Les panneaux solaires produisent de l'électricité lorsque le soleil brille, mais la production d'énergie solaire ne correspond pas toujours aux besoins. Une batterie solaire haute performance résout ce problème en stockant l'énergie solaire excédentaire et en la restituant ultérieurement, par exemple la nuit, lors des périodes de faible ensoleillement ou en cas de coupure de courant.
Mais comment fonctionne une batterie solaire avec des panneaux solaires et un onduleur?
Dans un système solaire photovoltaïque classique avec stockage, les panneaux solaires produisent du courant continu, l'onduleur gère et convertit ce courant, et la batterie stocke l'énergie excédentaire pour une utilisation ultérieure. Le fonctionnement précis de ces composants dépend du type de système (raccordé au réseau, autonome ou hybride) et de sa configuration.
1. Clés à emporter
- Les panneaux solaires convertissent la lumière du soleil en électricité continue.
- A onduleur solaire Il convertit et gère l'électricité pour les charges, la batterie et le réseau électrique, le cas échéant.
- Une batterie solaire stocke l'énergie solaire excédentaire pour l'utiliser lorsque la production solaire est insuffisante.
- Les onduleurs hybrides et hors réseau peuvent gérer le flux d'énergie entre les panneaux solaires, les batteries, les charges et le réseau.
- Batteries LiFePO4 sont largement utilisées pour le stockage de l'énergie solaire en raison de leur longue durée de vie, de leur capacité utile élevée et de leur bonne stabilité thermique.
- Les batteries LiFePO4 modernes peuvent atteindre plus de 6 000 cycles de charge et de décharge dans des conditions de fonctionnement spécifiées.
- Profondeur de décharge (DoD) détermine la part de la capacité nominale d'une batterie qui peut être utilisée.
- La batterie et l'onduleur doivent être correctement adaptés en termes de tension, de puissance, de limites de charge et de décharge, et de compatibilité de communication.
- Un système solaire hybride correctement conçu peut fournir une alimentation de secours lors de pannes de réseau ou de baisses de tension, grâce à l'onduleur et à la configuration de secours.
2. Principaux types de SPS
Avant de comprendre le fonctionnement d'une batterie solaire, il est utile de comprendre les trois principaux types de systèmes d'énergie solaire — raccordés au réseau, hors réseau et hybrides — et le rôle du comptage net dans les systèmes raccordés au réseau.
2.1. Système solaire sur réseau
Un système solaire raccordé au réseau est connecté au réseau électrique. Les panneaux solaires produisent de l'électricité pendant la journée, et l'onduleur la convertit en courant alternatif pour alimenter les appareils domestiques ou commerciaux.
Lorsque la production solaire dépasse la consommation électrique d'un bâtiment, le surplus d'électricité peut être injecté dans le réseau. Dans les régions où le comptage net ou un programme similaire d'injection d'électricité sur le réseau est en place, l'électricité injectée peut être facturée selon les règles du fournisseur d'électricité local.
Lorsque la production solaire est insuffisante, l'électricité peut être puisée sur le réseau pour répondre aux besoins du bâtiment.
Les systèmes traditionnels raccordés au réseau ne nécessitent généralement pas de batterie, car le réseau électrique peut prendre le relais lorsque la production solaire est insuffisante. Cependant, un système standard raccordé au réseau sans batterie de secours ne peut généralement pas alimenter les charges lors d'une coupure de courant ou d'une baisse de tension sur le réseau.
2.2. Système solaire hors réseau
Un système solaire hors réseau fonctionne indépendamment du réseau électrique. Il est couramment utilisé dans les zones reculées où l'électricité du réseau est indisponible ou peu fiable.
Comme il n'existe pas de réseau pour fournir de l'électricité après le coucher du soleil ou pendant les périodes de faible production solaire, un système hors réseau nécessite généralement des panneaux solaires, des batteries et un onduleur.
La batterie stocke l'énergie produite pendant les périodes d'ensoleillement optimal et fournit de l'électricité lorsque les panneaux solaires ne peuvent pas produire suffisamment d'énergie.
