Comment concevoir un système d'énergie solaire pour des charges qui ne fonctionnent pas toute la journée
Toutes les charges électriques ne fonctionnent pas en continu.
Une pompe à eau peut fonctionner plusieurs heures le matin et s'arrêter pour le reste de la journée. Une machine d'atelier peut fonctionner uniquement lorsque la production est nécessaire. Le matériel agricole peut avoir un cycle de fonctionnement saisonnier. Les systèmes de réfrigération peuvent s'allumer et s'éteindre par intermittence plutôt que de consommer la même quantité d'électricité toutes les heures.
Ces types de charges posent un défi différent en matière de planification des systèmes solaires.
Il ne suffit pas de savoir combien d'électricité l'équipement consomme en une journée.
Vous devez également comprendre lorsque l'équipement fonctionne.
Un système d'énergie solaire conçu uniquement en fonction de la consommation énergétique quotidienne totale peut avoir un fonctionnement différent de celui attendu par l'utilisateur si l'on ignore le moment de la demande en électricité.
Ceci est particulièrement important pour les systèmes solaires hors réseau et hybrides qui reposent sur une combinaison de production solaire, de stockage par batterie et de capacité d'onduleur.
Ce guide explique comment concevoir un système d'énergie solaire pour les charges intermittentes et ce que les acheteurs doivent prendre en compte avant de choisir des panneaux solaires, des batteries et des onduleurs.
Qu'est-ce qu'une charge électrique intermittente ?
Une charge intermittente est un équipement qui ne fonctionne pas en continu.
Sa consommation électrique varie en fonction du moment où l'appareil est mis en marche et de sa durée de fonctionnement.
Exemples :
- Pompes à eau
- Équipement d'irrigation
- machines d'atelier
- Compresseurs
- Équipement frigorifique
- machines agricoles
- Équipement de communication
- Petit équipement industriel
La caractéristique importante n'est pas simplement la puissance nominale de l'équipement.
Il s'agit de la combinaison de :
- Demande en énergie
- Temps de fonctionnement
- Fréquence de fonctionnement
- exigences de départ
- Heure de fonctionnement
Par exemple, deux machines de 2 kW peuvent avoir des effets très différents sur un système solaire.
La machine A peut fonctionner en continu pendant huit heures.
La machine B ne peut fonctionner que pendant deux heures, en plusieurs cycles courts.
Bien que les deux machines aient la même puissance nominale, les exigences du système solaire peuvent être différentes.
La consommation énergétique quotidienne ne représente qu'une partie du tableau.
Une méthode courante de planification d'un système solaire commence par l'analyse de la consommation électrique quotidienne.
C'est nécessaire, mais cela ne fournit pas le profil de charge complet.
Supposons qu'une machine consomme :
5 kW
Consommation d'énergie
2 heures par jour
Durée de fonctionnement
10 kWh
Besoins énergétiques quotidiens
Cependant, cela ne signifie pas que le système puisse simplement être conçu autour d'une valeur énergétique de 10 kWh.
Le système doit également être capable de fournir la puissance de fonctionnement réelle de l'équipement.
Cela inclut des questions telles que :
- L'équipement fonctionne-t-il à pleine puissance ?
- Possède-t-il un courant de démarrage élevé ?
- Fonctionne-t-il pendant la journée ?
- Fonctionne-t-il après le coucher du soleil ?
- Fonctionne-t-il avec d'autres équipements ?
Il convient de prendre en compte à la fois les besoins énergétiques totaux et les besoins en puissance instantanée.
Les recommandations d'Autex en matière de dimensionnement des systèmes solaires soulignent également que la consommation journalière doit être évaluée en tenant compte de la charge de pointe et de la demande électrique simultanée, plutôt que de la seule capacité des panneaux.
Commencez par le calendrier de fonctionnement de l'équipement
Avant de choisir votre équipement solaire, établissez un programme de fonctionnement simple.
Pour chaque charge principale, enregistrez :
- Puissance nominale
- Puissance de démarrage, le cas échéant
- Horaires d'ouverture
- Nombre de cycles de fonctionnement
- Heure de fonctionnement
- changements saisonniers
Par exemple:
| Équipement | Puissance nominale | Temps de fonctionnement | Calendrier |
|---|---|---|---|
| pompe à eau | 2 kW | 3 heures | Matin |
| Machine d'atelier | 5 kW | 2 heures | Après-midi |
| Éclairage | 1 kW | 4 heures | Soirée |
Ces informations fournissent des données de planification système plus utiles qu'un simple chiffre de consommation énergétique journalier.
