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Irrigation à l’énergie solaire photovoltaïque d’une ferme isolée non-raccordée au réseau de distribution

Contexte

Sébastien développe une activité agricole dans la Drôme sur un terrain isolé qui comporte une petite maison non-raccordée au réseau. Il souhaite approvisionner un grand bassin avec l’eau d’un ruisseau en contrebas pour permettre l’irrigation de ses cultures . Pour l’instant, il utilise un groupe électrogène pour faire fonctionner sa pompe. À long terme, il a pour projet de s’installer dans la maison isolée qu’il rénove petit à petit.

Sébastien a déjà acheté des panneaux solaires, deux onduleurs et des cellules lithium sur le site leboncoin.fr et cherche quelqu’un qui pourra l’aider à installer ce système. Malheureusement, tout ne s’est pas passé comme il l’espérait. Les cellules lithium sont défaillantes (0V = poubelle) et les deux onduleurs ne peuvent pas fonctionner en mode autonome (avec batterie) car ils sont prévus pour injecter leur production sur le réseau. Le vendeur était visiblement malhonnête ou incompétent. Seuls les 7 panneaux vont pouvoir être utilisés, malgré le fait qu’ils représentent une contrainte importante (voir explication plus loin). Le budget de Sébastien étant désormais très limité, Info-solaire a du rivaliser d’ingéniosité pour répondre à ses besoins.

Besoins énergétiques

  • Alimentation de la pompe de 1600W en continu quand l’ensoleillement est idéal
  • Les surplus iront à la maison pour alimenter des appareils de petite puissance et les besoins essentiels : éclairage, musique, recharge de quelques appareils et un peu de réfrigération. Sébastien ne voit pas de problème à adapter sa consommation à la disponibilité du soleil.

Contraintes

  • Un nombre de 7 panneaux ne permet pas de répartir les panneaux en chaînes identiques pour se raccorder au chargeur solaire, à moins de raccorder tous les panneaux en parallèle ce qui nécessiterait un chargeur MPPT acceptant un courant en entrée considérable dont le prix est tout aussi considérable. Nous avons donc utilisé deux chargeurs MPPT.
  • Les panneaux sont non standards (72 cellules) et produisent un voltage circuit ouvert (Voc) supérieur à 50V. Les chaînes de deux panneaux en série pouvant dépasser les 100V, elles ne peuvent pas être raccordées sur des MPPT 100V. Nous avons dû utiliser un MPPT 150V plus coûteux à courant de charge identique.
  • Il n’était pas possible d’installer tous les panneaux sur un seul pan de toit par manque d’espace. Différents groupes de panneaux ont donc différentes orientations. Une bonne connaissance du fonctionnement des panneaux est nécessaire pour grouper les panneaux de manière optimale, et ne pas impacter la production trop négativement.
  • Pour alimenter la pompe dans de bonnes conditions, il n’est pas possible de choisir un onduleur de moins de 3000VA. La batterie, elle aussi, doit être capable de fournir la puissance adaptée. Or, le budget de Sébastien n’était initialement pas compatible avec ce type d’équipements.

Caractéristiques générales du système conçu par Info-Solaire

J’ai construit un système sur mesure pour répondre aux besoins de Sébastien dans le respect des contraintes évoquées.

PRODUCTION

Les 7 panneaux ont été réutilisés avec 3 groupes de 2 panneaux raccordés à un chargeur solaire de 60A 150V (MPPT Victron) et le dernier branché à un petit chargeur solaire de 15A 75V (MPPT Victron). Dans ce système, les panneaux ont une puissance maximale de 2268W et le courant de charge2 cumulé des deux MPPT est de 75A ou près de 2000W sous 24V.

Cette quantité de panneaux et ce courant de charge constitue un minimum pour permettre une alimentation continue de la pompe d’irrigation par temps très ensoleillé. En effet, la puissance crête affichée sur les panneaux représente des conditions idéales où le soleil arrive perpendiculairement aux panneaux et la chaleur n’est pas trop importante. Dans la pratique, la production instantanée est toujours moins importante. D’autant plus que l’espace limité sur le toit et les ombrages nous ont contraint à installer les panneaux sur deux pans de toit différent.

A noter : Une bonne compréhension des ombrages et du comportement des panneaux en groupes (combinaisons parallèle/série) sous différents ensoleillement est essentiel pour qu’une telle installation ne soit pas une catastrophe en termes de performance.

2 Il s’agit du courant que le chargeur solaire peut envoyer à la batterie.

Câblage initial des panneaux. Après réflexion j’ai trouvé une meilleure manière de câbler les groupes et je suis revenu un peu plus tard pour changer.

