Conception d'un système d'énergie solaire : le guide ultime du bricolage

Avant même de consulter la fiche technique d'un panneau solaire, il est essentiel de comprendre la demande. En ingénierie, on parle de « profil de charge ». La qualité d'un système d'énergie solaire dépend de la précision du calcul de charge sur lequel il repose. Si vous sous-estimez votre consommation, votre système sera hors service au moment où vous en aurez le plus besoin. À l'inverse, si vous la surestimez, vous dépenserez des milliers d'euros pour une capacité inutilisée.

Calcul des wattheures

L'unité de base en conception solaire est le wattheure (Wh). Pour dimensionner votre système, vous devez recenser tous les appareils électriques que vous souhaitez alimenter, leur puissance (en watts) et leur durée d'utilisation.

1. Liste de tous les appareils : Du réfrigérateur aux ampoules LED.

2. Déterminez la puissance nominale (en watts) : Consultez l'étiquette à l'arrière de l'appareil. Notez que les moteurs (réfrigérateurs, pompes) ont une puissance de crête souvent trois fois supérieure à leur puissance nominale.

3. Estimation de la durée d'utilisation quotidienne : Soyez réaliste. Un téléviseur peut fonctionner pendant 4 heures, tandis qu'un réfrigérateur s'allume et s'éteint par cycles, fonctionnant généralement entre 8 et 10 heures par jour au total.

Formule :

Watts × Heures = Watt-heures (Wh)

Le facteur de consommation fantôme

Un point faible fréquent dans la conception de systèmes solaires DIY est l'omission des consommations fantômes : les appareils qui consomment de l'énergie même éteints (micro-ondes avec horloge, téléviseurs en veille). Dans une maison autonome très performante, ces appareils peuvent représenter 10 à 15 % de la consommation énergétique totale. Il est donc essentiel d'ajouter une marge de 15 % au calcul final pour compenser ces pertes et inefficacités.

Exemple de tableau de consommation

| Appareil | Puissance (Watts) | Heures de fonctionnement quotidiennes | Wh quotidiens |

| :--- | :--- | :--- | :--- |

| Lampes LED (10) | 100 W (Total) | 5 | 500 |

| Réfrigérateur | 150 W | 10 cycles | 1500 |

| Chargeur d'ordinateur portable | 65 W | 4 cycles | 260 |

| Total | | | 2260 Wh |

Une fois notre besoin journalier en wattheures déterminé (prenons 2 260 Wh comme dans l'exemple précédent), nous pouvons passer au dimensionnement du matériel. C'est à ce stade que la conception du système d'énergie solaire passe de la théorie aux contraintes physiques.

Dimensionnement du parc de batteries (Le cœur du système)

Pour les systèmes hors réseau ou hybrides, le parc de batteries constitue votre réserve d'énergie. Il est généralement nécessaire de disposer d'une capacité de stockage suffisante pour une autonomie de 2 à 3 jours, soit le nombre de jours pendant lesquels le système peut fonctionner sans ensoleillement. Une conception standard vise une autonomie de 2 à 3 jours.

Cependant, il est impossible de décharger complètement les batteries.

• Plomb-acide/AGM : Ne doivent pas être déchargées en dessous de 50 % (profondeur de décharge ou DoD).

• Lithium (LiFePO4) : Peuvent être déchargées jusqu'à 80-90 % de DoD.

Calcul pour le lithium (autonomie d'une journée) :

2 260 Wh / 0,80 (profondeur de décharge) = 2 825 Wh de capacité de batterie requise.

Si vous utilisez un système 12 V, divisez les Wh par la tension pour obtenir les ampères-heures (Ah) :

2 825 Wh / 12 V = ~235 Ah pour le parc de batteries.

Dimensionnement du champ solaire (le générateur)

Vos panneaux doivent compenser l'énergie consommée et les pertes liées à la charge des batteries. On estime généralement qu'environ 20 à 25 % de la puissance est perdue à cause de la résistance des câbles, de la chaleur dégagée par le contrôleur de charge et des réactions chimiques de la batterie.

Il est également important de connaître la durée d'ensoleillement maximale de votre région. Il ne s'agit pas de la durée du jour, mais de l'intensité du rayonnement solaire équivalente à 1 000 W/m². Dans de nombreuses régions des États-Unis, cette durée est en moyenne de 4 à 5 heures.

Calcul :

(Consommation journalière en Wh / facteur d'efficacité : 0,75) / Durée d'ensoleillement maximale = Puissance requise du système photovoltaïque

(2 260 / 0,75) / 5 heures = ~602 watts.

Dans ce cas, pour assembler un système photovoltaïque domestique de manière fiable, je recommande d'arrondir à au moins 800 W de panneaux solaires afin de compenser les jours nuageux.

Dans cette section, la précision technique est primordiale. L'utilisation de composants incompatibles est la principale cause de défaillance des systèmes dans l'analyse des coûts des installations solaires DIY (Do It Yourself) ; le remplacement des pièces défectueuses compromet le retour sur investissement.

Le régulateur de charge : MPPT vs. PWM

Le régulateur de charge régule la tension entre les panneaux et la batterie.

• PWM (Modulation de largeur d'impulsion) : Économique, mais peu efficace. Il abaisse la tension des panneaux à celle de la batterie, gaspillant ainsi l'énergie excédentaire.

• MPPT (Suivi du point de puissance maximale) : Plus coûteux, mais essentiel pour la conception de systèmes solaires performants. Il convertit la tension excédentaire en ampères, augmentant la production d'énergie jusqu'à 30 %.

