La capacité de stockage par batterie est déterminée par le plus grand déficit énergétique entre la production solaire et la demande de charge pendant la période de conception. Le calcul compare la production variable du système solaire avec le profil de charge sur des jours et des saisons représentatifs, puis identifie la période la plus longue ou la plus profonde où la demande dépasse l'énergie solaire disponible. La batterie doit couvrir ce déficit tout en respectant les limites d'état de charge utilisable, les pertes de conversion, les effets de la température et la dégradation future de la capacité.
La taille correcte de la batterie est basée sur le déficit cumulé maximal, et non simplement sur la consommation quotidienne moyenne. Le résultat est ensuite converti en capacité nominale de la batterie en tenant compte de l'efficacité, de la profondeur de décharge autorisée, des conditions d'exploitation et de la réserve requise.
Pourquoi la consommation d'énergie moyenne ne suffit pas
La production solaire varie dans le temps
La production solaire change en fonction de la lumière du jour, de la météo, de la saison, de l'ombrage et de l'orientation des panneaux. Un système peut produire suffisamment d'énergie sur une année entière tout en nécessitant un stockage important pendant l'hiver, les périodes nuageuses ou des jours consécutifs de faible rayonnement.
Les charges varient également dans le temps
Le profil de charge doit inclure une consommation horaire ou à intervalle plus court plutôt qu'une simple moyenne quotidienne. Les pompes, compresseurs, équipements de chauffage et autres appareils à forte demande peuvent créer des déficits à court terme qui affectent à la fois l'énergie nécessaire de la batterie et sa puissance nominale.
La période de conception détermine le résultat
L'analyse doit couvrir la période d'exploitation pertinente, y compris la saison où la relation entre l'offre solaire et la demande est la moins favorable. La capacité requise est généralement régie par la période de réserve maximale pendant laquelle la production solaire reste inférieure à la demande de charge.
Comment le besoin de stockage est calculé
Établir les profils d'offre solaire et de charge
Pour chaque intervalle de temps, déterminez :
- L'énergie solaire disponible pour la batterie ou le bus CC
- L'énergie requise par les charges
- L'énergie utilisée par les onduleurs, les régulateurs de charge et autres composants du système
- Toute contribution prévue ou attendue d'une génération de secours
Les profils doivent utiliser la même résolution temporelle et couvrir une période suffisamment longue pour capturer les variations quotidiennes et saisonnières.
Calculer le bilan énergétique cumulé
Pour chaque intervalle, calculez le bilan net :
[ \text{Énergie nette} = \text{Énergie solaire disponible} - \text{Énergie de charge requise} ]
Un bilan positif peut charger la batterie, tandis qu'un bilan négatif nécessite une décharge de la batterie. Le bilan cumulé au fil du temps révèle jusqu'où la batterie doit se décharger avant que la production solaire ne la restaure.
La capacité de stockage utilisable requise est associée au plus grand déficit cumulé entre une opportunité de recharge et le point où la batterie atteint son état de charge minimal autorisé.
Utiliser les ampères-heures lorsque le système est évalué électriquement
Pour un système de batterie fonctionnant à une tension définie, l'énergie peut être convertie en ampères-heures :
[ \text{Ah} = \frac{\text{Wh}}{\text{V}} ]
La référence principale décrit cela comme la comparaison de la courbe d'approvisionnement en Ah cumulée du générateur solaire avec le profil de consommation en Ah. Cela est approprié lorsque la tension et le courant de la batterie sont représentés de manière cohérente ; pour les systèmes présentant une variation de tension importante, un calcul basé sur l'énergie en wattheures est généralement plus clair et plus précis.
Inclure l'exigence de recharge
La batterie ne doit pas seulement survivre à la période de réserve ; elle doit également se recharger avant le prochain déficit significatif. Une conception qui couvre à peine un intervalle nuageux peut échouer si les jours suivants fournissent une énergie solaire insuffisante pour restaurer la batterie.
Le calcul des séries chronologiques doit donc vérifier les deux conditions :
- La batterie reste au-dessus de son état de charge minimal autorisé.
- La production solaire peut restaurer la batterie au niveau de fonctionnement prévu pendant la période de recharge disponible.
Conversion de la capacité utilisable en taille nominale de batterie
Tenir compte de la profondeur de décharge autorisée
La capacité nominale de la batterie est supérieure à l'énergie qui devrait normalement être utilisée. Si seule une fraction spécifiée de la capacité nominale est disponible pour un fonctionnement courant, la capacité nominale doit être augmentée en conséquence :
[ C_{\text{nominale}} = \frac{C_{\text{utilisable}}} {\text{profondeur de décharge autorisée}} ]
Utiliser la capacité nominale totale comme capacité utilisable peut raccourcir la durée de vie de la batterie ou entraîner une coupure prématurée du système en basse tension.
Tenir compte des pertes du système
La batterie doit fournir plus d'énergie que ce que reçoit la charge, car de l'énergie est perdue pendant la décharge, l'inversion, le câblage et d'autres étapes de conversion. Une relation de dimensionnement simplifiée est :
[ C_{\text{nominale}} = \frac{E_{\text{charge pendant le déficit}}} {\eta_{\text{système}} \times \text{profondeur de décharge autorisée}} ]
où (\eta_{\text{système}}) représente les efficacités de décharge et de conversion pertinentes.
