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Installer un système photovoltaïque chez soi, étape 1 : le dimensionnement

Comment calculer ses besoins en énergie ? Comment estimer la ressource solaire locale ? Même si vous vous faites aider d’un professionnel (déniché dans notre annuaire !), il est intéressant de mieux maîtriser la technique du dimensionnement.

La maison Minto, à Ottawa, à énergie nette zéro (maisons EQuilibrium)
La maison Minto, à Ottawa, à énergie nette zéro (maisons EQuilibrium). Les panneaux en haut du toit sont photovoltaïques, ceux du bas sont thermiques (production d’eau chaude). Société canadienne d'hypothèques et de logement (SCHL). Le nom de « maison EQuilibrium » correspond à une des propositions gagnantes de l’Initiative de démonstration de maisons durables EQuilibriumMC de la Société canadienne d'hypothèques et de logement (SCHL).

La technologie photovoltaïque, tout le monde en parle. Pourtant, son rendement - le rapport entre l’énergie électrique produite et l’énergie lumineuse reçue - est encore peu élevé, de 6 à 23%, selon la technologie (ce dernier chiffre concerne les cellules PV commerciales au silicium monocristallin), comparé à celui d'un panneau solaire thermique (qui chauffe l’eau) trois fois supérieur. Mais la technologie s’améliore sans cesse et de toute manière, « les pertes dues au faible rendement ne gaspillent pas une ressource finie, comme c’est le cas avec la combustion d’énergie fossile »[1] comme source d’énergie. Le rendement n’affecte que le prix de revient d’un système pour couvrir un besoin donné en énergie.

Un système PV implique un capteur et la présence de plusieurs éléments (qui varie selon que le système est autonome ou non) qui composent ce système : les cellules solaires, les batteries, le régulateur de charge, le convertisseur CC/CA.

Les cellules solaires (ou PV), éléments de base de ces systèmes modulaires, permettent de convertir directement le rayonnement solaire en énergie électrique. Les cellules sont assemblées en modules, ou panneaux solaires, et ces derniers peuvent former un champ. Le module est le support le plus connu et le plus prisé et il est souvent installé directement sur le toit des maisons. Mais il y a bien d’autres applications. Il est en effet possible d’installer les modules photovoltaïques sur des bâtiments, de les incorporer à la conception d’une structure, aux vitres, au revêtement des fenêtres…

Hiérarchie des composants des capteurs solaires photovoltaïques
Hiérarchie des composants des capteurs solaires photovoltaïques. © Société Canadienne d’hypothèques et de logement (SCHL)

Le dimensionnement

Pour concevoir son système PV, il faut d’abord le dimensionner. À cette fin, on procèdera aux étapes qui suivent :

  1. Calculer ses vrais besoins en énergie ;
  2. Estimer la disponibilité de la ressource solaire ;
  3. Comparer la surface et le prix nécessaires aux modules pour chaque technologie ;
  4. Faire son choix de technologie selon le coût ou l’espace disponible ;
  5. Ajouter les autres composantes selon que le système sera indépendant ou non du réseau public.

Ces étapes sont élaborées ci-après.

1. Votre installation est-elle autonome ou reliée au réseau ?

Une installation autonome sera fondamentalement différente d’une installation connectée au réseau public. D’abord, parce que le soleil ne fournit de l’énergie que le jour, il faut accumuler de l’énergie pour la nuit. Ensuite, il faut prendre en compte la possibilité (qui se présente fréquemment) d’avoir une suite prolongée de journées sans soleil pendant lesquelles les besoins en énergie ne seront pas moindres. Par ailleurs, l’accumulation d’énergie dans des batteries les jours d’ensoleillement doit se faire pendant que la maisonnée tire du courant pour son fonctionnement normal. Enfin, au moment de la recharge des batteries et de la décharge en phase d’utilisation, certaines pertes auront lieu inévitablement. Tous ces facteurs font en sorte qu’il faut augmenter considérablement la taille du champ photovoltaïque par rapport à un système branché au réseau. Le prix de l’installation pour la maison autonome sera donc considérablement plus élevé, d’autant plus que les batteries, très chères au départ, ont une durée de vie assez limitée, et doivent être remplacées périodiquement (environ tous les 10 – 15 ans). Le calcul des besoins en énergie dépend donc fondamentalement du fait que votre installation sera connectée ou non au réseau public.

Installer un système photovoltaïque chez soi
© Jon Callas, CC

2. Les besoins en énergie

Il est essentiel, particulièrement pour un système autonome, de limiter au maximum la quantité d’énergie requise pour le bon fonctionnement de votre maisonnée. Il est hors de question, par exemple, de produire de l’électricité avec son système solaire afin de chauffer la maison à l’aide de plinthes électriques. Le chauffage devrait d’une part être réduit à son expression minimale, et d’autre part, utiliser une technologie renouvelable autre qu’un élément électrique. Le même commentaire s’applique à la cuisson et au séchage du linge. Le champ photovoltaïque demanderait sinon une trop grande superficie et serait trop coûteux.

