Comment dimensionner le parc de batteries

Banque de batteries pour système solaire hors réseau

Une fois que vous connaissez votre consommation électrique quotidienne moyenne, vous devez la traduire en quantité d'énergie stockée dans le parc de batteries, également appelé capacité du parc. Les éléments suivants déterminent la capacité du parc de batteries que vous recherchez :

• L'efficacité de l'onduleur
• Le nombre de jours pendant lesquels vous prévoyez que la batterie durera sans être rechargée
• La température et la tension de fonctionnement des batteries
• Quelle quantité de batterie êtes-vous prêt à utiliser ?
• La tension à laquelle vous souhaitez que la batterie fonctionne

Examinons maintenant en détail ces variables et expliquons comment les assembler afin que vous puissiez déterminer avec précision la capacité de batterie nécessaire et créer la banque de batteries pour votre système solaire.

Lorsque vous achetez des batteries solaires pour constituer un parc de batteries complet, plusieurs options s'offrent à vous. Le type de batterie le plus courant pour les systèmes photovoltaïques hors réseau est une batterie solaire de 12 V nominal. Il suffit ensuite de les connecter en série-parallèle pour obtenir les caractéristiques de tension et de capacité souhaitées.

Efficacité de l'onduleur

La conversion du courant continu en courant alternatif entraîne toujours des pertes. C'est pourquoi aucun onduleur ne peut fournir 100 % de l'énergie d'un parc de batteries aux charges. Cependant, si l'onduleur est plus efficace, le parc de batteries peut être plus petit. Tenez compte des charges CA connectées à l'onduleur proposé et de sa taille (en termes de puissance de sortie) afin d'optimiser son rendement. Par conséquent, n'installez pas un onduleur de 5 kW si le client ne consomme que 1 kW. Essayez plutôt d'adapter la puissance des charges et celle de l'onduleur.

Les fabricants d'onduleurs indiquent le rendement de leurs unités sur toutes leurs fiches techniques. Il est important de garder à l'esprit que le chiffre indiqué par les fabricants correspond au rendement maximal. Il s'agit donc presque toujours d'une valeur impressionnante, proche de 97 %. Bien qu'un rendement de 97 % soit possible, il n'est pas atteignable régulièrement. La plupart des systèmes à batterie affichent régulièrement un rendement proche de 90 %. Comme toute variable, ce pourcentage varie, mais 90 % est une valeur raisonnable qui représente le rendement de fonctionnement typique d'un onduleur.

L'époque de l'autonomie

Le nombre de jours pendant lesquels le parc de batteries doit assurer votre consommation électrique est appelé « jours d'autonomie ». Autrement dit, il s'agit du nombre de jours pendant lesquels le parc de batteries doit couvrir vos besoins énergétiques quotidiens moyens sans nécessiter de recharge par le panneau solaire photovoltaïque, le régulateur de charge, le générateur ou le réseau électrique.

Le climat local joue généralement un rôle majeur dans cette décision, tout comme le budget disponible pour le projet. Comme vous pouvez l'imaginer, plus l'autonomie est longue, plus le nombre de batteries nécessaires est élevé et plus le coût du système augmente.

De nombreuses applications résidentielles hors réseau utilisent deux ou trois jours d'autonomie comme point de départ, tandis que la plupart des systèmes interactifs avec les services publics n'en utilisent qu'un seul. Pour les applications commerciales, le réseau étant généralement présent, une journée d'autonomie devrait suffire. Vous pouvez envisager d'ajouter des jours d'autonomie, mais il faudra alors trouver un équilibre entre la taille du parc de batteries et celle du parc photovoltaïque.

La température utilisée pour le fonctionnement de la batterie

La température de fonctionnement des batteries affecte leur capacité. Plus une batterie est froide, moins elle peut fournir de capacité. Pourquoi ? Parce que l'efficacité de la réaction chimique interne augmente et diminue à différentes températures. Les fabricants de batteries publient les effets précis de la température sur leurs batteries. Vous devriez donc pouvoir trouver ces données pour la batterie que vous envisagez afin d'appliquer le facteur de déclassement de température approprié (le pourcentage de capacité que vous pouvez espérer d'une batterie en fonction de la température).

