Cet article présente quatre scénarios de systèmes d’énergie solaire avec backup (batteries), le but étant de familiariser le lecteur à l’énergie potentiellement produisible par de tels systèmes. Les scénarios évoluent par tranche de 5 kW de puissance et sont équipés de la quantité maximale de batteries pouvant être rechargées par le système à lui-seul.
La figure ci-dessous montre le schéma d’un système d’énergie solaire standard. Les chiffres représentent le sens du courant électrique et les différentes étapes de conversion d’énergie. Les panneaux solaires transforment d’abord l’énergie du rayonnement solaire en courant continu (1), les onduleurs solaires transforment ensuite le courant continu des panneaux solaires en courant alternatif (2), les onduleurs pour batteries transforment ensuite le courant alternatif provenant des onduleurs solaires en courant continu (3), les batteries stockent l’électricité pour une utilisation ultérieure (4) et les onduleurs pour batteries transforment finalement le courant continu des batteries en courant alternatif lorsqu’il est sollicité par ses utilisateurs (5).
Les deux types d’onduleurs sont nécessaires pour deux raisons. Premièrement, en convertissant le courant continu en courant alternatif, ils rendent l’électricité produite par les panneaux solaires utilisable par nos appareils électriques. En effet, la quasi-totalité de nos appareils électriques fonctionnent avec un courant alternatif plutôt que continu. Deuxièmement, les onduleurs agissent comme régulateurs de charge et optimisent la durée de vie des batteries en maintenant leur état de charge le plus élevé possible tout en les protégeant contre la surcharge et les décharges trop profondes. Ils optimisent aussi la puissance maximale du système en élevant ou abaissant la tension selon les besoins. Les onduleurs sont donc essentiels à tout système d’énergie solaire, qu’il soit branché réseau ou hors-réseau.
Le modèle de panneau solaire utilisé est le CS3U-380MB-AG BiKu du fabricant canadien Canadian Solar. Le panneau solaire est monocristallin et bifacial, ce qui signifie qu’il capte les rayons du soleil par ses deux côtés (avant et arrière). Sa puissance est de 380 watts et son rendement est de 18.94%.
Le modèle d’onduleur utilisé est le SB-1SP-US-40 du fabricant allemand SMA Solar Technology. L’onduleur est de type sinusoïdal pur et a une puissance qui varie entre 3 et 8 kW dépendamment du scénario. Son rendement est de 97.2%.
Le modèle d’onduleur utilisé pour les batteries est le Sunny Island 4548-US/6048-US du fabricant allemand SMA Solar Technology. L’onduleur est de type sinusoïdal pur et a une puissance qui varie entre 4 et 6 kW dépendamment du scénario. Son rendement est de 96%.
Le modèle de batterie utilisé est le Trojan 31-AGM Deep Cycle 12V 102 Ah du fabricant américain Trojan. La batterie est une batterie AGM ayant une capacité de 102Ah (1.22 kWh), un voltage de 12V et un rendement de 85%.
Dans les trois cas, les fabricants sont renommés pour produire des équipements performants et durables et figurent parmi nos fournisseurs. Les équipements choisis quant à eux sont les plus populaires chez nos clients étant donné leur excellent rapport qualité/prix ainsi que leur fiabilité.
Cette section explique la logique derrière les calculs du dimensionnement des quatre différents systèmes d’énergie solaire ainsi que de l’autonomie que les backups procurent. Afin d’alléguer les explications, le premier des quatre systèmes étudiés à été pris en exemple (5 kW de puissance). La même logique a été appliqué pour les trois systèmes suivants. Pour ceux désirant consulter les résultats, ces derniers sont affichés à la section suivante.
1) Dimensionnement des panneaux solaires
La quantité de panneaux solaires d’un système dépend de la puissance totale du système.
→ 5000 watts ÷ 380 watts/panneau = 14 panneaux.
→ Un système d’énergie solaire de 5 kW comporte 14 panneaux solaire.
2) Dimensionnement des onduleurs
La puissance cumulative des onduleurs d’un système doit être d’au moins 80% de celle du système solaire et un onduleur est nécessaire pour chaque tranche de 15 panneaux.