Les besoins énergétiques comblés par le système PV devraient donc se limiter aux petits appareils––e.g. système audio/vidéo, ordinateur, réfrigérateur, éclairage––lesquels devraient par surcroit être très performants. Optez donc pour des appareils homologués Energy Star et éliminez les charges inutiles autant que possible. N’oubliez pas que l’électricité est une forme d’énergie de haut niveau qui peut nous rendre des services innombrables - allant du divertissement aux fonctions vitales comme l’éclairage et la ventilation. En produisant votre propre électricité, vous développerez possiblement une appréciation fort différente des services rendus par cette filière énergétique : vous mesurerez ce qu’est le gaspillage !!

Calculez ensuite l’énergie requise en remplissant le tableau ci-dessous :

Appareil

(N)

Nombre

CC/CA

(A)

Puissance nominale (W)

(B)

Heures d’utilisation journalière

Consommation en Wh/j

(N x A x B)

CC

CA

Téléviseur

1

CA

100

4

 

400

Ordinateur

2

CA

50

6

 

600

Ampoules DEL

6

CC

6

5

180

 

….

 

 

 

 

 

 

Total

 

 

 

 

 

 

 

Pour remplir ce tableau, vous devez vérifier l’information technique de vos appareils. Déterminez s’ils fonctionnent en courant continu ou alternatif, puis évaluez vos habitudes de consommation. Vous pourrez ainsi calculer l’énergie consommée pour mettre en marche vos appareils selon l’utilisation. Par exemple, une famille de quatre personnes nécessitera environ 40 kWh/jour, soit une puissance installée d’environ 12 kWc.

Les charges en courant alternatif (CA) doivent tenir compte des pertes dues à l’onduleur (voir lexique dans la dernière page). Ce rendement se situe entre 80% et 95% (à vérifier avec l’appareil que vous choisirez, mais vous pouvez estimer un rendement de 85% pour fins de dimensionnement). Les besoins journaliers seront donc : Charge totale CA/0,85 + charge totale CC.

3. Estimation de la ressource solaire disponible

Pour faire la conception d’un système photovoltaïque, il faut connaitre les ressources solaires disponibles selon le site où sera placée l’installation. Le gisement solaire est la quantité d’énergie disponible par mètre carré par jour (kWh/m2·jour) avec laquelle on commence à dimensionner notre système. Ces données sont normalement fournies par mois et représentent une source statistique pour évaluer la disponibilité de la ressource solaire pendant toute l’année. La figure ci-après indique le rayonnement global horizontal moyen (kWh/m2) par mois selon diverses latitudes du site.

Modèle d’un jour clair sans nuages
Rayonnement global journalier idéal en fonction de la saison et de la latitude du lieu (Labouret et al , 2006).

L’énergie solaire locale disponible est évaluée grâce aux données météorologiques régionales, en tenant compte de l’emplacement, incluant la latitude, des capteurs solaires. Certains préfèreront installer les panneaux à même le toit existant, ce qui limite grandement l’énergie qui peut être captée au cours de la journée.

Une option intéressante, mais très coûteuse, consiste à installer les panneaux sur des structures capables de suivre le soleil dans sa course céleste. Un « tracker solaire » ou « suiveur de soleil » permet effectivement de garder le soleil à angle droit avec la surface des panneaux, de façon à optimiser le rendement en toutes heures de la journée. Le surcoût lié à l’achat de ces dispositifs n’est que partiellement compensé par la plus petite surface de panneaux PV à se procurer pour répondre aux mêmes besoins.

Afin de maximiser les gains solaires, une installation « fixe » sera normalement orientée plein sud (±15°) et aura une inclinaison égale à la latitude. Par exemple, pour Montréal on devrait installer les panneaux à un angle fixe de 45°, mais on pourrait opter pour un angle de 30 à 60°, selon l’application. Un angle plus élevé (par rapport à l’horizontale) permettra des gains supérieurs en hiver, alors que le soleil est plus bas. Il permettra aussi à la neige de mieux glisser et évitera son accumulation sur les panneaux. La latitude locale peut facilement être trouvée sur Internet.

Où trouver les données relatant la puissance du rayonnement ?