Pour les endroits dépourvus d'accès fiable au réseau électrique, un système solaire hors réseau de taille appropriée peut fournir une source d'électricité plus indépendante.
2.3. Système solaire hybride
Un système solaire hybride combine des panneaux solaires, un système de stockage par batterie, un onduleur et un raccordement au réseau électrique.
En journée, l'énergie solaire alimente les appareils et recharge la batterie. Lorsque la production solaire est insuffisante, le système peut utiliser l'énergie stockée dans la batterie ou l'électricité du réseau, selon sa configuration et ses paramètres de fonctionnement.
Un système hybride peut offrir une plus grande flexibilité énergétique et peut également fournir une alimentation de secours en cas de panne de réseau ou de baisse de tension, lorsqu'il est associé à un onduleur et à une configuration de secours appropriés.
3. Aperçu des types de SPS
Comparaison des systèmes d'énergie solaire raccordés au réseau, hors réseau et hybrides, montrant le rôle des panneaux solaires, des batteries, des onduleurs et du réseau électrique.
Parmi ces trois types de systèmes, les batteries sont particulièrement importantes dans les systèmes solaires hors réseau et hybrides.
Alors, comment la batterie fonctionne-t-elle concrètement avec les panneaux solaires et l'onduleur ?
4. Comment fonctionne chaque partie ?
Un système solaire avec stockage peut être compris à travers le flux d'électricité :
Solar panels → Inverter → Electrical loads
Lorsque les panneaux solaires produisent plus d'électricité que les besoins actuels des appareils :
Excess solar energy → Battery → Stored energy
Plus tard, lorsque la production solaire diminuera :
Battery → Inverter → Electrical loads
L'onduleur joue le rôle de composant central de gestion de l'énergie, contrôlant la circulation de l'électricité entre les panneaux solaires, la batterie, les charges et le réseau électrique, le cas échéant.
4.1. Production d'électricité
Les panneaux solaires utilisent des cellules photovoltaïques pour convertir la lumière du soleil en énergie électrique. L'électricité produite par les panneaux PV est du courant continu (CC). Cependant, la plupart des appareils électroménagers et commerciaux fonctionnent en courant alternatif (CA).
La capacité des panneaux solaires et la production d'énergie réelle dépendent de plusieurs facteurs, notamment :
- capacité du système PV
- Irradiation solaire
- Heures de pointe d'ensoleillement
- Orientation et inclinaison du panneau
- Ombres
- Température
- Efficacité et pertes du système
Par exemple, un système solaire résidentiel peut utiliser plusieurs panneaux solaires à haut rendement pour générer suffisamment d'électricité pour les appareils utilisés pendant la journée, tout en produisant un surplus d'énergie pour la recharge des batteries.
Cependant, l'installation de panneaux solaires supplémentaires ne garantit pas automatiquement de meilleures performances du système. Le champ photovoltaïque doit être correctement adapté à l'onduleur et à la batterie.
4.2. Conversion d'énergie
L'onduleur est l'un des composants les plus importants d'un système de stockage d'énergie solaire.
Un onduleur conventionnel raccordé au réseau convertit principalement le courant continu (CC) produit par les panneaux solaires en courant alternatif (CA). Un onduleur hybride, en revanche, peut assurer des fonctions supplémentaires de gestion de l'énergie.
Selon sa conception, un onduleur hybride peut gérer le flux d'électricité entre :
- Panneaux solaires
- Batterie solaire
- charges domestiques ou commerciales
- Réseau de distribution
Par exemple, lorsque les panneaux solaires produisent suffisamment d'énergie, l'onduleur peut privilégier l'énergie solaire pour alimenter les appareils. En cas de production solaire excédentaire, il peut diriger le surplus d'électricité vers la batterie pour la recharger.
Lorsque la production solaire diminue, l'onduleur peut puiser de l'électricité dans la batterie et la convertir en courant alternatif utilisable.