Étant donné que la plupart des systèmes utilisent des batteries au plomb et que la technologie est relativement homogène d'un fabricant à l'autre, nous vous recommandons d'utiliser un facteur de réduction de température unique : 90 %. Ce pourcentage correspond à une température de batterie d'environ 15,5 °C (60 °F) et indique qu'à cette température, la batterie ne pourra fournir que 90 % de sa capacité nominale (capacité à 25 °C (77 °F).

Profondeur de décharge (DoD) de la batterie

La profondeur de décharge (DOD) correspond à la quantité d'énergie extraite du parc de batteries ; elle est généralement exprimée en pourcentage. Plus la valeur DOD est élevée, plus le parc de batteries a d'énergie. Comme pour l'autonomie en jours, la DOD peut (et doit) être dictée dès la conception du système, car elle influence la taille globale du parc de batteries. Un tableau standard fourni par les fabricants de batteries, comparant le nombre de cycles à la DOD, montre que plus la DOD est faible, plus le nombre de cycles est important (un cycle est la période comprise entre le moment où la batterie est épuisée et celui où elle est rechargée). Bien que ce constat ne soit probablement pas surprenant, il ne faut pas pour autant tenter de ménager les batteries et de concevoir un système autour d'une faible DOD.

Il est essentiel d'évaluer à quel endroit de la courbe la quantité maximale d'énergie sera délivrée pendant la durée de vie du parc de batteries. Pour déterminer la profondeur de décharge idéale d'un parc de batteries, il suffit d'observer la situation sous forme de graphique : un graphique représente le nombre de cycles d'un parc de batteries en fonction de son pourcentage de décharge. La figure ci-dessous en donne un exemple.

Si le parc de batteries indiqué dans le tableau ci-dessus est évalué à 400 ampères-heures (Ah), vous pouvez utiliser cette information pour estimer l'énergie délivrée pendant sa durée de vie. Le tableau montre que ce parc de batteries durera environ 2 000 cycles si la profondeur de décharge (DOD) est de seulement 30 %. Ce nombre de cycles est réduit à environ 600 lorsque la DOD est de 70 %. Quel DOD fournit le plus d'énergie pendant la durée de vie du parc de batteries ? Calculez les valeurs pour le déterminer :

• 400 Ah × 30% DOD par cycle × 2000 cycles = 240 000 Ah
• 400 Ah × 50% DOD par cycle × 1000 cycles = 200 000 Ah
• 400 Ah × 70% DOD par cycle × 600 cycles = 168 000 Ah

Même si l'idée de réduire la profondeur de décharge (DOD) semble intéressante à première vue, car elle augmente la durée de vie globale du parc de batteries, elle se traduit par une diminution du nombre d'ampères-heures délivrés. Le rôle du parc de batteries étant de stocker et de restituer de l'énergie, il peut être judicieux de décharger les batteries plus souvent afin de maximiser votre investissement (et de réduire le coût initial du système). Pour évaluer la profondeur de décharge (DOD), la plupart des conceptions de parcs de batteries utilisent une valeur comprise entre 50 et 80 %, mais il n'existe pas de réponse exacte. Il vous faut évaluer les options et formuler une suggestion en vous basant sur les informations des tableaux du fabricant des batteries que vous utilisez.

Veillez à ne jamais dépasser 80 % de profondeur de décharge (DOD) lors de votre conception (il s'agit de batteries plomb-acide). Réduire la capacité d'un parc de batteries de plus de 80 % à plusieurs reprises l'endommage et entraîne sa défaillance prématurée.

Tension nominale

Pour tout système à batterie que vous installez, vous devez tenir compte des tensions nominales des batteries : 12, 24 ou 48 VDC. Ces tensions correspondent aux exigences d'entrée de la plupart des onduleurs disponibles sur le marché.

Les systèmes utilisant des onduleurs produisant une puissance CA relativement faible (moins de 2 000 W) peuvent justifier l'utilisation d'un parc de batteries de 24 V, mais grâce aux progrès des technologies d'onduleurs et de contrôleurs de charge, les parcs de batteries de 48 V sont devenus très populaires. (Notez que les puissances indiquées ici ne sont en aucun cas des valeurs absolues. Il s'agit plutôt de lignes directrices générales à suivre. Elles visent à réduire la taille des conducteurs [fils] en augmentant les tensions et en réduisant les courants.)

