Comment dimensionner une banque de batteries solaires (formule + exemples)

Quelle formule de dimensionnement de batterie solaire devriez-vous utiliser ?

Le point de départ correct dépend de ce que la batterie est censée faire. Avant de sélectionner un produit, déterminez s'il s'agit d'un projet de secours en cas de panne, d'un-fonctionnement hors réseau-à temps plein ou d'une autoconsommation solaire quotidienne-. Pour une comparaison plus large au niveau du système-, consultezconfigurations de systèmes solaires sur-réseau,-hors réseau et hybrides.

Formule pour la taille de la batterie de secours domestique

Calculez d’abord l’énergie CA que les charges protégées doivent recevoir :

Énergie de charge requise (kWh) = charge critique moyenne (kW) × durée de sauvegarde (heures)

Calculez ensuite la capacité nominale de la batterie :

Capacité nominale de la batterie (kWh)=énergie de charge requise × marge de conception ÷ fraction de batterie utilisable ÷ efficacité de livraison

Formule pour le dimensionnement d'un parc de batteries solaires hors réseau-

Pour un système hors réseau-qui doit fonctionner la nuit ou pendant les périodes de faible production solaire :

Capacité nominale de la batterie (kWh)=charge de conception quotidienne (kWh/jour) × jours d'autonomie × marge de conception ÷ fraction de batterie utilisable ÷ efficacité de livraison

Formule pour l'autoconsommation solaire-

Estimez la quantité d’énergie solaire diurne qui peut être stockée et la quantité de charge du soir ou de la nuit qui peut l’utiliser. L'objectif pratique de transfert d'énergie-est généralement la plus petite de ces deux valeurs :

Cible d'énergie déplacée = le plus faible du surplus solaire attendu ou prévu après-charge au coucher du soleil

Ajustez ensuite l'objectif de capacité utilisable de la batterie et les pertes de conversion applicables. L'architecture du système est importante carStockage sur batterie couplé CA-et CC-placer les pertes de conversion à différents points du chemin énergétique.

Variables et unités de la formule du banc de batteries solaires

Utilisez un terme pour chaque grandeur physique. Le mélange de la puissance de charge et de l'énergie de charge est l'une des causes les plus courantes d'un résultat incorrect.

La puissance en kW détermine la charge que le système peut supporter à un moment donné. L'énergie en kWh détermine la durée pendant laquelle elle peut supporter cette charge. La distinction est expliquée plus loin dans ce guide pourkW contre kWh dans le stockage d'énergie par batterie.

Définir ce que la batterie doit faire

Sauvegarde d'urgence à domicile

Un système de sauvegarde domestique doit commencer par une liste de charges-protégée, et non par la consommation électrique annuelle ou quotidienne totale du foyer. Identifiez les circuits qui doivent rester disponibles, la durée prévue de la panne et les appareils qui peuvent fonctionner en même temps.

Les panneaux solaires ne fournissent pas automatiquement une alimentation de secours en cas de panne du réseau. Le système nécessite des équipements conçus pour se déconnecter en toute sécurité du réseau et former un système électrique isolé. Le Département américain de l'Énergie explique cette exigence opérationnelle dans sonorientation solaire et résilience.

Plein-Congés-Alimentation du réseau

Une batterie hors réseau-doit couvrir les périodes pendant lesquelles la production solaire est inférieure à la charge. La conception prend normalement en compte la demande nocturne, les réductions solaires saisonnières, les périodes nuageuses consécutives, la consommation en veille de l'onduleur, les pompes intermittentes, la disponibilité du générateur et les options de délestage de charge.

Le stockage et la production solaire doivent être dimensionnés ensemble. Une batterie plus grande n’améliore pas la résilience si le panneau solaire ou le générateur ne peut pas remplacer l’énergie qui en est retirée. Pour un contexte supplémentaire, voyez comment unle système de stockage d'énergie solaire coordonne la production, le stockage et les charges.