De nombreux onduleurs hybrides et hors réseau utilisent également la technologie MPPT (Maximum Power Point Tracking) pour optimiser le point de fonctionnement des panneaux solaires et extraire efficacement l'énergie solaire disponible.
4.3. Stocke l'énergie excédentaire
La batterie solaire constitue le composant de stockage d'énergie du système. Lors des périodes ensoleillées, les panneaux solaires peuvent produire plus d'électricité que le bâtiment n'en consomme. Au lieu d'utiliser immédiatement toute cette électricité, le surplus peut servir à recharger la batterie.
Par exemple :
Solar panels generate 6 kW → Loads use 3 kW → Approximately 3 kW is available for battery charging
La puissance de charge réelle dépendra de l'onduleur, de la batterie, de la production photovoltaïque et de la configuration du système.
Plus tard dans la soirée :
Solar production decreases → Battery discharges → Inverter supplies the loads
Cela permet d'utiliser l'électricité produite pendant la journée après le coucher du soleil.
5. Batterie la nuit ?
Après le coucher du soleil, les panneaux solaires cessent généralement de produire une quantité significative d'électricité. Dans un système de stockage par batterie, l'onduleur peut puiser l'énergie stockée et la convertir en courant alternatif pour alimenter les appareils connectés.
Par exemple, une maison peut utiliser l'énergie stockée dans une batterie pour faire fonctionner des appareils essentiels tels que :
- Éclairage LED
- Réfrigérateurs et congélateurs
- Ventilateurs
- Climatiseurs
- Routeurs Wi-Fi
- Ordinateur
- Téléviseurs
- Autres appareils ménagers
Lors du dimensionnement d'un système de batteries solaires, il convient d'accorder une attention particulière aux climatiseurs. Dans les régions chaudes et en été, un climatiseur peut devenir l'un des plus gros consommateurs d'électricité d'une habitation. Son compresseur peut également nécessiter une puissance plus importante au démarrage ; il est donc essentiel de prendre en compte la puissance de sortie continue et de pointe de l'onduleur, ainsi que la capacité de décharge de la batterie.
La capacité d'une batterie solaire à alimenter un climatiseur, et sa durée d'utilisation, dépendent de la consommation électrique du climatiseur, de ses heures de fonctionnement, de la capacité de la batterie, de la capacité de l'onduleur et de l'énergie disponible provenant des panneaux solaires.
L'autonomie de la batterie pour alimenter d'autres appareils dépend également de sa capacité, du rendement de l'onduleur, de la puissance des charges, de la capacité utile de la batterie et des conditions d'utilisation. C'est pourquoi le choix de la capacité de la batterie ne doit pas se baser uniquement sur le nombre d'appareils. Leur consommation énergétique réelle et leur durée de fonctionnement sont également des facteurs importants.
6. Panne de réseau ou baisse de tension ?
L'une des principales raisons pour lesquelles les propriétaires et les entreprises ajoutent des batteries à leurs systèmes solaires est l'alimentation de secours.
Dans un système solaire hybride approprié, l'onduleur peut isoler les charges de secours désignées du réseau électrique en cas de panne ou de baisse de tension et continuer à les alimenter en énergie solaire et en énergie de batterie.
En journée, les panneaux solaires peuvent alimenter les appareils tout en rechargeant la batterie. La nuit ou lorsque la production solaire est insuffisante, la batterie peut fournir l'électricité stockée.
Cependant, tous les onduleurs solaires ne fournissent pas automatiquement une alimentation de secours. L'onduleur doit prendre en charge le fonctionnement de secours ou hors réseau, et le système doit être conçu avec les circuits de secours et les équipements de protection appropriés.
Il est également important de comprendre qu'un système d'alimentation de secours par batterie ne garantit pas nécessairement le fonctionnement continu de tous les appareils du bâtiment en cas de panne de courant. De nombreux systèmes utilisent un circuit de secours ou de priorité aux charges essentielles afin que les appareils prioritaires soient alimentés tandis que les charges non essentielles ou à forte consommation restent déconnectées.
