Ce qu'il faut connaître en électricité pour un site isolé

N’ayant que des connaissances très limitées en électricité, je me suis rendu compte qu’en site isolé il fallait comprendre certaines choses pour pouvoir concevoir, réaliser et assurer le suivi du système projeté.

Etant isolé, il ne faut pas s’imaginer appeler un électricien pour détecter une panne dans son installation!

Donc j’ai voulu rafraîchir mes connaissance et celles du lecteur un peu perdu en espérant faire œuvre utile. Bien entendu il y a de nombreux sites ou on explique l’électricité, mais dès qu’un électricien m’explique, je me perds, raison de cette tentative que je pense originale puisqu’elle se concentre sur « les choses à connaitre en électricité sur les site isolés », et cela en préliminaire aux autres chapitres ou je développe mes choix !

Je suis conscient d’être réducteur de certaines notions et si quelque chose de manifestement faux s’est intercalé je serai ravi d’effectuer la correction !

C’est quoi les volts, les ampères les watts, les W/c, W/h, les A/h, et comment on jongle avec ces notions.

• Courant continu et courant alternatif (CC et CA)

Il existe du courant continu (CC) et du courant alternatif (CA) .En anglais ( c'est DC et AC)

(Exemple en voiture tout est en 12V CC et à la maison tout en 230V CA.

En courant continu ou CC on a deux fils, un « plus » et un « moins » et cela ne s’inverse jamais, et si cela arrive cela peut occasionner des dégats (inversion de polarité)

En courant alternatif, on a au moins 2 fils, dans lequel alternativement il y a du plus et du moins. (Cela se passe suivant une certaine fréquence (chez nous 50HZ pour hertz) cela veut dire que 50 fois par seconde le courant change du plus au moins dans le même fil. (Alternativement )

Dans cette configuration, un fil est considéré comme phase (souvent marron), et l’autre neutre (bleu). On y rajoute souvent un 3éme (jaune/vert) qui est une terre. (Ce fil est relié au sol et s’il y a un court-circuit, le courant ira à la terre.

Tout est standardisé et on ne risque pas d’inversion de polarité, donc le sens des fiches (sans terre) n’a pas d’importance.

En maison ou appartement, on ne s’occupe de rien, tout est en 230VCA, tout…sauf plein de choses auxquelles on ne fait pas attention (ce sont tous les appareils qui ont soit un transformateur intégré (télévision, imprimante, ou qui sont des chargeurs de courant (pc portables, mobiles, Smartphone)

En site isolé il faut stocker l’électricité produite dans des batteries, et elles ci seront obligatoirement en courant continu (avec du plus et du moins)

Si on produit de l’électricité en courant alternatif ce qui est en général le cas des éoliennes ou des turbines hydrauliques, il faudra le « rectifier », et le passer en courant continu.

A l’inverse, si on veut utiliser des appareils fonctionnant en 230 VCA à partir des batteries en CC, il faudra un « convertisseur » de courant.

Ceci était la différence de courant continu et alternatif et montre comment passer de l’un à l’autre. (Bien évidemment chaque transformation entraine des pertes, dont il faudra tenir compte le moment venu !)

• Tension et courant

La tension c’est le voltage (V). C’est la différence de tension entre les 2 pôles . (Le plus et le moins en DC, et la phase et le neutre en courant alternatif CA. Dans celui-ci on fige une seconde et on considère le plus pour la phase et moins pour le neutre.

En électricité si on peut changer de courant alternatif en courant continu, on peut aussi changer la tension, l’abaisser ou l’augmenter ! Abaisser (exemple la prise USB de la voiture( sur les nouvelles) qui est en 5Vcc alors que le circuit de la voiture est en 12Vcc.

Augmenter, exemple le chargeur voiture de l’ordinateur portable qui par exemple exige du 19V alors que la voiture délivre du 12V.

Le courant, c’est l’intensité, c’est la quantité d’eau qui passe dans une canalisation, donc la quantité de courant qui doit passer à un moment donné. Donc par exemple un four dans une maison va exiger du fort courant alors que la lampe de chevet n’en demandera que peu.

Le courant s’exprime en A (pour Ampères)

• Relation entre tension et courant, la puissance soit les "Watts"

On arrive à LA REGLE A RETENIR

Si on multiplie le courant par la tension, on obtient des Watts, c’est la puissance !

Ainsi une prise de 10 Ampères dans une maison (en 230 VCA) acceptera 2300Watts.

C’est donc la règle apprise péniblement (pour moi) de P = U x I,

Et je l’écris ( car c’est plus simple à retenir)

Watt = Volt x Ampère

Suivant nos chères maths un peu oubliées, on peut aussi le faire à l’envers :

1. Watt/Volt =Ampère, ou
2. Watt/Ampère =Volt

On se rend compte que au plus le voltage est élevé (oublions un instant la problématique AC/DC (Eh oui ça vient de là !) au plus le courant peut être faible et cela pour la même puissance.

