Cet article montre comment capitaliser et maximiser l’efficacité des systèmes d’énergie solaire.
Les énergies renouvelables deviennent de plus en plus populaires et remplacent même d’autres sources. L’énergie solaire progresse de l’utilisation commerciale à l’utilisation résidentielle, mais installer ces systèmes ne suffira pas pour maximiser la production d’énergie efficace. La sortie d’énergie doit être maximisée et la conception du système est cruciale.
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Vue d’ensemble des systèmes d’énergie solaire
Les systèmes d’énergie solaire sont conçus pour convertir le rayonnement solaire en électricité, comprenant un panneau solaire, des batteries rechargeables et des onduleurs. Un panneau solaire possède des cellules photovoltaïques (PV) en silicium en tant que matériau semi-conducteur qui convertit le rayonnement solaire en énergie électrique. Ce panneau est monté sur des toits ou des structures surélevées pour recevoir suffisamment de lumière du soleil. L’énergie solaire est convertie en courant continu (CC), qui est ensuite converti en courant alternatif (CA) par un système d’onduleur. Les batteries stockent l’énergie absorbée.
Figure 1. Les composants d’un système d’énergie solaire comprennent un onduleur, un régulateur de charge, un panneau solaire, et une batterie. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bob Odhiambo
Conception du système pour une efficacité maximale
La conception du système est essentielle pour garantir une efficacité maximale des systèmes d’énergie solaire. Certaines techniques de planification cruciales sont utilisées pour une production d’énergie optimale, et les considérations incluent les éléments suivants.
Dimensionnement des panneaux solaires
Le dimensionnement de l’ensemble de panneaux solaires est essentiel pour une efficacité maximale dans le processus de conception du système. Des calculs minutieux doivent être effectués pour s’assurer que l’ensemble répond aux exigences de l’application tout en utilisant l’espace disponible et en réduisant les pertes du système.
La première considération dans le dimensionnement des ensembles de panneaux solaires est de déterminer la demande en énergie. Cette demande est exprimée en kilowattheures (kWh) et suppose la puissance en watts et le temps d’utilisation pour analyser les modèles de consommation d’énergie.
Le calcul des kWh implique de multiplier la puissance par les heures d’utilisation quotidienne et de faire la somme des résultats pour tous les appareils.
Par exemple, considérons un réfrigérateur avec une puissance nominale de 200 watts fonctionnant en continu pendant 24 heures par jour. La consommation d’énergie de l’appareil s’exprime comme suit :
$$200~\text{w}\times24~\text{hr}=4800~\text{Wh}$$
4 800 Wh peuvent être convertis en kWh en les divisant par 1 000, soit 4,8 kWh. Une approche similaire peut être utilisée pour d’autres appareils.
Après avoir déterminé la demande en énergie, les heures d’ensoleillement maximum et l’efficacité du panneau solaire doivent être évalués. Cette heure d’ensoleillement maximum correspond à l’intensité maximale du soleil. L’énergie solaire convertie en énergie électrique est appelée efficacité du panneau solaire.
Pour calculer l’efficacité énergétique du panneau solaire :
$$\text{Efficacité du panneau solaire} = \frac {\text{Énergie utile produite}}{\text{Énergie solaire totale reçue}}\times100$$
L’électricité produite par le panneau solaire est la puissance utile tandis que l’énergie solaire totale reçue est la puissance reçue du soleil par le panneau.
En utilisant ces valeurs, la capacité de l’ensemble des panneaux solaires peut être calculée comme suit :
$$\text{Capacité du panneau solaire}=\frac {\text{Demande en énergie}}{\text{Heures d’ensoleillement maximum}\times\text{Efficacité du panneau solaire}}$$
Calcul d’exemple : Un panneau solaire recevant 1000 W/m² d’irradiance solaire avec une surface de 1 m². Calculez l’énergie solaire totale reçue et l’efficacité du panneau solaire si la puissance utile est de 800 watts.
$$\text{Énergie solaire totale reçue} = (1\times1000) = 1000~\text{watts}$$
Pour calculer l’efficacité du panneau solaire, substituez la puissance utile et l’énergie solaire totale dans la formule :
$$\text{Efficacité du panneau solaire}= \frac{\text{Énergie utile produite}}{\text{Énergie solaire totale reçue}} \times 100$$
$$\text{Efficacité du panneau solaire}= \frac{800}{1000} \times 100$$
$$\text{Efficacité du panneau solaire}=80\%$$
Dans ce panneau solaire, seulement 80% de l’énergie solaire est convertie en électricité utile.