L'objectif est de comprendre à quel moment la demande en électricité se manifeste.
Les charges diurnes peuvent utiliser directement la production solaire.
L'un des avantages les plus importants d'une charge intermittente est que son programme de fonctionnement peut être ajusté.
Si l'équipement fonctionne pendant les périodes de forte production solaire, une plus grande quantité d'électricité peut être fournie directement par le champ solaire.
Par exemple, un programme de pompage d'eau peut être flexible.
Si le pompage peut avoir lieu en milieu de journée, le système peut utiliser directement l'énergie solaire plutôt que de charger d'abord une batterie puis de la décharger plus tard.
Cela peut réduire la quantité d'énergie qui doit transiter par le système de stockage des batteries.
Toutefois, le calendrier opérationnel doit rester réaliste.
Le système ne doit pas supposer que toutes les charges peuvent être déplacées à midi.
Certains équipements peuvent nécessiter un fonctionnement :
- Tôt le matin
- Durant la soirée
- À des moments de production spécifiques
- Lorsque les programmes d'irrigation l'exigent
La planification d'un système solaire doit donc commencer par les besoins opérationnels réels plutôt que par un calendrier idéal.
La puissance au démarrage peut être plus importante que la puissance en marche.
Certains équipements nécessitent une alimentation supplémentaire au démarrage.
Cela est particulièrement pertinent pour des charges telles que :
- Pompes
- Moteurs
- Compresseurs
- Systèmes de réfrigération
Un appareil motorisé peut avoir une puissance nominale relativement modeste, mais nécessiter un niveau de puissance plus élevé au démarrage.
Si l'onduleur est sélectionné uniquement en fonction de la puissance de fonctionnement normale de l'équipement, le système peut rencontrer des problèmes au démarrage de celui-ci.
L'onduleur doit donc être évalué en fonction des deux critères suivants :
demande de fonctionnement continu
demande initiale ou de pointe
Le guide de dimensionnement des systèmes solaires d'Autex mentionne spécifiquement les moteurs et les pompes comme des équipements pouvant nécessiter une puissance de démarrage nettement supérieure à leur charge de fonctionnement normale.
La capacité de stockage des batteries dépend des conditions de fonctionnement de l'équipement.
Les charges intermittentes ne nécessitent pas toujours la même stratégie de gestion des batteries.
Considérons deux situations.
Situation 1 : L'équipement fonctionne pendant la journée
Une machine fonctionne principalement entre 10h et 15h.
Dans ce contexte, la production d'énergie solaire pourrait couvrir directement une grande partie de la demande en électricité.
Le stockage de batteries peut principalement être nécessaire pour :
- Équilibrage de puissance à court terme
- Couverture nuageuse temporaire
- Exigences de sauvegarde
- Charges en dehors des heures de production solaire
Situation 2 : L'équipement fonctionne après le coucher du soleil
Une pompe ou une machine fonctionne principalement le soir.
L'électricité doit d'abord être produite et stockée avant de pouvoir être utilisée.
Dans ce cas, la capacité de la batterie devient plus importante.
Un même équipement peut donc nécessiter des configurations système différentes selon les périodes où il fonctionne.
C’est pourquoi les calendriers de fonctionnement des équipements doivent être discutés avant de finaliser la capacité des batteries.
Ne dimensionnez pas la batterie uniquement en fonction de la puissance de l'équipement.
Une machine de 5 kW ne nécessite pas automatiquement une batterie de 5 kWh.
Le dimensionnement de la batterie dépend de la durée de fonctionnement de l'équipement et de la conception du système.
Par exemple:
Une machine de 5 kW fonctionnant pendant une heure a des besoins énergétiques très différents de ceux de la même machine fonctionnant pendant cinq heures.
La planification des batteries doit prendre en compte :
- Durée de fonctionnement requise
- Production solaire disponible
- Autres charges électriques
- Exigences de sauvegarde
- Limites de fonctionnement de la batterie
La batterie doit être adaptée à l'utilisation prévue du système et non pas simplement correspondre à la puissance nominale d'un seul appareil.
Autex propose des configurations de systèmes solaires combinant modules photovoltaïques, stockage par batterie et onduleurs, y compris des systèmes hors réseau et hybrides où la relation entre production, stockage et charge doit être planifiée conjointement.