Autoconsommation solaire quotidienne-

Une batterie d'autoconsommation-stocke l'énergie solaire diurne excédentaire pour une utilisation ultérieure. La capacité utile est limitée à la fois par la quantité de surplus solaire disponible pour la recharge et par la quantité de demande en soirée ou pendant la nuit disponible pour la décharge. Plusieurs jours de stockage peuvent rester sous-utilisés dans un système qui ne produit qu’un modeste surplus quotidien.

Calculez les charges dont vous avez réellement besoin

Créez un tableau de charge avant de sélectionner une batterie. Utilisez l’énergie mesurée chaque fois que cela est possible, en particulier pour les équipements qui s’allument et s’éteignent de manière cyclique.

Ce tableau est un workflow illustratif basé sur des mesures-, et non un profil de foyer universel. Remplacez chaque valeur par les données du projet.

Utiliser un protocole de mesure pratique

1. Mesurez les-appareils branchés pendant au moins 24 à 72 heures lorsque cela est possible.
2. Utilisez la surveillance de l'onduleur ou les données d'intervalle des services publics pour identifier la charge de base sur 24 heures et la demande soutenue la plus élevée.
3. Enregistrez les charges saisonnières séparément, y compris le chauffage, la climatisation, la déshumidification et le pompage de l'eau.
4. Vérifiez le-courant de démarrage du moteur dans la documentation de l'équipement ou demandez à un professionnel qualifié de le mesurer.
5. Utilisez une période représentative de-charge élevée plutôt qu'une journée pratique à faible-consommation.

Le DOEMéthode d’évaluation du système de stockage d’énergie par batteriemet l'accent sur la valeur des données de séries temporelles mesurées-pour évaluer les performances réelles du stockage d'énergie. Le même principe améliore l'estimation préliminaire de la charge : les profils mesurés sont généralement plus utiles qu'un total mensuel.

Séparer les charges critiques, flexibles et exclues

• Charges critiques :équipement qui doit fonctionner pendant toute la période de conception.
• Charges flexibles :des équipements qui peuvent fonctionner pendant moins d’heures ou seulement lorsque la production solaire est disponible.
• Charges exclues :équipement qui restera éteint pendant une panne ou une période de faible-énergie.

Le chauffage par résistance électrique, la climatisation centrale, les grands chauffe-eau, la cuisine électrique, les sèche-linge et la recharge des véhicules électriques peuvent dominer les besoins de stockage. La suppression ou la planification d'une charge-énergétique élevée peut réduire davantage la taille de la batterie que l'élimination de nombreux petits appareils électroniques.

Choisissez des heures de sauvegarde ou des jours d'autonomie

Heures de sauvegarde pour un réseau-Maison connectée

Sélectionnez une cible en fonction des modèles de pannes locaux et du service que la batterie doit fournir : une courte interruption, une soirée, une panne de nuit, une journée complète ou une urgence plus longue. Décidez si la recharge solaire sera disponible lorsque le réseau est en panne et si le système dessert un panneau de charge protégé-ou l'ensemble du bâtiment.

Jours d'autonomie pour un système hors réseau-

L'autonomie est la période pendant laquelle la batterie peut servir la charge nominale sans charge suffisante. Choisissez-le en fonction des conditions solaires saisonnières, des périodes nuageuses attendues, de la fiabilité du générateur, de la disponibilité du carburant, des options de délestage-de charge, de l'accès au site et des conséquences d'une panne d'énergie.

Un site distant sans source de sauvegarde fiable peut nécessiter plus de stockage qu'une propriété équipée d'un générateur automatique. Le nombre correct de jours d’autonomie est donc une décision du projet et non un pourcentage fixe de l’industrie.

Utiliser un profil de charge par intervalles lorsqu'il est disponible

Deux maisons peuvent consommer chacune 10 kWh par jour mais nécessitent des batteries et des onduleurs différents. On peut utiliser l'énergie progressivement ; l'autre peut faire fonctionner une pompe, un micro-ondes et un climatiseur en même temps. Les kWh quotidiens peuvent être similaires tandis que les kW de pointe et le courant de pointe sont très différents.