STOCKAGE

Nous avons choisi d’assembler une batterie lithium fer phosphate (« LFP ») 25,6V 100Ah, soit une batterie permettant un stockage de 2,56kwH. Elle assure un fonctionnement de la pompe pendant une heure sur batterie par temps couvert, et la couverture des besoins de base de la maison durant la nuit si la batterie n’est pas vide au coucher du soleil.

A investissement initial identique, et particulièrement dans le cas de Sébastien, le choix du lithium permet une durée de vie plus grande. En effet, en raison du budget limité, le parc de batterie qu’il soit au plomb ou au lithium sera forcément petit et donc fortement sollicité. Dans ces conditions, la chimie fer phosphate brille face aux batteries au plomb et permet ainsi un usage très dynamique en fonction du soleil sans avoir à se soucier de l’état de charge de la batterie avec un rechargement en moins de deux heures et des décharges en moins d’une heure sans réduction de la durée de vie de la batterie trop importante. Ces performance sont inaccessibles à des batteries au plomb.

Dans le cas de batteries sur mesure, les terminaux des batteries devront impérativement être protégés contre tout court circuit involontaire en isolant les parties actives (pas encore le cas au moment de la photo).

Pour des raisons de budget nous n’avons pas pu installer un « Battery Management System » BMS sur cette batterie. Nous avons donc rivalisé d’ingéniosité en nous appuyant sur nos connaissances avancées de cette chimie de batterie. Un équilibrage initial minutieux des cellules a été effectué. Des réglages très conservateurs des plages de voltage de fonctionnement des différents appareils ont été configurés. Pour compléter le tout, nous avons détourné de son utilisation initial un appareil Victron existant, le battery balancer, afin de surveiller le développement d’un déséquilibre entre les cellules et piloter la coupure du système au niveau du BatteryProtect.

A noter : l’utilisation d’une batterie lithium sans BMS est seulement possible avec la chimie Fer Phosphate (LFP) car il n’y a pas de risque d’explosion en cas de surcharge. Dans le cas de Sébastien si toutes les précautions que nous avons prises venaient à faillir, une seule des 8 cellules qui comportent la batterie serait endommagée et le système s’interromprait tout seul. Attention, cette explication n’est pas une incitation à assembler des batteries lithium fer phosphate sans BMS, il doit s’agir de situations exceptionnelles et lorsque tous les paramètres sont bien compris et maîtrisés, ce qui est loin d’être à la portée de tout le monde tant l’information disponible est limitée et le travail de recherche à fournir important. Il existe sur internet un très grand nombre de témoignages de personnes ayant fait de la casse avec des batteries assemblées sans BMS ; surtout dans le cadre de conversions de voitures à l’électrique où il est possible de détruire un grand nombre de cellules en une fois lors de la décharge mais aussi dans le monde du nautisme avec des batteries plus simples composées de seulement 4 cellules.

Site Isolé Info-Solaire

ALIMENTATION DES APPAREILS ÉLECTRIQUES

J’ai sélectionné l’onduleur³ chargeur 3000VA (Victron Multigrid) pour alimenter confortablement la pompe pendant plusieurs heures. De plus, la fonction chargeur de cet appareil permet d’utiliser le groupe électrogène que possède déjà Sébastien pour recharger la batterie et/ou assister l’onduleur en cas de besoin.

Le fait d’avoir choisi un système en 24V permet également d’alimenter des appareils prévus pour cette tension (lampes, frigos…) directement depuis la batterie (après les protections de rigueur), sans appareil de conversion. Puisque le 24V ne présente aucun danger d’électrocution, Sébastien peut réaliser son installation 24V courant continu lui même sans risque. A cet effet, nous lui avons pré-repéré une sortie protégée de 15A max.

3 Un onduleur a pour fonction de convertir le courant continu de la batterie en courant alternatif permettant d’alimenter les appareils domestiques classiques. Un onduleur chargeur ajoute la possibilité de recharger la batterie à partir d’une source de courant alternatif : réseau, groupe électrogène…

Autres prestations

  • livraison en personne, accompagnement à l’installation (2 jours), fourniture de l’équipement complet en dehors des panneaux, programmation des appareils, étiquetage et câblage du système, schéma et guide d’utilisation du système.

A noter : S’il n’y avait pas eu d’existant et seulement pour du pompage, un système avec une pompe solaire qui ne nécessite pas de batterie aurait pu être envisagé.

Budget

Matériel hors panneaux solaires : 5600€ TTC

Accompagnement sur mesure dans la définition des besoins, la conception du système, sa livraison et deux jours sur place pour participer à l’installation avec le client : 1800€ TTC (environ 35H)

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