Orientation des panneaux solaires
L’orientation des panneaux solaires est cruciale à considérer pour maximiser l’efficacité du panneau. L’orientation idéale peut être ajustée en fonction de la latitude du site d’installation et de la saison.
Figure 2. L’angle d’inclinaison et l’azimut du panneau solaire sont utilisés pour maximiser l’efficacité du panneau. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bob Odhiambo
L’azimut est la mesure angulaire de l’orientation de l’installation solaire par rapport au nord vrai. Cet angle est crucial car il détermine le niveau de lumière solaire reçue pendant la journée. L’inclinaison est l’angle d’installation du panneau par rapport au sol.
Pour calculer l’angle d’inclinaison optimal :
$$\text{Angle d’inclinaison}=\text{Latitude}+ \left( 0.4\times Déclinaison~moyenne~quotidienne \right)$$
Cet angle de déclinaison change tout au long de l’année en raison de la trajectoire elliptique de l’orbite terrestre autour du soleil et de l’inclinaison de l’axe terrestre. La déclinaison moyenne quotidienne peut être évaluée approximativement en utilisant :
$$\text{Déclinaison solaire moyenne quotidienne}= 23.45\times \sin[\frac{(2\times\pi\times\text{Jour de l’année}-81)}{365}]$$
où les jours sont comptés à partir du 1er janvier.
Calcul d’exemple : Le site d’installation d’un panneau solaire a une latitude de 35 degrés au jour 180 de l’année. Calculez l’angle d’inclinaison de la déclinaison solaire moyenne du panneau en une journée en utilisant :
$$\text{Déclinaison solaire moyenne quotidienne}= 23.45\times \sin[\frac{\left(2\times\pi\times\left( 180-81\right)\right)}{365}]=14.68~degrés$$
$$\text{Angle d’inclinaison}=35+\left( 0.41\times14.68\right) = 40.01~\text{degrés}$$
L’angle d’inclinaison doit être de 40,01 degrés pour une efficacité solaire maximale.
Facteur de surdimensionnement de l’onduleur
Le facteur de surdimensionnement de l’onduleur est crucial pour maximiser l’efficacité de l’énergie solaire. Il s’agit du rapport entre la sortie maximale en courant continu (CC) et la sortie maximale en courant alternatif (CA) de l’onduleur. Ce surdimensionnement de l’onduleur peut entraîner une augmentation du ratio CC-CA.
Pour évaluer le facteur de surdimensionnement de l’onduleur dans un système d’énergie solaire, une analyse des caractéristiques du système et de l’énergie produite doit être effectuée. Le facteur de surdimensionnement de l’onduleur peut être calculé en divisant la puissance maximale en CC par la puissance maximale en CA. La puissance maximale en CC est la somme de la puissance des panneaux, ce qui forme la puissance totale de l’ensemble, alors que la sortie en CA peut être obtenue à partir de la fiche technique de l’onduleur.
Calcul d’exemple : Un ensemble de panneaux solaires avec une capacité totale de 10 kW a une puissance maximale nominale de 400 W pour chaque panneau. Déterminez le nombre de panneaux. En supposant que la puissance maximale en CA d’un onduleur est de 8 kW, calculez le facteur de surdimensionnement de l’onduleur.
$$\text{Nombre de panneaux}=\text{Capacité totale}\div\text{puissance maximale nominale}$$
$$=12~\text{kW}\div400~\text{W}$$
$$=12000~ \text{W}\div400~\text{W}$$
$$=30~\text{panneaux}$$
Le surdimensionnement de l’onduleur peut être calculé en utilisant :
$$\text{Facteur de surdimensionnement de l’onduleur}=10~\text{kW}\div 8~\text{kW}=1.25$$
Le facteur de surdimensionnement de l’onduleur est de 1,25, dans la gamme de 1,1 à 1,3 recommandée pour la plupart des panneaux solaires.
Maximiser l’efficacité du système d’énergie solaire
À mesure que la demande d’énergie renouvelable augmente, les systèmes PV deviennent de plus en plus courants dans les installations domestiques et industrielles. Cependant, tous les systèmes ne sont pas optimisés pour produire une sortie d’énergie maximale et plus efficace. Avec cela à l’esprit, les ingénieurs électriciens doivent s’assurer de tirer le meilleur parti de leurs systèmes PV en tenant compte de la dimension des panneaux solaires et de l’orientation ainsi que de la taille de l’onduleur pour une efficacité PV et une sortie d’énergie accrue permettant de répondre à la demande de consommation.