Déterminer la capacité de la batterie dont vous avez besoin

Étape 1. Déterminez le niveau de consommation quotidien moyen de watts-heures (ou kilowatt-heures) de courant alternatif.

À titre d’exemple, prenons 5 kWh comme consommation énergétique quotidienne moyenne.

Étape 2. Divisez la valeur en watts-heures de l’étape 1 par l’efficacité estimée de l’onduleur.

Cette étape augmente la capacité requise car l'onduleur perd une partie de sa capacité stockée lors de la conversion du courant continu en courant alternatif (une perte de 10 % est fréquente). En reprenant l'exemple, on obtient 5 kWh ÷ 0,9 = 5,56 kWh (90 % est une estimation raisonnable du rendement de l'onduleur).

Étape 3. Ajoutez toute consommation d’énergie provenant des charges CC à la valeur en watts-heures de l’étape 2.

Cette valeur représente la consommation énergétique quotidienne totale de toutes les charges connectées au parc de batteries. Si vous disposez de trois éclairages LED CC de 20 W fonctionnant 5 heures par jour, la consommation énergétique CC totale est de 3 éclairages × 20 W × 5 heures = 300 Wh, soit 0,3 kWh. La consommation énergétique totale est donc de 5,56 kWh + 0,3 kWh = 5,86 kWh.

Étape 4. Multipliez la valeur énergétique de l’étape 3 par le nombre de jours d’autonomie souhaités.

Cela vous indique la quantité d'énergie que la batterie doit stocker (deux ou trois jours est une valeur assez courante). Mon exemple ici nécessite trois jours d'autonomie, ce qui donne une nouvelle valeur énergétique de 5,86 kWh × 3 jours = 17,58 kWh.

Étape 5. Divisez la valeur calculée à l’étape 4 par la valeur de compensation de température fournie par le fabricant de la batterie.

Quatre-vingt-dix pour cent des fabricants estiment la capacité ajustée à 15 °C. Appliquez ici la valeur du fabricant pour la température estimée du parc de batteries que vous envisagez. Ainsi, si le parc de batteries de l'exemple est stocké à 15 °C, effectuez le calcul suivant : 17,58 kWh ÷ 0,9 = 19,54 kWh.

Étape 6. Divisez la valeur de l’étape 5 par la profondeur de décharge autorisée.

Plus la profondeur de décharge (DOD) est élevée, plus la batterie peut être petite, car elle utilise une plus grande partie de sa capacité (environ 50 à 80 %). Dans cet exemple, nous utiliserons une DOD de 50 %, ce qui donne le résultat suivant : 19,54 kWh ÷ 0,5 = 39,08 kWh.

Étape 7. Divisez la valeur de l’étape 6 par la tension nominale souhaitée pour le parc de batteries.

Les batteries sont évaluées en ampères-heures, et non en watts-heures. La tension nominale du parc de batteries permet de déterminer l'intensité requise (12 V, 24 V ou 48 V). Dans cet exemple, le système sera installé à 48 V afin de minimiser le courant et de réduire la taille des conducteurs. Voici le calcul : 39,08 kWh ÷ 48 V = 0,815 kAh, soit 815 Ah.

Câblage du parc de batteries

Dès que vous connaissez la capacité de la batterie et la tension nominale, vous êtes prêt à évaluer les différentes options de batterie et à décider laquelle est la meilleure pour la batterie que vous construisez.

Pour déterminer le nombre de batteries nécessaires dans une chaîne, divisez la tension nominale du groupe de batteries par les tensions nominales des batteries individuelles.

À partir de l'exemple, nous avons calculé que le parc de batteries devrait avoir une capacité de 815 Ah à 48 V. Et supposons que nous souhaitions avoir deux chaînes de batteries dans notre parc, nous devons rechercher une batterie de 408 Ah (ce qui est difficile à trouver, nous devrons donc peut-être choisir une batterie de 400 Ah). Les batteries avec ce niveau de capacité sont généralement disponibles en versions nominales de 6 V. Donc, si vous prévoyez de câbler un parc de batteries pour 48 V et que chaque batterie est de 6 V, vous savez que les chaînes de batteries doivent comporter huit batteries. Voici le calcul : 48 V ÷ 6 V = 8 batteries par chaîne.

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