7. Les batteries sont-elles populaires pour les systèmes d'alerte précoce ?
Les batteries LiFePO4 (lithium fer phosphate) sont largement utilisées dans les systèmes modernes de stockage d'énergie solaire résidentiels et commerciaux. Comparées aux batteries plomb-acide traditionnelles, les systèmes LiFePO4 correctement conçus peuvent offrir des avantages tels que :
- Longue durée de vie: Les batteries LiFePO4 modernes peuvent atteindre plus de 6 000 cycles de charge et de décharge, en fonction de la conception de la batterie, des conditions de fonctionnement et de la profondeur de décharge (DoD).
- Capacité utile élevée : Les batteries LiFePO4 peuvent généralement fonctionner à une tension élevée Profondeur de décharge (DoD), permettant ainsi d'utiliser une plus grande partie de la capacité nominale de la batterie.
- Performances stables: La chimie LiFePO4 offre des performances constantes sur de nombreux cycles de charge et de décharge.
- Bonne stabilité thermique : Le LiFePO4 est connu pour sa chimie stable et ses bonnes caractéristiques thermiques.
- Faibles besoins d'entretien : Contrairement aux batteries au plomb-acide, les batteries LiFePO4 nécessitent généralement un entretien courant minimal.
- Stockage d'énergie compact : Elles peuvent offrir une capacité de stockage d'énergie substantielle dans un format relativement compact et léger.
8. Quelle est la profondeur de décharge ?
La profondeur de décharge (DoD) fait référence au pourcentage de la capacité utilisable d'une batterie qui a été déchargée.
Par exemple, si une batterie de 10 kWh fonctionne à 80 % de profondeur de décharge (DoD), environ 8 kWh de sa capacité nominale peuvent être utilisés avant d'être rechargés.
Un niveau de décharge utile plus élevé signifie qu'une plus grande partie de l'énergie stockée dans la batterie peut être utilisée sans nécessiter un parc de batteries plus important. Les batteries LiFePO4 sont donc parfaitement adaptées au stockage de l'énergie solaire, où elles sont chargées régulièrement pendant la journée et déchargées la nuit ou lors des périodes de faible production solaire.
La durée de vie d'une batterie et sa profondeur de décharge (DoD) sont étroitement liées. En général, un faible niveau de DoD permet de réduire les contraintes sur les cellules et d'allonger potentiellement sa durée de vie. Par conséquent, la durée de vie réelle d'une batterie LiFePO4 dépend non seulement de son nombre de cycles nominal, mais aussi de facteurs tels que la DoD, la température, les vitesses de charge et de décharge, et la gestion de la batterie.
Une batterie au lithium nécessite également un système de gestion de batterie (BMS). Ce dernier surveille des paramètres importants tels que la tension des cellules, la température et les conditions de charge et de décharge, contribuant ainsi à protéger la batterie et à garantir un fonctionnement sûr et fiable.
Pour un fonctionnement fiable, la batterie doit être compatible avec l'onduleur choisi. Selon l'équipement, une communication via CAN ou RS485 peut être nécessaire pour la surveillance de la batterie, le suivi de son état de charge et la coordination des opérations de charge et de décharge.
Sungreat Energy fournit des batteries solaires LiFePO4 pour les applications de stockage d'énergie résidentielles et commerciales, avec différentes capacités de batterie disponibles pour répondre aux différents besoins des systèmes.
9. Batterie solaire et onduleur adaptés ?
Un dimensionnement correct du système est essentiel pour un stockage fiable de l'énergie solaire.
- Calculer la consommation énergétique quotidienne : Déterminez la consommation électrique quotidienne de votre domicile ou de votre entreprise, généralement exprimée en kilowattheures (kWh). Cette consommation permet de calculer la quantité d'énergie que les panneaux solaires doivent produire et la capacité de stockage par batterie nécessaire.