Tenez compte des charges susceptibles de fonctionner simultanément.
Les équipements intermittents peuvent ne pas fonctionner en continu, mais différentes charges peuvent se chevaucher.
Par exemple:
Une pompe à eau peut démarrer pendant que :
- L'éclairage fonctionne
- Un système de réfrigération est en marche
- Une autre machine est déjà connectée.
Le système solaire doit être évalué en fonction d'une demande simultanée réaliste.
Ceci est particulièrement important lorsque plusieurs équipements sont contrôlés indépendamment.
Un système conçu en partant du principe qu'une seule machine fonctionne à la fois peut être sous-dimensionné si des charges se chevauchent.
Lors de la création d'un profil de charge, identifiez :
Charges toujours actives
Équipement fonctionnant en continu ou pendant de longues périodes.
Chargements programmés
Équipement fonctionnant aux heures prévues.
Charges flexibles
Du matériel qui peut être déplacé lors des périodes de forte production solaire.
Charges critiques
Équipements qui doivent continuer à fonctionner même lorsque la production solaire est faible.
Cette approche facilite la décision quant à la répartition de l'énergie solaire et du stockage par batteries.
La planification flexible de la charge peut améliorer l'efficacité du système
Certaines charges électriques ont des exigences de fonctionnement fixes.
D'autres sont flexibles.
Les charges flexibles peuvent inclure :
- pompage de l'eau
- Recharge de la batterie
- Certains équipements agricoles
- Certaines activités d'atelier
Lorsque cela est possible, ces activités peuvent être programmées en fonction des périodes de production solaire plus élevée.
Par exemple, un système de pompage peut être mis en marche lorsque la production solaire est la plus forte plutôt que de puiser immédiatement et massivement dans le stockage par batterie.
Cela ne modifie pas l'énergie totale requise par l'équipement.
Cependant, cela peut modifier la provenance de l'énergie et le moment où elle est utilisée.
Pour les systèmes à charges flexibles, la planification opérationnelle peut donc être aussi importante que le choix des équipements.
Les variations saisonnières peuvent affecter les charges intermittentes.
De nombreuses charges intermittentes ne sont pas utilisées de manière uniforme tout au long de l'année.
L'irrigation agricole en est un exemple flagrant.
Une ferme peut nécessiter :
- Pompage minimal pendant une saison
- Pompage prolongé pendant un autre
- Horaires d'ouverture variables selon la durée du jour
Les charges d'atelier et industrielles peuvent également varier en fonction des calendriers de production.
Un système solaire doit donc prendre en compte si la demande en électricité utilisée pour la planification représente :
- Conditions moyennes
- Pleine saison
- Périodes de faible demande
Un système conçu en fonction de la demande moyenne peut ne pas fournir une capacité suffisante pendant la période d'exploitation la plus chargée.
Les recommandations d'Autex en matière de dimensionnement solaire indiquent également que les exploitations agricoles, les ateliers et autres sites peuvent connaître des variations saisonnières de la demande en électricité, ce qui fait d'une seule journée de données de consommation une base incomplète pour la planification du système.
Utilisez les priorités de charge lorsque la disponibilité de l'énergie est limitée.
Dans certaines applications hors réseau ou de secours, l'énergie disponible peut parfois être limitée.
Toutes les charges électriques n'ont pas la même importance.
Par exemple:
Charges critiques
- Approvisionnement en eau
- Équipement de communication
- Éclairage essentiel
- Équipement de production requis
Charges non critiques
- Équipements optionnels
- Machines non essentielles
- Charges pouvant être retardées
Un système de priorisation des charges peut aider les utilisateurs à mieux utiliser l'énergie disponible.
En période de production solaire limitée ou de capacité réduite des batteries, les équipements critiques peuvent être priorisés.
Ceci est particulièrement utile pour les installations isolées, les exploitations agricoles et les petits sites industriels.
L'installation des panneaux solaires doit être planifiée en fonction de leur fenêtre de fonctionnement réelle.
La capacité des panneaux solaires ne doit pas être considérée indépendamment du programme de consommation.
Si la plupart des équipements fonctionnent en milieu de journée, la production d'énergie solaire peut directement couvrir la charge.
Si la majeure partie de l'électricité est nécessaire la nuit, il faut d'abord stocker une plus grande quantité d'énergie solaire.