Calculer la capacité utilisable de la batterie à l'aide du DoD, de l'efficacité et de la réserve

Utiliser la capacité utile du fabricant

La profondeur de décharge décrit la quantité de capacité nominale supprimée au cours d'un cycle. Pour le dimensionnement préliminaire, utilisez la plage de fonctionnement autorisée par le fabricant de la batterie ou l'énergie utilisable déclarée plutôt que d'appliquer un pourcentage universel.

Si une batterie de 10 kWh fonctionne sur une plage utilisable de 90 %, elle fournit 9 kWh d’énergie CC utilisable avant que les autres pertes en aval ne soient prises en compte :

10 kWh × 0.90=9 kWh

Les conditions de garantie, l'-état des-limites de charge, le taux de décharge, l'âge de la batterie, la température, les paramètres du micrologiciel et la durée de vie souhaitée peuvent tous modifier la fenêtre de fonctionnement pratique.

Utilisez la bonne mesure d’efficacité

Pour la durée d'exécution en cas de panne, la valeur pertinente est généralement l'efficacité à sens unique-de l'énergie stockée de la batterie vers les charges protégées. L'efficacité aller-retour-inclut à la fois la charge et la décharge et ne doit pas être automatiquement remplacée par un calcul de durée d'exécution à sens unique-.

Vérifiez également si l'énergie utilisable publiée d'un produit est mesurée du côté DC ou fournie du côté AC. Si le fabricant indique déjà l'énergie CA utilisable, soustraire à nouveau les pertes de l'onduleur peut doubler-la même perte.

Les Laboratoires Nationaux SandiaManuel de stockage d'électricité du DOE/EPRIfournit un contexte technique plus large sur les performances de stockage, la puissance, l'énergie, l'efficacité et la conception spécifique aux applications.

Appliquer une marge de conception transparente

Une marge de conception peut couvrir une incertitude modeste, de faibles charges futures, une réduction de capacité au fil du temps et des erreurs mineures dans les estimations de temps d'exécution. Indiquez-le explicitement sous forme de multiplicateur, par exemple 1,10 pour une allocation de 10 %.

La marge ne doit pas masquer de mauvaises données de chargement. Améliorez d'abord l'estimation de la charge, puis ajoutez une réserve délibérée.

Vérifier la température et les conditions d'installation

La température peut affecter la capacité utilisable, l'acceptation de charge, la puissance de décharge, le comportement du BMS et la durée de vie. Examinez la température de charge minimale du produit, la température de décharge minimale, les courbes de déclassement, le chauffage intégré-, l'indice de protection du boîtier, les exigences de refroidissement ou de ventilation et les limites d'installation intérieure ou extérieure.

N'appliquez pas un seul facteur-de temps froid à chaque batterie au lithium. La chimie, la conception des cellules, la gestion thermique et les paramètres du BMS diffèrent. Cet aperçu deplages de températures de fonctionnement de la batterie au lithiumpeut aider à identifier les données produit qui doivent être vérifiées.

Convertissez les kWh en Ah et choisissez 12 V, 24 V ou 48 V.

L'énergie de la batterie peut être spécifiée en kilowatts-heures, tandis que certains systèmes sont décrits en ampères-heures. La relation est :

Énergie (Wh)=tension (V) × capacité (Ah)

Donc:

Capacité (Ah)=énergie (kWh) × 1 000 ÷ tension nominale du système

Ces valeurs en ampères-heures représentent approximativement la même énergie nominale. Une tension plus élevée réduit le courant nécessaire pour fournir la même puissance, ce qui peut réduire la taille des conducteurs et la chute de tension lorsque le système est conçu correctement.