Conseil de David : Sauf pour alimenter un petit éclairage de jardin, optez toujours pour le MPPT. Il permet de câbler les panneaux en série (tension plus élevée), ce qui réduit la section et le coût des câbles.

L'onduleur

L'onduleur convertit le courant continu (CC) de la batterie en courant alternatif (CA) pour le réseau électrique domestique.

1. Onde sinusoïdale pure : Indispensable pour les appareils électroniques sensibles, les moteurs et les équipements audio. Elle reproduit la qualité du courant du réseau électrique.

2. Onde sinusoïdale modifiée : Signal moins cher, mais irrégulier. Peut entraîner une surchauffe des moteurs et des pannes électroniques. À éviter pour les systèmes d'alimentation domestique complets.

Assurez-vous que votre onduleur est dimensionné pour vos pics de consommation. Si votre réfrigérateur consomme 1 200 W et votre micro-ondes 1 000 W, un onduleur de 2 000 W risque de disjoncter si les deux appareils démarrent simultanément. Un onduleur de 3 000 W serait le choix le plus sûr.

Un équipement coûteux est inutile sans un câblage adapté. C'est l'étape la plus dangereuse de l'installation d'un système solaire résidentiel. Le courant continu à forte intensité peut entretenir un arc électrique (incendie) beaucoup plus facilement que le courant alternatif.

Câblage en série vs. Câblage en parallèle

• Câblage en série : relier le pôle positif d'un panneau au pôle négatif du panneau suivant. Cela augmente la tension tout en conservant la même intensité.

• Avantage : permet d'utiliser des câbles plus fins sur de longues distances (chute de tension réduite).

• Inconvénient : un ombrage partiel sur un panneau affecte toute la chaîne.

• Câblage en parallèle : relier les pôles positifs des panneaux. Cela augmente l'intensité tout en conservant la même tension.

• Avantage : l'ombrage d'un panneau n'affecte pas la production des autres.

• Inconvénient : nécessite des câbles très épais et coûteux pour supporter un courant élevé.

La plupart des systèmes solaires modernes utilisent un montage mixte (série-parallèle) ou des chaînes en série haute tension alimentées par un contrôleur MPPT.

Protection contre les fusibles et les disjoncteurs

Vous devez installer une protection à trois points :

1. Entre les panneaux et le contrôleur : Un disjoncteur photovoltaïque.

2. Entre le contrôleur et la batterie : Un fusible dimensionné en fonction de l’ampérage du câble.

3. Entre la batterie et l’onduleur : Un fusible de classe T à ampérage élevé (indispensable pour les batteries au lithium afin d’éviter une défaillance catastrophique en cas de court-circuit).

Mise à la terre : La mise à la terre est essentielle. Vous devez utiliser une tige de terre et une barre de terre commune reliant tous les éléments métalliques du châssis (onduleur, panneaux, structure de montage) à la terre. Cela protège contre la foudre et l’accumulation d’électricité statique.

Une fois la conception sur papier, les étapes d'installation physique d'un système solaire domestique suivent une séquence logique. Précipiter cette étape conduit souvent à des erreurs.

Étape 1 : Fixation et montage

Que ce soit sur le toit ou au sol, la fixation doit être d'équerre et solidement fixée. Les traversées de toit doivent être correctement étanchéifiées pour éviter les fuites.

• Conseil : Laissez un espace de 10 à 15 cm entre le toit et les panneaux. Cela permet à l'air de circuler et de refroidir les panneaux. Des panneaux chauds sont moins efficaces.

Étape 2 : Installation des conduits et câblage

Faites passer votre câble photovoltaïque (câble spécialisé résistant aux UV) du toit jusqu'à votre local technique. Utilisez des conduits métalliques si vous effectuez le passage à l'intérieur des murs de la maison afin de respecter les normes en vigueur.

Étape 3 : Assemblage du local technique

Installez votre onduleur, votre régulateur de charge et les autres composants du système (fusibles, barres omnibus) sur une surface incombustible (comme une plaque de ciment). Commencez par câbler la batterie, mais ne connectez pas la borne finale pour le moment.

Étape 4 : Séquence de mise en service

L’ordre dans lequel vous allumez les différents éléments est crucial pour la santé de vos appareils électroniques.

1. Connectez les batteries au contrôleur : Le contrôleur doit s’activer et détecter la tension des batteries (12 V, 24 V ou 48 V) avant de recevoir l’énergie solaire.

2. Connectez le panneau solaire au contrôleur : Actionnez le disjoncteur photovoltaïque. Le contrôleur devrait indiquer qu’il est en charge.

3. Connectez l’onduleur : Rebranchez le fusible principal de la batterie et mettez l’onduleur en marche.

Inverser cet ordre (connecter le panneau solaire avant les batteries) peut endommager la carte logique du contrôleur de charge.

Une analyse réaliste des coûts d'une installation solaire en auto-construction montre généralement un retour sur investissement de 5 à 7 ans, contre 10 à 12 ans pour une installation professionnelle. Cependant, vous échangez des économies contre des frais de main-d'œuvre et une responsabilité accrue.

Répartition typique des coûts :

• Panneaux solaires : environ 30 % du budget.

• Batteries : environ 35 à 40 % du budget (le composant le plus cher pour une installation hors réseau).

• Onduleur/Contrôleur : environ 20 % du budget.

• Équivalents du système : environ 10 % (câblage, fusibles, supports, conduits). Ne sous-estimez pas ce poste ; le câble en cuivre est cher.

Pour maîtriser les coûts, envisagez l'achat de panneaux d'occasion ou de « qualité B » pour votre installation, car ils offrent un excellent rapport qualité-prix. En revanche, ne lésinez jamais sur l'onduleur ni sur les équipements de sécurité.