Supposons 1000w en 230V ou en 12V

Dans le 1er cas 1000/230 = 4,35 AMP

Dans le 2ème, 1000/12= 83,33 AMP, donc un courant 20 fois plus important !

Quelle implication ? Pour circuler dans un câble électrique, le courant à besoin de « place ». Au plus la section de ce câble est importante au plus le courant pourra circuler. Les bords de la section du câble freinent le courant et se mettent à chauffer, cela entraine des pertes, et éventuellement une surchauffe des câbles. C’est pourquoi la section des câbles doit respecter des règles qui sont fonction de la tension et du courant mais aussi de la longueur!

C’est ainsi que l’électricité destinée aux foyers arrive par de la Très Haute Tension (THT) (+ de 700.000.000V avant de petit à petit diminuer de tension (via des transformateurs) pour d’arriver en 230V ! C’est la manière qu’on a trouvé de limiter la section des câbles depuis les centrales et ceci sur de longues distances.

De par la même on peut déduire que pour des puissances identiques (Watts) en doublant la tension on divise l’intensité par 2 (mise en parallèle), et à l’inverse en additionnant les intensités on divisait la tension par 2. (Mise en série)

Exemple : 2 lampes de 5W (soit 10W au total) alimentées en 12v.

Ayant chacune une puissance de 5W, on en déduit qu’elles nécessitent un courant de 0,4166A (5/12)

Si on les mets en parallèle (les plus avec les plus et les moins avec les moins, elles consommeront 2X 0,4166A, soit 0,8333A. (Vérification 0,8333x12 = 10 (ok) ( L’intensité s’additionne)

Si on les mets en série (à la queue leu leu (le Plus de la 2eme avec le moins de la première, elles consommeront toujours 0,4166A, mais la tension sera de 24V (Vérification 0,4166x24 = 10 (ok) (La tension s’additionne)

Donc la tension limite la puissance, et il faut

• Soit l’accepter et se contenter de moins de puissance,
• Soit augmenter la section des câbles,
• Soit travailler avec une plus grosse tension, par exemple en travaillant en série

A ce stade nous avons vu :

• Le courant alternatif et continu,
• Le volt, les ampères
• Les watts.
• Mise en série et parallèle

Lorsqu’on veut parler de production ou de stockage ou d’utilisation, il faut rajouter le facteur temps ! Que veulent dire un panneau solaire de 100Wc, une batterie de 12V 100AH, 1Kwh ?

• Production

Pour les panneaux photovoltaïques, la puissance (watt) est exprimée en WC (Watt crête) ( ou Wp en anglais)

Cela signifie que dans certaines conditions, en valeur instantanée, ce panneau produira 100W

(Les conditions : Température 25°, Irradiance 1000W/m2, Clarté de l’air, 1,5)

Donc on ne sait pas combien ce panneau va produire en conditions réelles, jour après jour ; il faudra utiliser d’autres outils)

A ce stade il faut savoir aussi qu’un panneau est fait de cellules mises en série (voir plus haut) typiquement 36 cellules pour un panneau de 12V (En fait des cellules de 0,5vx36 = 18V, moins les pertes, cela donnera assez pour « charger en 12V » voir plus bas)

La production d’électricité par cellules photovoltaïques se fait souvent par combinaison de séries et de parallèles. Si la mise en série à l’avantage de baisser l’intensité dans les câbles et les connections, elle a le gros désavantage de multiplier les problèmes, voire de mettre à néant la production. (Une cellule « morte » empêchera tout passage de courant de l’amont !

• Stockage

A ce jour le seul stockage d’électricité à usage de tout le monde consiste dans les accumulateurs

(Appelés communément piles ou batteries) et actuellement à base de plomb pour la grande majorité

Chacun de nous utilise au quotidien des accumulateurs, souvent rechargeables, et en général on ne se préoccupe de rien, on reçoit un signal de batterie faible on branche la prise et lorsque c’est rechargé cela s’arrête.

En réalité ceci va bien pour des accumulateurs « modernes » et de faible puissance.

Dès qu’on monte en puissance, les enjeux s’affirment et on ne peut plus ne pas s‘en occuper.

• Batteries

Une batterie de 12 V 100A veut dire qu’en théorie, elle a une capacité de 12x100, soit 1200W.

En réalité les 100A sont seulement théoriquement disponibles en déchargeant la batterie une certaine période, typiquement 20 heures soit une décharge de 5Ah( Ampères par heure), par exemple une ampoule de 60W.( 60W/12V=5A)

Si on mettait 2 ampoules (soit 120W, la batterie ne serait pas vide en 10heures mais plus rapidement !)