Comment sélectionner la tension du système

• 12V:courant dans les petits systèmes DC et les applications mobiles modestes.
• 24V:souvent utilisé dans les systèmes mobiles de taille moyenne, les cabines, les systèmes marins et les petites installations d'onduleurs.
• 48V:courant dans les grands systèmes stationnaires car la même puissance peut être fournie avec un courant inférieur à celui de 12 V ou 24 V.

La tension est une décision d'architecture. La batterie, l'onduleur, le contrôleur de charge, les dispositifs de protection, les conducteurs, les communications et toutes les charges à courant continu -doivent être compatibles. Les systèmes plus importants peuvent également utiliser des-conçus à cet effetbatteries haute-tension pour le stockage d'énergie, qui ne doivent pas être traités comme de simples extensions d'une banque DIY 48V.

Vérifiez la puissance de l'onduleur, la surtension de démarrage et les limites du BMS

Un parc de batteries peut disposer de suffisamment de kWh tout en étant incapable de démarrer ou de faire fonctionner l’équipement requis. La capacité détermine la durée d’exécution. Les limites de puissance et de courant déterminent si le système peut répondre à la charge.

Vérifier l'alimentation continue

Ajoutez les charges pouvant fonctionner simultanément. La sortie CA continue de l'onduleur doit dépasser la demande attendue dans les conditions de température et de fonctionnement applicables.

Estimez le courant-côté batterie avec :

Courant CC (A) ≈ Puissance de charge CA (W) ÷ tension de la batterie (V) ÷ efficacité de l'onduleur

Par exemple, une charge CA de 4 000 W alimentée par une batterie de 48 V via un onduleur efficace à 92 % nécessite environ :

4,000 ÷ 48 ÷ 0.92 ≈ 90.6 A

Le groupe de batteries, le BMS, les jeux de barres, les câbles, les fusibles, les sectionneurs et les bornes doivent tous être conçus pour le courant applicable.

Vérifier la surtension de démarrage du moteur et du compresseur

Les pompes de puits, les réfrigérateurs, les congélateurs, les climatiseurs, les outils d'atelier et les compresseurs d'air peuvent consommer beaucoup plus d'énergie au démarrage qu'en fonctionnement normal. Vérifier:

• Surtension de l'onduleur
• Durée de surtension autorisée
• Pic de batterie BMS-limite et durée de courant
• Chute de tension au démarrage
• Évaluations des conducteurs et des-appareils de protection
• Si plusieurs chargements peuvent démarrer en même temps

Un nombre de pointe sans durée n'est pas suffisant. Un système capable de produire un rendement très élevé pendant une fraction de seconde peut ne pas réussir à démarrer un moteur nécessitant un courant élevé pendant plusieurs secondes.

Vérifiez le BMS de la batterie et les limites parallèles

Pour chaque module proposé, examinez le courant de décharge continu maximal, le courant de décharge de pointe, la durée de pointe autorisée, le courant de charge maximal, la plage recommandée de l'onduleur, le nombre maximal de parallèles, la disposition de câblage approuvée et la compatibilité des communications.

Les modules parallèles ne partagent pas toujours parfaitement le courant. La longueur du câble, la résistance des bornes, la température, l'état de charge et l'état du module peuvent affecter le partage de courant. Utilisez le jeu de barres approuvé par le fabricant ou un agencement de câblage de longueur égale-.

Calculer le nombre de modules de batterie et la capacité de recharge

Calculer le nombre de modules de batterie

Une fois connue la capacité nominale requise :

Nombre de modules=capacité nominale requise ÷ capacité nominale par module compatible

Arrondissez à une configuration de module-entière approuvée.

Si la conception nécessite 14,2 kWh et qu'un module compatible est évalué à 5,12 kWh :

14.2 ÷ 5.12 = 2.77

Le calcul de la capacité nécessite donc au moins trois modules, fournissant 15,36 kWh d'énergie nominale. La sélection finale doit encore réussir les contrôles d'alimentation, BMS, parallèle, onduleur, tension, communications et installation.