Les pertes de charge doivent également être incluses lors de la vérification de la capacité du champ solaire à reconstituer la batterie. L'efficacité aller-retour ne doit pas être traitée comme si elle n'affectait que la décharge ; elle influence l'énergie solaire totale requise pour une opération répétée de charge-décharge.
Prévoir le vieillissement et les conditions d'exploitation
La capacité de la batterie change avec la durée de vie du cycle, la température, le comportement de charge et les conditions de stockage. La conception doit inclure la perte de capacité attendue sur la durée de vie prévue plutôt que de dimensionner uniquement pour une batterie neuve.
La température peut affecter à la fois la capacité disponible et les limites de charge. Ces effets doivent être reflétés dans le calcul de la capacité utilisable ou via une marge de conception appropriée.
La capacité et la puissance sont des exigences différentes
La capacité énergétique couvre la durée
La capacité, exprimée en wattheures ou en ampères-heures, détermine combien de temps la batterie peut supporter la charge. Elle est régie principalement par le déficit énergétique cumulé.
La puissance nominale couvre la demande instantanée
La batterie et l'onduleur doivent également fournir la charge simultanée la plus élevée attendue, y compris le démarrage du moteur ou d'autres exigences de surtension. Une batterie peut avoir une capacité énergétique totale suffisante mais être incapable de fournir le courant requis.
La conception doit donc vérifier les deux :
- Capacité énergétique utilisable pour la période de réserve
- Capacité de puissance continue et de crête pour le profil de charge
Comprendre les compromis
Plus de stockage améliore la résilience mais augmente le coût
L'augmentation de la capacité prolonge l'autonomie et réduit le risque d'atteindre l'état de charge minimal dans de mauvaises conditions solaires. Cela augmente également le coût de la batterie, sa taille physique, les exigences de charge et potentiellement le besoin d'équipements auxiliaires supplémentaires.
Concevoir uniquement pour des conditions moyennes est risqué
La production solaire quotidienne moyenne et la charge quotidienne moyenne peuvent masquer des déficits prolongés. Les systèmes hors réseau doivent être dimensionnés en fonction de la période de référence ou du pire scénario pertinent, et non simplement en fonction du bilan énergétique annuel.
Un surdimensionnement excessif peut être inefficace
Une très grande batterie peut rester à un état de charge élevé pendant de longues périodes si le champ solaire ne peut pas la recharger régulièrement ou si les charges sont faibles. Cela peut augmenter le coût en capital sans avantages proportionnels en termes de fiabilité.
Les caractéristiques au niveau des cellules affectent la conception finale
Pour la recherche sur les batteries et le développement de packs, le calcul du système doit être traduit en nombre de cellules, configuration série-parallèle, exigences de courant, comportement thermique et cyclage attendu. La tension spécifique à la chimie, la capacité utilisable, les limites de charge et le comportement de vieillissement peuvent modifier la conception pratique du pack même lorsque l'exigence énergétique au niveau du système reste inchangée.
Comment appliquer cela à votre projet
Commencez par un bilan énergétique ou en Ah sur une série chronologique, puis testez la conception résultante par rapport au temps de recharge, aux limites de fonctionnement, à la demande de puissance, au vieillissement et à la température.
- Si votre objectif principal est le dimensionnement de base hors réseau : Déterminez le déficit énergétique cumulé maximal entre le solaire et la charge sur la période de conception quotidienne et saisonnière pertinente, puis convertissez cette exigence utilisable en capacité nominale de batterie.
- Si votre objectif principal est la conception de packs de batteries ou la R&D : Traduisez l'énergie requise et le courant de crête en configuration de cellules tout en incluant la tension spécifique à la chimie, la profondeur de décharge autorisée, l'efficacité, les limites thermiques et la capacité en fin de vie.
- Si votre objectif principal est la fiabilité dans de mauvaises conditions solaires : Dimensionnez pour la période de réserve ou d'autonomie requise et vérifiez que la ressource solaire disponible peut recharger complètement la batterie par la suite.
- Si votre objectif principal est l'optimisation des coûts : Comparez la capacité de batterie supplémentaire avec des alternatives telles que la gestion de la charge, un champ solaire plus grand ou une génération de secours plutôt que de surdimensionner automatiquement le stockage.
Une batterie hors réseau correctement dimensionnée est celle qui couvre le déficit cumulé réaliste maximal tout en restant rechargeable, fiable et dans ses limites électriques et opérationnelles.
Tableau récapitulatif :
| Facteur de dimensionnement | Considération |
|---|---|
| Déficit énergétique | Plus grand écart cumulé entre l'offre solaire et la demande de charge sur la période de conception. |
| Profondeur de décharge | Capacité nominale = Capacité utilisable / DoD autorisé. |
| Efficacité du système | Inclure les pertes de conversion, de câblage et de charge/décharge. |
| Puissance nominale | S'assurer que la capacité de puissance continue et de surtension correspond à la charge. |
| Vieillissement & température | Tenir compte de la baisse de capacité et des effets de la température sur la durée de vie. |
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