La mesure des variables météorologiques demande des appareils complexes et coûteux. Une façon simple d’accéder à des données météorologiques fiables et valables est d’utiliser des outils qui vont automatiquement se référer à des bases de données publiques. Les plus importants sont énumérés ci-dessous :

  • RETScreen est un outil logiciel d’analyse de projets d’énergies propres basé sur Excel qui aide les décideurs à déterminer rapidement et à peu de frais si un projet d’énergie renouvelable, d’efficacité énergétique et de cogénération est financièrement et techniquement viable (Ressources Naturelles Canada, 2012). On trouve sur RETScreen des données météorologiques de différents lieux du monde et il est d’accès gratuit. Les données climatiques peuvent provenir des données locales (prises au sol) ou de données satellite de la NASA ;
  • Homer est un logiciel en accès libre qui utilise des données estimées par la NASA. Les données permettent aussi d’effectuer des analyses de coûts et de performance des différents types d’installations énergétiques (HOMER Energy, 2012) ;
  • Les cartes d’ensoleillement et du potentiel d’énergie solaire photovoltaïque du Canada, fournies par Ressources naturelles Canada à cette adresse. Ces cartes fournissent les données d’ensoleillement pour diverses inclinaisons, en plus de fournir le potentiel d’énergie solaire pour un système monté sur un tracker à deux axes. Elles offrent donc l’information la plus pratique pour les concepteurs.

4. Comparaison de la surface nécessaire et du coût de revient pour l’installation pour chaque technologie

Une fois que vous connaissez votre besoin en énergie électrique - en puissance et en énergie - et que vous avez une bonne évaluation de la ressource disponible, vous êtes en mesure de calculer la surface de panneaux requise pour combler vos besoins. Par exemple, si vous avez besoin de 50 kWh/jour en moyenne, que la ressource disponible est de 1 110 kWh/m2-jour pour le mois de décembre (le pire mois de l’année) et que la technologie choisie a une efficacité de 12%, alors la surface requise serait de

η est le rendement (dans ce cas 12%) des modules.

Par ailleurs, il faudrait installer davantage de puissance pour compenser les pertes inhérentes au système (câblage, redresseur, etc.) et songer à la possibilité de majorer la puissance installée de façon à répondre aux besoins lors de périodes prolongées sans soleil. Normalement, on ajoute entre 25 et 40% de puissance installée afin de s’assurer d’avoir accès à suffisamment d’énergie pour répondre à la demande en tout temps. Si la surface calculée est trop importante pour votre espace disponible et que votre décision de vous tourner vers la technologie solaire photovoltaïque est bien prise, vous pouvez alors opter pour une technologie ayant un meilleur rendement (le monocristallin, par exemple).

Dans tous les cas, une installation connectée au réseau ne souffre pas de ces obligations puisque si la ressource solaire n’est pas disponible pour une période prolongée, vous pouvez toujours tirer votre énergie directement du réseau !

Il est essentiel de noter que les sources de données climatiques fournissent habituellement la quantité d’insolation (ensoleillement) pour une surface horizontale. Si votre installation est inclinée (normalement à un angle égal à la latitude locale) ou si l’orientation de vos panneaux varient avec la position du soleil (avec un tracker ou pointeur solaire), alors la quantité d’énergie reçue sera plus avantageuse (tout particulièrement pour le tracker) et la taille de l’installation pourra être réduite en conséquence. Pour réfléchir à tout cela, faites appel à un professionnel en énergie solaire.

5. Le choix de la technologie

Une fois que vous aurez estimé la taille de l’installation, vous pouvez calculer le coût selon le prix du marché. Faites quelques vérifications afin de minimiser le prix de revient de chaque type de cellules en gardant à l’esprit l’espace nécessaire pour votre application. La plupart des gens choisissent la technologie cristalline dont le rendement supérieur permet une surface plus petite que la technologie amorphe (couches minces).

Notions de base d'électricité

Tension (communément appelé Voltage) : c'est la mesure de la différence de potentiel entre deux points d’un circuits électrique. L’analogue de la tension électrique est la pression dans un circuit de tuyauterie dans lequel circule de l’eau entrainée par une pompe. Son symbole est normalement U et elle se mesure en volts (V).

Courant (communément appelé Ampérage) : c'est la mesure du déplacement des charges dans un fil dans un certain laps de temps. Cela se compare au flux en litres/seconde qui traverse un tuyau d'eau. Le symbole du courant est I et il se mesure en ampères (A).

Puissance (communément appelé Wattage) : c'est la mesure de la quantité d’énergie par unité de temps fournie par un système. C’est le produit de la tension électrique et de l’intensité du courant. Elle a comme symbole P et se mesure en watts (W). On a donc P = U · I.

Un kilowattheure (kWh) c'est 1 000 W pendant une heure. C’est une mesure de l’énergie.

Le courant domestique est toujours en Courant Alternatif (CA).

 

[1] Greenpeace and The European Photovoltaic Industry Association. Solar Generation 6: Solar Photovoltaic Electricity Empowering the World. 2011. Page 14.

 

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