→ 80% de 5000 watts = 4000 watts
→ 5000 watts ÷ 380 watts/panneau = 14 panneaux = 1 onduleur
→ Un système d’énergie solaire de 5 kW a besoin d’un seul onduleur de 4000 watts de puissance.
La puissance cumulative des onduleurs pour batteries doit être égale à l’appel de puissance maximal journalier. L’appel de puissance correspond à la puissance totale nécessaire pour faire fonctionner simultanément une quantité d’appareils électriques donnée. Ainsi, par exemple, un frigo de 500 watts de puissance et une cuisinière de 1500 watts de puissance nécessitent un onduleur pour batteries de 2000 watts pour qu’ils puissent fonctionner simultanément en tout temps.
Étant donné que les appels de puissance varient constamment selon la quantité et la puissance des appareils électriques qui fonctionnent en même temps, nous supposons que l’appel maximal en puissance est de 6000 watts et ce, peu importe la puissance du système.
→ Pour un système d’énergie solaire de 5 kW, un seul onduleur pour batteries de 6 kW est nécessaire.
3) Dimensionnement des batteries
La quantité de batteries d’un système dépend de la puissance totale du système et de la quantité d’énergie produite par le dit système, l’énergie produite étant l’équivalent de la quantité d’énergie stockable par les batteries.
→ 5000 watts ÷ 380 watts/panneau = 14 panneaux
→ Énergie journalière produite par les panneaux= [Nombre de panneaux * Puissance des panneaux * Heures ensoleillement quotidien moyen * Rendement panneaux * Rendement onduleurs] = [14 panneaux * 380 watts/panneau * 5.6 heures d’ensoleillement moyen par jour * 0.1894 * 0.972] = 5.50 kWh
→ Nombre de batteries à connecter en parallèle = Énergie produite par panneaux (kWh) ÷ Capacité d’une batterie (kWh/batterie) = 5.50 kWh ÷ 1.22 kWh/batterie = 5 batteries
→ Nombre de batteries à connecter en série = Voltage souhaité de la banque de batteries (Volts) ÷ Voltage d’une batterie (Volts) = 24 Volts ÷ 12 volts/batterie = 2 batteries
→ Nombre total de batteries total = Nombre de batterie en parallèle * Nombre de batteries en série = 5 * 2 = 10 batteries
→ Un système d’énergie solaire de 5 kW peut donc recharger à lui seul 10 batteries AGM de 1.22 kWh de capacité chacune.
N.B.1. Le 5.6 d’ensoleillement moyen par jour provient des données historiques d’Environnement Canada pour 1981-2010 de l’aéroport international de Pierre-Elliott Trudeau.
N.B.2. Le voltage souhaité de la banque de batteries est d’au moins 24 volts étant donné que l’on désire réduire l’ampérage moyen du système pour réduire ses coûts en minimisant le diamètre du filage nécessaire.
4) L’autonomie du système solaire
L’autonomie d’un système solaire correspond à l’énergie finale restituée à la sortie du système qui peut être directement utilisée. Cette dernière dépend de l’ensoleillement moyen ainsi que de l’ensemble des rendements des différents équipements du système. Dans ce cas-ci, elle est le produit de l’énergie produite par les panneaux solaire, du rendement des onduleurs pour batteries et du rendement des batteries elles-mêmes. Le rendement des onduleurs doit toutefois être considéré deux fois puisque le courant y circule à deux reprises (voir les étapes 3,4 et 5 du schéma d’un système standard à la section précédente).
→ Autonomie du système = [Énergie journalière produite par les panneaux solaires * Rendement des onduleurs pour batteries * Rendement des batteries * Rendement des onduleurs pour batteries] = [5.50 kWh *0.96 * 0.85 *0.96] = 4.31 kWh
→ L’énergie utile d’un système d’énergie solaire de 5 kW est donc de 4.31 kWh.
Le tableau ci-dessous montre la configuration souhaitée des quatre différents systèmes d’énergie solaire. Cela dit, la quantité de batteries de chaque système diffère étant donné qu’une quantité maximale de batteries peut être chargée pour une puissance donnée. Bien évidemment, plus la puissance d’un système augmente, plus grande est la quantité d’onduleurs et de batteries nécessaire.
