Etude et Dimensionnent des câbles photovoltaïques DC

    Les câbles de la partie champ photovoltaïque doivent respecter plusieurs contraintes réglementaires résumées dans le guide UTE C32-502.

    Il s'agit de câbles spécifiques soumis à des conditions d'exploitation particulières. Ils doivent être conçus pour fonctionner avec des températures ambiantes comprises entre -35 °C et + 70 °C. Ainsi, il est prévu que :

• La température maximale admissible sur le noyau en régime permanent est de 90 °C.
• La température maximale admissible sur le noyau dans des conditions de surcharge est de 120 ° C.

1. Courant admissible des câbles

    Le premier paramètre à prendre en compte pour le calcul de la section de câble est le courant admissible. Le courant admissible IZ des câbles dépend notamment du mode de pose et de la température du conducteur.

Courant admissible d'un câble

    Le courant admissible d'un câble est la valeur maximale de l'intensité du courant qui peut circuler en continu dans ce conducteur sans que sa température soit supérieure à sa température spécifiée.

    Afin d'éviter tout phénomène de surchauffe des câbles, il est conseillé de choisir des sections de câbles avec un courant admissible (IZ) supérieur au courant maximal de fonctionnement (IB) du circuit électrique.

    En fonctionnement normal, le courant de fonctionnement maximum, côté Champ Photovoltaïque, doit être pris égal à 1,25 × ICC. Ainsi, on choisira toujours des sections de câble dont le courant admissible IZ = 1,25 × ICC. Il va de soi que les courants s'additionnent en présence de jonctions parallèles de plusieurs chaînes photovoltaïques.

ATTENTION ! La règle IZ = 1,25 × ICC ne peut pas être appliquée lorsque plusieurs chaînes photovoltaïques sont susceptibles de produire des courants de retour. Le tableau ci-dessous résume l'intensité du courant de retour en fonction du nombre de strings en parallèle.

Courant de retour

    L'apparition de courant inverse est partiellement traitée dans la section "Effets d'ombrage sur une installation photovoltaïque".

    Ainsi, on s'aperçoit que le courant susceptible de circuler dans les câbles des chaînes photovoltaïques peut dépasser la valeur normale de 1,25 × ICC, à cause des courants de retour. Il est connu que les courants de retour endommagent les modules photovoltaïques à partir d'une certaine intensité de l'ordre de 2 × ICC. Des dispositifs de protection de type fusible sont alors installés pour couper le courant dans la chaîne lorsque le courant de retour devient trop élevé. La partie « Fusible DC » de ce chapitre donne plus de détails sur le choix et le calibrage de ces fusibles.

    Cependant, les câbles des chaînes photovoltaïques doivent encore être dimensionnés pour supporter les courants de retour, sans risque de surchauffe. Il est donc conseillé de choisir une section de câble avec un courant maximal admissible IZ supérieur au courant de retour calculé dans le tableau précédent. Le tableau suivant donne la valeur du courant maximal admissible IZ en fonction du nombre de chaînes en parallèle :

NC : Nombre de chaîne en parallèle	Valeur maximal du courant retour dans une chaîne (A)	Courant maximal admissible IZ (A)
NC = 1	0	IZ ≥ 1.25 × ICC
NC = 2	1.25 × ICC	IZ ≥ 1.25 × ICC
NC = 2	2 × 1.25 × ICC	IZ ≥ 2 × 1.25 × ICC OU IZ ≥ 1.45 × In(en cas de présence d’un fusible de courant nominal In*)
NC ≥ 4	(NC – 1) × 1.25 × ICC	IZ ≥ (NC – 1) × 1.25 × ICC OU IZ ≥ 1.45 × In(en cas de présence d’un fusible de courant nominal In*)

Valeur du courant admissible IZ dans les câbles DC en fonction du courant de retour

    * Si un fusible de courant nominal In est présent, il coupe le circuit lorsque le courant de retour dépasse la valeur de 1,45 × In. Le courant de retour ne dépassera donc jamais cette valeur. Le courant maximal admissible IZ peut être pris au moins égal à 1,45 × In

La chute de pression

    Le deuxième paramètre à prendre en compte pour le calcul de la section de câble est la chute de tension admissible.

    En théorie, un câble est un conducteur de courant parfait, c'est-à-dire que sa résistance est nulle. En pratique, un câble n'est pas un conducteur parfait : il se comporte comme une résistance.

    Il est recommandé que la chute de tension maximale entre le générateur photovoltaïque et le régulateur soit de 3 %. Idéalement, on visera une chute de tension de 1%.

    Notons la chute de tension dans les câbles. On cherche donc à vérifier la condition suivante : = 0,03.