Vérifiez à quelle vitesse la batterie peut être rechargée

Estimez d’abord l’énergie qui doit être restituée à la batterie :

Recharger l'énergie dans la batterie ≈ énergie de la batterie retirée ÷ efficacité de charge

Estimez ensuite un temps de chargement-dans le meilleur des cas :

Temps de recharge (heures) ≈ énergie de recharge (kWh) ÷ puissance moyenne de charge de la batterie (kW)

Pour un système à charge solaire-, n'utilisez pas l'alimentation indiquée sur la plaque signalétique comme si elle était disponible en permanence. Vérifiez la production mensuelle ou saisonnière prévue, les charges diurnes, l'écrêtage, l'ombrage, la température et les limites du contrôleur de charge-. LeCalculateur NREL PVWattspeut fournir une estimation-basée sur l'emplacement de la production d'énergie photovoltaïque pour cette étape de sélection.

Pour une conception-hors réseau, la production solaire attendue doit couvrir à la fois les charges diurnes et l'énergie nécessaire pour restaurer la batterie après sa décharge. Si la batterie ne peut pas récupérer avant la prochaine période solaire médiocre, l'augmentation du stockage à elle seule ne résoudra pas le problème de fiabilité.

Tableau des tailles des banques de batteries solaires

Le tableau suivant utilise une journée d'autonomie, une fraction de batterie utilisable de 90 %, une efficacité de livraison de 92 % et une marge de conception de 10 %. Ce n'est qu'un exemple.

Changer une hypothèse change le résultat. Une fraction utilisable inférieure, un rendement inférieur, une période d'autonomie plus longue ou une marge plus importante augmentent la capacité nominale requise.

Exemples de dimensionnement de batteries solaires travaillées

Exemple 1 : Petite cabane hors réseau-

Supposer:

• Charge de conception quotidienne : 2,8 kWh
• Autonomie : 1,5 jours
• Fraction de batterie utilisable : 90 %
• Efficacité de livraison : 92 %
• Marge de conception : 10 %

Capacité nominale requise=2.8 × 1,5 × 1,10 ÷ 0,90 ÷ 0,92 ≈ 5,58 kWh

À une tension nominale de 24 V :

5,58 × 1 000 ÷ 24 ≈ 233 Ah

L'étape suivante consiste à sélectionner une configuration de module approuvée supérieure à 5,58 kWh et à vérifier que l'onduleur, les limites de courant de la batterie et la source de charge saisonnière peuvent prendre en charge les charges de la cabine.

Exemple 2 : Sauvegarde domestique essentielle

Supposons que les charges protégées soient en moyenne de 1,2 kW et doivent fonctionner pendant huit heures.

Énergie de charge requise=1.2 kW × 8 heures=9.6 kWh

En utilisant une fraction utilisable de 90 %, une efficacité de livraison de 92 % et une marge de 10 % :

Capacité nominale requise=9.6 × 1,10 ÷ 0,90 ÷ 0,92 ≈ 12,75 kWh

Ce résultat concerne la durée d’exécution énergétique. Cela ne prouve pas que la batterie et l’onduleur puissent démarrer le plus gros moteur ou supporter la charge simultanée maximale.

Exemple 3 : d’un tableau de charges mesurées au nombre de modules

À l’aide du tableau illustratif des charges mesurées ci-dessus :

• Énergie de charge critique-quotidienne : 3,71 kWh
• Autonomie : 1,5 jours
• Fraction de batterie utilisable : 90 %
• Efficacité de livraison : 92 %
• Marge de conception : 10 %

Capacité nominale requise=3.71 × 1,5 × 1,10 ÷ 0,90 ÷ 0,92 ≈ 7,39 kWh

Si le module de batterie approuvé est évalué à 5,12 kWh :

7,39 ÷ 5.12=1.44 modules

La conception nécessite au moins deux modules par capacité, pour 10,24 kWh nominal. Avant d'accepter cette configuration, vérifiez le courant continu des deux-modules, la surtension de démarrage, le courant de charge, l'approbation parallèle et les communications de l'onduleur.