Le tableau ci-dessous montre les données énergétiques des quatre différents systèmes d’énergie solaire. Dans la même logique que dans le tableau précédent, plus la puissance d’un système augmente, plus grande est l’énergie produite et plus grande est l’autonomie énergétique procurée par les batteries. L’énergie produite par les panneaux solaires tient compte du rendement des panneaux solaire et de l’onduleur. L’énergie disponible dans les batteries tient compte du rendement des batteries et correspond à l’énergie utile du système, soit l’autonomie procurée par le système.
Les résultats de la section précédente montrent que l’énergie disponible des quatre différents systèmes d’énergie solaire varie entre 4.31 kWh et 16.33 kWh. Sachant que cette quantité d’énergie puisse paraître abstraite pour plusieurs, la section qui suit a comme objectif d’expliquer ce que représente de telles quantités d’énergie.
À titre indicatif, Hydro-Québec affirme qu’une maison unifamiliale de 2000 pieds carrés qui ne possède pas de piscine ou de spa consomme en moyenne 25 000 kWh d’électricité par an. Cette consommation équivaut théoriquement à 70 kWh/jour. Toutefois, étant donné que notre consommation électrique hivernale moyenne est de deux à trois fois supérieure à notre consommation électrique estivale moyenne, diviser ce 25 000 kWh par le nombre de jours dans l’année ne serait pas représentatif d’une consommation électrique journalière moyenne. En effet, cette division ne ferait que témoigner d’une valeur moyenne composée de faibles et grandes valeurs. Supposons donc qu’en période hivernale notre demande électrique est de 120 kWh/jour et qu’elle oscille autour des 45 kWh/jour pour le restant de l’année.
Les résultats précédents de 4.31 à 16.33 kWh d’autonomie sont donc très peu relativement à notre demande énergétique journalière moyenne. Il faut donc être conscient du fait qu’un système solaire de 5 à 20 kW de puissance ne pourra pas répondre à l’entièreté de votre demande énergétique. Dépendamment de votre niveau de consommation, il comblera entre 10 et 60% de votre demande.
Pour vous donner une encore meilleure idée de ce que les autonomies précédemment décrites représentent, le tableau ci-dessous montre l’énergie requise pour le fonctionnement d’appareils ménagers typiques.
Le tableau ci-haut montre à quel point il est facile de consommer 13.76 kWh d’énergie. En effet, sachant que le 13.76 kWh du tableau ne tient pas compte du chauffage (qui compte pour 60% de notre consommation globale d’énergie), de l’utilisation de la laveuse et de la sécheuse (tous deux très énergivores) et de l’utilisation d’une multitude d’autres appareils (aspirateur, déshumidificateur, ventilateur, console de jeu vidéo, lecteur DVD, système de son, machine à café, etc.) cette quantité d’énergie est très peu. Il est d’autant plus important de ne pas oublier que le 13.76 kWh d’énergie nécessaire pour faire fonctionner ces appareils peut facilement doubler si plusieurs appareils fonctionnent en même temps (effet de Peukert, expliqué dans les articles publiés précédemment). L’appel de puissance du cas présenté ci-haut est de 8.32 kW. L’appel de puissance maximale de 6 kW considéré dans le cadre de cet article serait donc trop peu pour faire fonctionner simultanément l’ensemble des appareils énumérés. Des compromis devraient donc être faits.
En définitive, les quatre scénarios de systèmes solaires présentés offrent des autonomies quotidiennes de 4.31 à 16.33 kWh. Bien qu’elles ne vous permettent pas de combler l’entièreté de votre demande énergétique, elles vous donneront la capacité d’être partiellement indépendant énergétiquement parlant tout en diminuant vos factures électriques. Un système d’énergie solaire est donc un système d’appoint plutôt qu’un système primaire.
N’hésitez pas à nous contacter pour obtenir davantage d’information face aux différents systèmes solaire proposés, il nous fera plaisir de vous aider! Sachez d’ailleurs que les scénarios présentés dans le cadre de cet article ne sont pas les seuls scénarios possibles et qu’un système d’énergie solaire est facilement modifiable selon vos besoins et votre budget.