• Par définition : = (VA - VB) / VA
• De plus, nous savons aussi que U = VA - VB = R × I.
• Dans un câble, on sait que R = (ρ1 × L) / S, on en déduit donc :

Avec :

• ρ1 : Résistivité du matériau conducteur (cuivre ou aluminium) en service normal. Conformément au guide UTE C15-712-2 et à la partie 5-52 de la NF C 15-100, ρ1 = 1,25 × ρ0 où ρ0 est la résistivité du conducteur à 20°C. On exprimera la résistivité en Ω.mm² / m.
• L : Longueur du câble (m)
• S : Section de câble (mm²)
• I : Courant circulant dans le câble (A)
• : chute de tension, = 0,03
• VA : Tension à l'origine du câble (V)
• Résistivité d'un conducteur

    La résistivité du conducteur est donnée par le constructeur. Cela dépend du matériau et de la température :

• ρ0 = 1,851 × 10-8 m pour un conducteur en cuivre sous 20°C
• ρ0 = 2,941 × 10-8 m pour un conducteur en aluminium à 20°C

    Il est d'usage d'exprimer la résistivité d'un conducteur en Ω.mm²/m. Cette unité permet, lors du calcul des sections de câbles, d'exprimer directement les longueurs en mètres et les sections en mm².

• ρ0 = 0,01851 Ω.mm²/m pour un conducteur en cuivre sous 20°C
• ρ0 = 0,02941 Ω.mm²/m pour un conducteur en aluminium à 20°C

2. Exemple de calcul de la section de câble du champ photovoltaïque

    Considérons une installation photovoltaïque autonome alimentant l'éclairage d'un petit chalet en courant continu 24 V, composé de 4 modules, d'un banc de batteries et d'un régulateur.

    L'objectif de cet exemple est de calculer la section appropriée des câbles du côté du champ photovoltaïque. Pour cela, les hypothèses sont les suivantes :

    Les modules utilisés ont les propriétés électriques suivantes :

• UMPP = 17,3 V
• IMPP = 3,2 A
• ICC = 3,45 A

    Le champ photovoltaïque se compose de 2 chaînes de 2 modules en série, pour un total de 4 modules. La jonction de ces deux chaînes est réalisée dans une boîte de jonction au niveau du champ photovoltaïque.

    Les câbles utilisés sont en cuivre : ρ1 = 0,02314 Ω.mm² / m

    La longueur des câbles est indiquée ci-dessous :

Quelles longueurs de câble devriez-vous considérer?

    Les longueurs de câble à considérer, dans le calcul de la chute de tension, sont toutes les longueurs de câble, entre deux points du circuit, à l'exception des câbles propres des modules. En effet, la chute de tension dans les câbles des modules est déjà prise en compte dans les propriétés électriques des modules.

    La méthodologie consiste à calculer la section des câbles pour chaque portion de la partie Champ Photovoltaïque. Dans notre exemple, il y a 3 portions :

Calcul des chutes de tension pour chaque portion du circuit

    A partir des tronçons calculés, il faut alors choisir le tronçon commercial supérieur et calculer la chute de tension associée à ce tronçon commercial :

    Dans le tableau ci-dessus, nous venons de calculer la chute de tension sur chacune des portions du circuit électrique. Pour calculer la chute de tension sur l'ensemble du circuit du champ photovoltaïque, lorsque deux chaînes sont en parallèle, considérez la chute de tension la plus défavorable, et ajoutez-la à la chute de tension dans la chaîne principale. Ainsi, dans notre exemple, la chute de tension totale côté Champ Photovoltaïque est égale à : ε = ε2 + ε3 = 2,81%.

    La chute de tension totale est bien inférieure à 3%. Si cela n'avait pas été le cas, il aurait fallu augmenter (par exemple) la section de la portion 3.

    De plus, il est important de vérifier que le courant admissible IZ des câbles est bien supérieur à 1,25 × ICC. Pour connaître le courant admissible IZ des câbles, on supposera que :

• la température ambiante maximale est de 50°C dans les 3 portions,
• Les câbles sont tous posés à côté du mur (le sol).

    La valeur de courant de câble admissible se trouve dans le chapitre Courant de câble admissible. Après consultation de ce tableau, nous collectons les données du tableau ci-dessous :

Validation de la section des câbles par rapport au courant admissible

    On constate donc que dans chacune des portions, le courant admissible IZ est très supérieur au courant maximal de fonctionnement recommandé (1,25 × ICC).

    Les sections de câbles calculées sont donc validées.