Combien de temps durera une batterie de 10 kWh ?

La durée de fonctionnement dépend de l'énergie utilisable fournie aux charges, et pas seulement de la valeur nominale. Avec une batterie nominale de 10 kWh, une fraction utilisable de 90 % et une efficacité de livraison de 92 % :

Énergie CA utilisable ≈ 10 × 0,90 × 0.92=8.28 kWh

Ces valeurs supposent une charge moyenne stable et n'incluent pas de déclassement de température supplémentaire, de vieillissement, de réserve BMS ou de limitations spécifiques à l'équipement.

LiFePO4 vs plomb-Dimensionnement du parc de batteries acide

La chimie de la batterie affecte la façon dont la capacité nominale, le taux de décharge, les exigences de charge, la maintenance et les conditions d'installation se traduisent en performances utilisables du système. Pour une comparaison plus large, consultez cesdifférents types de batteries pour le stockage d'énergie.

Pour les batteries au plomb-acide, utilisez les courbes de décharge et la capacité nominale-heure du fabricant. Une simple conversion Ah à la tension nominale peut surestimer l'énergie disponible lorsque le courant de décharge est élevé.

Erreurs courantes de dimensionnement des batteries solaires

• Multiplier par le temps deux fois :si l'énergie de charge est déjà en kWh, ne la multipliez pas à nouveau par les heures de sauvegarde.
• Confondre kW et kWh :l’énergie stockée et la puissance livrable sont des spécifications distinctes.
• Utilisation de la consommation totale des ménages pour la sauvegarde essentielle :taille des charges protégées lorsque la conception n'est pas une sauvegarde complète de la maison.
• En utilisant les watts indiqués sur la plaque signalétique comme consommation moyenne :les équipements cyclistes consomment souvent moins d’énergie que ce que suggère leur consommation maximale.
• Ignorer la consommation en veille :une charge continue de 40 W consomme 0,96 kWh par jour.
• Utiliser l'efficacité aller-retour-dans un calcul-unidirectionnel sans vérifier :faire correspondre la valeur d’efficacité au chemin énergétique calculé.
• Ignorer la surtension de démarrage du moteur :un nombre suffisant de kWh ne garantit pas le démarrage réussi de la pompe ou du compresseur.
• Conception pour des conditions solaires-moyennes annuelles :La fiabilité hors réseau-est généralement contrôlée par la saison la moins favorable.
• En supposant que les piles puissent toujours être ajoutées plus tard :L'expansion peut être limitée par l'âge, l'état de charge, le micrologiciel, les communications, les limites de l'onduleur ou la politique du fabricant.
• Ignorer le temps de recharge :une batterie qui ne peut pas récupérer avant la prochaine période de décharge n’est pas une conception résiliente.

Sécurité, portée et méthodologie éditoriale

Cet article fournit un cadre de calcul préliminaire pour comparer les exigences en matière de capacité de la batterie. Il ne s'agit pas d'un dessin de conception électrique, d'un manuel d'installation, d'un examen de conformité au code-ou d'un substitut à une ingénierie spécifique au produit-.

La méthode de calcul sépare la puissance de charge, l'énergie de charge, la capacité nominale, la capacité utilisable, l'efficacité de livraison et la marge de conception afin que chaque hypothèse puisse être vérifiée. Les exemples concrets révèlent leurs hypothèses et ne doivent pas être traités comme des recommandations de produits universelles.

La sélection et l'installation finales de l'équipement doivent être examinées par un professionnel qualifié familier avec les exigences locales applicables en matière d'électricité, de construction et d'incendie. Aux États-Unis, UL explique queUL 9540 évalue les systèmes et équipements de stockage d'énergie en tant que systèmes intégrés, y compris les batteries, la conversion de puissance, les commandes, la protection et les communications.

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