- Calculer la charge de pointe : Déterminez la puissance maximale susceptible d'être requise lorsque plusieurs appareils fonctionnent simultanément. Cette puissance, généralement exprimée en kilowatts (kW), est essentielle pour le choix de l'onduleur. Les climatiseurs, réfrigérateurs, pompes et autres équipements motorisés peuvent également présenter une puissance de démarrage plus élevée ; il convient donc de tenir compte de la capacité de surcharge de l'onduleur.
- Déterminer le temps de sauvegarde requis : Déterminez l'autonomie nécessaire de la batterie pour alimenter les appareils essentiels pendant la nuit ou en cas de coupure de courant. Par exemple, un particulier peut souhaiter une capacité de stockage suffisante pour faire fonctionner ses appareils électroménagers essentiels pendant 5, 8 ou 12 heures.
- Dimensionner le système photovoltaïque solaire : Les panneaux solaires doivent produire suffisamment d'énergie pour alimenter les appareils pendant la journée et recharger la batterie durant la période d'ensoleillement. L'irradiation solaire locale et les heures d'ensoleillement maximal doivent être prises en compte pour estimer la capacité photovoltaïque requise.
- Sélectionnez l'onduleur approprié : La puissance de sortie continue et la capacité de surcharge de l'onduleur doivent être suffisantes pour les charges connectées. L'onduleur doit également être compatible avec le type de système choisi : raccordé au réseau, autonome ou hybride.
- Vérifiez la compatibilité de la batterie et de l'onduleur : Avant l'installation, il convient de vérifier la tension de la batterie, les paramètres de charge, les courants de charge et de décharge maximum, les protocoles de communication et la compatibilité avec le système de gestion de batterie (BMS). L'utilisation d'une batterie et d'un onduleur incompatibles peut nuire aux performances et à la communication du système.
10. Un système intégré
Un système de stockage d'énergie solaire fonctionne car chaque composant remplit une fonction différente mais interdépendante :
- Les panneaux solaires produisent de l'électricité.
- L'onduleur convertit et gère l'électricité.
- La batterie stocke l'énergie excédentaire.
- L'onduleur fournit l'énergie stockée aux charges en cas de besoin.
Dans de nombreuses applications, les systèmes raccordés au réseau peuvent fonctionner sans batteries, tandis que les batteries sont essentielles à la plupart des systèmes hors réseau et constituent un élément important des systèmes hybrides conçus pour le stockage d'énergie et l'alimentation de secours.
Lorsqu'ils sont correctement dimensionnés et adaptés, un système composé d'un panneau solaire, d'une batterie LiFePO4 et d'un onduleur hybride peut aider les ménages et les entreprises à mieux utiliser les énergies renouvelables, à réduire leur dépendance à l'égard de l'électricité du réseau et à maintenir l'accès à l'énergie lorsque la production solaire ou l'approvisionnement du réseau sont indisponibles.
Si vous envisagez l'installation d'un système de stockage d'énergie solaire, commencez par évaluer votre consommation énergétique quotidienne, la consommation de pointe, le nombre d'heures de secours nécessaires, le potentiel solaire disponible et l'état du réseau électrique. Ces facteurs vous permettront de choisir la capacité des panneaux solaires, la taille de la batterie et l'onduleur les plus adaptés.
11. Références
- Agence internationale pour les énergies renouvelables (IRENA). Coûts de production d'électricité renouvelable en 2023. Abou Dhabi : IRENA.
- Agence internationale de l'énergie (AIE). Énergies renouvelables 2023 : Analyse et prévisions jusqu'en 2028. Paris : Publications de l'AIE.
- Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL). Références de coûts des systèmes photovoltaïques et de stockage aux États-Unis. Golden, CO : Rapport technique du NREL.
- SolarPower Europe. Perspectives du marché mondial de l'énergie solaire 2024-2028. Bruxelles : SolarPower Europe.
- BloombergNEF (BNEF). Perspectives des systèmes de stockage d'énergie et enquête sur les prix des batteries lithium-ion. Londres : Bloomberg Finance LP