C'est pourquoi le constructeur de batterie définit la capacité d'une batterie en C5, C10, C20 C100 et donne la capacité en A d'une batterie qui se décharge en 5,10,20 ou 100 heures! Donc une batteries de 100A est en général une batterie qui donne 100A en C20,( soit 100x12= 1200w/20 = 60W pendant 20h mais délivrera environ150Ah en C100, et seulement 80 en en C20 !

D’autre part une batterie souffre d’être trop déchargée (ou rechargée). Certains parleront d’une décharge à 50% maximum de la capacité, les plus conservateurs de 20% seulement. De plus la température va affecter grandement la capacité des batteries à restituer l’énergie.Il convient d'en tenir compte pour dimensionner la capacité des batteries.

Autre point, si le photovoltaïque est le seul dispositif de recharge, il va falloir également augmenter la capacité des batteries pour compenser les jours « sans soleil».

Cependant il y a également une limite par le haut et il est donc inutile de surdimensionner les batteries si on est pas sur de les recharger au maximum le plus régulièrement possible!,

Cela implique au final que l'ensemble du système doit être cohérent ( Production stockage et utilisation)

• Consommation

Indirectement nous avons découvert une nouvelle notion, celle de W/h (Watt par heures)

A la maison nous avons le compteur, qui compte en KW/h (Kilowatt /heure (1000 W/h) et c’est celui-là qui nous est facturé, plus le transport… (Encore heureux que ce n’est pas le KW produit puisqu’on estime les pertes d’énergie à 80%!)

Lorsqu’il va s’agir de calculer sa consommation en site isolé, afin de dimensionner son installation, on va procéder de la manière suivante: On prend le consommateur et sa puissance et on la multiplie par le nombre d’heures d’utilisation. Exemple une lampe de 5W pendant 10h va consommer 50W/h.

(A ce propos, pendant près de 100ans les ampoules électriques ont été décrites par leur puissance (consommation) et pas l’éclairage rendu qui lui s’estime en Lumens. Aujourd’hui on peut avoir le même rendu d’éclairage avec près de 10 fois de consommation en moins ! L’énergie jadis dépensée allait pour 90% dans les pertes, essentiellement par chaleur)

Et donc le facteur temps est capital dans une installation « off-grid ». Par exemple, un accessoire de 200W utilisé 10 minutes, ne consomme que 33W/h, alors qu’une ampoule Led de 3W restée allumée 24h en aura consommé le double ! (72W/h)

Nous voilà au point sur les notions de

Volt (Tension)

Ampères (Intensité)

Watts (Puissance

Mise en Parallèle ou en Série

Courant continu(CC) ou AC Alternatif

WC (Watt crête) = Puissance instantanée d’un panneau photovoltaïque

W/h (Watt par heure) = Consommation sur une période

Il nous reste une dernière notion à voir ou revoir, celle de régulateur. C’est le module qui va se placer entre la source d’électricité et la batterie. C’est un peu comme le chargeur du mobile ou du portable et peut être assez simple ou fort complexe.

Une batterie a besoin d’être chargée avec un courant et une tension appropriées, qui ne sont constante ni l’une ni l’autre et il y a en gros 3 Phases de charge (Phase d’absorption ou CC, avec une grosse tension et courant constant, phase bulk ou CV avec une tension constante et courant décroissant et enfin (phase floating) une tension plus faible et un courant très faible)

Il convient également de noter qu’à la différence d’un chargeur de batterie alimenté en 230Ac, la tension d’entrée d’un régulateur varie, elle dépend (du soleil s’il s’agit d’un panneau solaire) ce qui rend le matériel plus compliqué.

Avec un régulateur classique, il faut que la tension du panneau soit supérieure à la tension envoyée aux batteries. (Tension de 15V à 13,2v)

Ce qui fait qu’un panneau standard 12V (qui en fait 18 sans les pertes) pourrait théoriquement charger une batterie, sans régulateur mais le risque existe de surcharger la batterie et de l’endommager.

Le régulateur va éviter cela et empêchera une tension trop forte, et ajustera le courant (mais aussi la tension en fonction des phases)

Par contre si le ciel est couvert et que le panneau ne délivre pas la tension suffisante, l’électricité est perdue.

Ont ainsi été développés les régulateurs MPPT (Maximum Power Point Tracking) qui vont optimiser l’électricité reçue ( en jouant sur la tension et le courant) Ces régulateurs sont connus pour surpasser de 30% les régulateurs traditionnels, ce qui est loin d’être négligeable.

Par ailleurs chaque régulateur a ses caractéristiques et il faut être très strict sur les critères avant de procéder à un choix.

Ainsi, devenu l’élément central de l’électricité en site isolé, certains de ces régulateurs font passer non seulement le courant vers la batterie, mais aussi celui de la batterie vers les consommateurs, en y incluant pas exemple des protections de tension basse et haute..

Vu qu’on s’éloigne du rafraîchissement « électricité en site isolé » en abordant des aspects plus pointus, c’est la fin du Chapitre !