Calculer la puissance d'une installation photovoltaïque

1. Calculer la puissance sur la base de la surface de toiture disponible

    Prenons l’exemple d’une famille avec deux enfants qui consomme 3 600 kWh sur l’année.

• Le facteur de correction d’ensoleillement est de 0,85.
• Pour produire 3 600 kWh avec des panneaux solaires, il faudra à cette famille une puissance nominale de 3 600/0,85 = 4,2 kWc.
• Cela représentera une surface de panneaux d’environ 4,2 x 8 = 34 m2. (8 m2 étant la surface estimée pour produire 1 kWc).

2. Calculer la puissance sur la base du budget

3. Faire une vérification de son installation électrique

4. Comment calculer la puissance d'une installation ?

• Un panneau solaire produit de l'électricité par intermittence en raison des variations de l'éclairement du soleil.
• La puissance électrique qu'il fournit (exprimée en watts) varie donc selon l'heure de la journée, mais aussi selon la saison.
• Pour pouvoir comparer la puissance entre les panneaux, nous utilisons le Watt crête (Wp), une mesure qui correspond à la puissance maximale que le panneau peut délivrer dans des conditions d'éclairage optimales STC (Standard Test Conditions).
• Ces conditions sont de 1000 W de lumière/m2 (plein soleil à midi en zone tempérée).
• On considère qu'il faut 8 m2 pour produire 1kWc, soit 1000 kWh par an.

Pourquoi 36 cellules ?

• La puissance d'un panneau photovoltaïque en Watt crête sous un rayonnement de 1000 W/m2 est intimement liée à ses dimensions et son nombre de cellules.
• Un panneau solaire est classiquement constitué de 36 cellules connectées en série.
• Ce nombre n'a pas été choisi au hasard.
• En effet, pour produire un courant continu de 12 V (référence de la tension utilisée par les batteries, par les ampoules à économie d'énergie), il faut avoir environ 14,5 V pour une charge efficace.
• Sachant qu'on va perdre 2 à 3 V en câblage, il faut donc un panneau fournissant au moins 17,5 V, donc arrondi à 18 V, la tension de 36 cellules en série, sachant qu'une cellule délivre environ entre 0,5 et 0,6 V .

5. Quelques définitions importants

Architectures d'installations photovoltaïques

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Architectures d'installations photovoltaïques

    Un système photovoltaïque est un ensemble de composants qui, lorsqu'ils sont assemblés, convertissent l'énergie rayonnante du soleil en énergie électrique.

    Dans les systèmes raccordés au réseau, l'énergie électrique générée par les modules photovoltaïques en courant continu est convertie en courant alternatif par l'onduleur puis comptée par un compteur de production d'électricité préalablement installé par le gestionnaire de réseau (ENEDIS ou une entreprise locale de distribution, ELD ) avant d'être injecté dans le réseau. Plusieurs options de connexion sont possibles.

    Bien qu'une installation photovoltaïque nécessite peu de composants, ceux-ci doivent être choisis judicieusement pour répondre aux attentes du client en termes de production, d'efficacité d'investissement et de bénéfice environnemental. Dans le cas du photovoltaïque, on peut garder à l'esprit que tout kilowattheure « perdu » à cause d'un mauvais dimensionnement ne sera ni vendu ni consommé, et cela sur les 20 ou 30 ans de la durée de vie de l'installation.

Pages dans cette section

• Caractéristiques communes des architectures PV
• Architectures de systèmes photovoltaïques
• Installations photovoltaïques : dimensionnement
• Mode d'installation des modules PV
• Installations photovoltaïques : choix des équipements électriques
• Raccordement du système PV au réseau ou à l'installation basse tension privée

Installations photovoltaïques :  systèmes de production d'électricité photovoltaïque

    Un système photovoltaïque, également système PV ou système d'énergie solaire, est un système d'alimentation électrique conçu pour fournir de l'énergie solaire utilisable au moyen de l'énergie photovoltaïque. L'électricité photovoltaïque est une technologie remarquable qui transforme le rayonnement lumineux en électricité. L'effet photovoltaïque a été découvert en 1839 par le physicien français Alexandre-Edmond Becquerel. Ce secteur s'est ensuite développé à partir de la nécessité d'alimenter les satellites en électricité solaire.

    Cet article traite des systèmes de production d'électricité photovoltaïque (solaire) et en particulier :

• tendances et avantages, technologie,
• les règles spécifiques de conception des installations à respecter, telles que définies par la norme IEC 60364 partie 7-712 et le guide UTE C15-712,
• quelques architectures typiques d'installations photovoltaïques,
• et comment l'intégration de la production solaire dans les bâtiments, pour l'autoconsommation, impacte le dimensionnement des installations électriques.

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