Cela influe sur l'équilibre entre :
- capacité photovoltaïque
- Capacité de la batterie
- Capacité de l'onduleur
Par exemple, l'augmentation du stockage des batteries ne résoudra pas forcément un problème causé par une production solaire diurne insuffisante.
De même, l'ajout de panneaux solaires supplémentaires peut s'avérer inutile si l'onduleur ne peut pas supporter la charge requise.
Il convient d'envisager le système dans son ensemble comme un flux d'énergie.
La priorité exacte dépend de la conception du système.
Exemple pratique : planification d’une pompe à eau
Considérons une pompe à eau avec :
Puissance nominale : 3 kW
Durée de fonctionnement : 4 heures par jour
Les besoins énergétiques journaliers simplifiés peuvent être :
12 kWh par jour
Toutefois, la conception du système doit également prendre en compte :
- demande de démarrage de la pompe
- Que la pompe fonctionne en continu ou par cycles
- Que le pompage ait lieu pendant la journée
- Autres équipements fonctionnant simultanément
- Approvisionnement en eau nécessaire pendant les périodes nuageuses
Si le pompage peut s'effectuer principalement pendant les heures d'ensoleillement maximal, le champ solaire peut directement assurer une grande partie du fonctionnement de la pompe.
Si un pompage est nécessaire le soir, le système de batteries doit fournir une plus grande quantité d'énergie.
L'équipement n'a pas changé.
Le calendrier opérationnel a été établi.
C'est pourquoi le timing de chargement est important.
Questions à se poser avant de choisir un système solaire
Avant de demander un devis pour une application à charge intermittente, préparez les informations suivantes.
À propos de l'équipement
- Quelle est la puissance nominale ?
- Existe-t-il un courant de démarrage élevé ?
- Combien d'unités seront en service ?
À propos du temps de fonctionnement
- Combien d'heures par jour l'équipement fonctionne-t-il ?
- Fonctionne-t-il en continu ou par cycles ?
- Les horaires d'ouverture sont-ils modifiables ?
À propos des chargements simultanés
- Quels autres équipements peuvent fonctionner simultanément ?
- Quelle est la demande combinée maximale ?
À propos du stockage d'énergie
- L'équipement doit-il fonctionner après le coucher du soleil ?
- Combien de temps le système peut-il fonctionner sans production d'énergie solaire ?
- Quelles charges sont critiques ?
À propos des changements saisonniers
- La demande en électricité augmente-t-elle pendant certains mois ?
- De nouveaux équipements seront-ils ajoutés ultérieurement ?
Ces informations permettent à un fournisseur ou installateur de systèmes solaires d'évaluer le profil de charge complet plutôt que de se fier uniquement à la puissance des équipements.
Erreurs de planification courantes avec les charges intermittentes
En utilisant la puissance nominale comme seul nombre
La puissance nominale n'indique pas la quantité d'énergie consommée chaque jour ni les conditions de fonctionnement de l'équipement.
Ignorer les exigences de démarrage
Les moteurs et les pompes peuvent nécessiter une puissance supplémentaire au démarrage.
En supposant que les équipements ne fonctionneront jamais ensemble.
Le chevauchement des charges peut modifier considérablement les exigences de l'onduleur.
Surdimensionner la batterie sans vérifier la production solaire
Un stockage supplémentaire ne résout pas une pénurie d'énergie si le système solaire ne peut pas le recharger.
Ignorer les changements saisonniers
Les charges agricoles et industrielles peuvent varier considérablement au cours de l'année.
Concevoir autour d'un horaire idéal
Le système doit pouvoir répondre aux exigences opérationnelles réelles, et non pas seulement à la période de production solaire la plus opportune.
Réflexions finales
La planification d'un système d'énergie solaire pour les charges intermittentes nécessite plus que la simple addition de la puissance des équipements.
Le système doit refléter le fonctionnement réel de l'équipement.
Voici à quoi ressemble un processus de planification pratique :
horaire d'exploitation ↓
Demande initiale ↓
Charges simultanées ↓
consommation d'énergie quotidienne ↓
Calendrier de production solaire ↓
Exigences en matière de batterie ↓
Capacité de l'onduleur
Cette approche est particulièrement utile pour des applications telles que le pompage de l'eau, l'agriculture, les ateliers et autres équipements fonctionnant à différents moments de la journée.
La question clé n'est pas simplement :
C'est aussi :
Répondre à ces deux questions peut permettre de concevoir un système d'énergie solaire plus pratique, plus facile à utiliser et mieux adapté à la demande énergétique réelle.