleur est sélectionné avec une puissance telle qu'il peut fournir une charge de pointe à long terme. Sa tension d'entrée doit correspondre à la différence de potentiel interne du système solaire.

Pour la meilleure option de sélection, il est recommandé de faire attention aux paramètres suivants :

1. Forme et fréquence du courant alternatif fourni. Plus on se rapproche d'une sinusoïde de 50 hertz, mieux c'est.
2. Efficacité de l'appareil. Plus 90% est élevé, plus c'est merveilleux.
3. Consommation propre de l'appareil. Doit être proportionnel à la consommation électrique globale du système. Idéalement - jusqu'à 1%.
4. La capacité d'un nœud à résister à des doubles surcharges à court terme.

La conception la plus excellente est un onduleur avec une fonction de contrôleur intégrée.

Assemblage d'un système solaire domestique

Nous vous avons fait une sélection de photos qui démontre 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 à faire soi-même de l'installation de panneaux solaires sur le toit d'une maison :

Vidéo n°2. Sélection de batteries pour un système solaire, types, différences :

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

Les méthodes de calcul pratiques étape par étape, le principe de base du fonctionnement efficace d'une batterie de panneaux solaires moderne dans le cadre d'une station solaire autonome domestique aideront les propriétaires à la fois d'une grande maison dans une zone densément peuplée et d'une maison de campagne. en pleine nature pour acquérir la souveraineté énergétique.

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