Dimensionnement d'un câble électrique solaire
De Arebor-Energie.
Catégorie:Installation photovoltaïque autonome
6ème étape du dimensionnement d’une installation photovoltaïque autonome :
le dimensionnement des câbles électriques photovoltaiques
Pour assurer le transport de l’énergie des modules jusqu’au régulateur de charge, on ne peut pas utiliser n’importe quel câble électrique. Les câbles solaires sont étudiés pour résister aux conditions spéciales liées à leur utilisation. Ils sont les seuls à pouvoir assurer une longue durée de vie (supérieure à 30 ans) tout en minimisant les pertes d’énergie. Les câbles ordinaires, même s’ils sont conçus pour un usage extérieur, ne supportent pas aussi bien les variations de température (pouvant aller de -20°C à 80°C à proximité des modules), ainsi que l’exposition aux rayons ultra violets et à l’ozone. Tout cela en restant souples et maniables. Ils sont équipés dans la majorité des cas d’une double isolation et ne possèdent pas de substances inflammables (halogène) ce qui accroît leur sécurité.
Résistance d'un câble électrique
La résistance d'un câble électrique ne dépend ni de la tension ni de l'intensité du courant qui le traverse, mais dépend de la résistivité (ρ) du matériaux utilisé (cuivre, argent, fer, ...), de la longueur du câble, de sa section, et de la température. Le cuivre est de loin le conducteur le plus utilisé, et sa résistivité oscille entre 16x10-9 à 0°C et 17x10-9 à 25°C. L'équation permettant de connaître la résistance est la suivante :
R = ρ x L / s
avec la résistance R en ohm (Ω)
la résistivité ρ en ohm mètre (Ω.m)
la longueur du câble L en mètre (m)
et la section du câble s en mètre-carré (m²)
La difficulté qu'il y a à utiliser cette équation réside dans la conversion des unités. Ainsi, la section est souvent exprimée en mm², mais c'est avec des m² qu'il faut faire les calculs. Rappelons que 1 m = 1000 mm et que 1 m² = 1,000,000 mm², soit 1.106.
Exemple: câble de 20 m en cuivre d'une section de 5 mm² .
R = 0,000000017 x 20 / 0,000005, ou 17x10-9 x 20 / 5x10-6
R = 0,068 Ω ou 68 mΩ
Exemple: câble de 20 m en cuivre d'une section de 10 mm² .
R = 0,000000017 x 20 / 0,00001, ou 17x10-9 x 20 / 10x10-6
R = 0,034 Ω ou 34 mΩ
La résistance est essentiellement proportionnelle à la longueur et à la section du câble (une longueur 2 fois plus grande multiplie par 2 la résistance, et une section 2 fois plus grande la divise par 2).
Pertes dans un câble électrique
Le câble ayant une résistance, une partie de l'électricité qu'il transporte se transforme en chaleur, comme dans un radiateur. Il se produit donc une baisse de tension qui peut poser problème. C'est ce que l'on appelle « l'effet joule ». La résistance du câble vient également s'ajouter aux résistances des autres appareils de l'installation (résistance interne de la batterie par exemple). Plus ces résistances sont élevées, moins le courant pourra facilement circuler. En plus d'une chute de tension, il y aura donc une réduction de l'intensité.
Il faut en tenir particulièrement compte dans les installations solaires de grandes tailles et celles équipées d'un régulateur MPPT. En effet, les modules 12V produisent en réalité 16 ou 17V dans le but, justement, de contrecarrer les baisses de tension dues au câble, à la température, etc... Avec un régulateur normal, le surplus de tension n'est pas utilisé, la différence est perdue. En revanche, un régulateur MPPT « transforme » le surplus de tension en intensité. Les pertes ont donc beaucoup plus d'impact sur la puissance de l'installation.
En courant continu, comme en courant alternatif, l'équation permettant de connaître les pertes est la suivante :
P = R x I²
avec les pertes P en watt (W)
la résistance R en ohm (Ω)
et l'intensité I en ampère (A)
Exemple: câble de 20 m en cuivre d'une section de 5 mm², traversé par un courant de 10 A.
P = 0,068 x 10²
P = 6,8 W , soit une baisse de tension de 6,8W / 10A = 0,68V
Exemple: câble de 20 m en cuivre d'une section de 5 mm², traversé par un courant de 20 A.
P = 0,068 x 20²
P = 27,2 W , soit une baisse de tension de 27.2W / 20A = 1.36V
Dernier point à prendre compte: il faut savoir que si la distance séparant vos modules et vos batteries (par exemple) mesure effectivement 20m, cela représente 40m de câbles. Les électrons font systématiquement des aller-retour, ils se déplacent mais reviennent à leur point de départ. Dans vos calculs de pertes, vous devez en tenir compte en multipliant par 2 les distances, comme dans les exemples suivant:
Exemple: distance de 2m entre le régulateur et la batterie, reliés par un câble en cuivre d'une section de 5 mm², et traversés par un courant de 10 A.
P = R x I² x 2
P = 0,0068 x 10² x 2
P = 1,36 W , soit une baisse de tension de 1,36W / 10A = 0,136V
Comme on peut le voir dans ces exemples, une augmentation de l'intensité du courant provoque une augmentation exponentielle des pertes de puissance. C'est un facteur encore plus important que la longueur ou la section.
Pour vous éviter ces longs calculs, nous avons mis à disposition un certain nombre de tableaux permettant de connaître directement la résistance d'un câble, ou de choisir une section en fonction de la longueur et de l'intensité. Il suffit pour cela de suivre ce lien : résistance, section, longueur, intensité
Comment réduire les pertes dans un câble électrique
Dans une installation photovoltaïque, plusieurs solutions permettent d'améliorer l'efficacité des câbles :
- La première solution est de prendre une section de câble plus grosse, mais cela peut avoir un coût.
- La deuxième solution, c'est de faire en sorte que l'intensité du courant ne soit pas trop élevée dans le câble. Pour une même puissance, réduire l'intensité consiste à augmenter la tension. Autrement dit, il faut mettre les modules en série au lieu de les mettre en parallèle. Dans ce cas, ils ne produisent plus 12V mais 24 voir 48V. Le problème, c'est que le 24 et le 48V ne sont pas directement exploitables contrairement au 12V avec lequel certains appareils fonctionnent. De plus, les autres éléments de l'installation (régulateur, batterie, …) utilisant ces tensions sont plus rares, et donc légèrement plus chers.
- La troisième est de réduire les distances le plus possible, que l'électricité soit produite, stockée, transformée et consommée au même endroit.
- Enfin, si les longueurs de câble sont trop importantes, le mieux est alors de regrouper les modules, le régulateur, les batteries et un onduleur au même endroit afin de transporter l'électricité en courant alternatif.
Sachant que les pertes d’une installation photovoltaïque peuvent atteindre 20% entre ce qui est produit par les modules et l’électricité que l’on consomme effectivement, il est important d’utiliser du matériel permettant de minimiser ces pertes. En ce qui concerne les câbles, on essaye généralement de les limiter à 3%.
Le dimensionnement est maintenant terminé. Vous pouvez consulter un exemple de calcul de câble électrique en suivant ce lien, ou estimer le coût de votre installation en suivant ce lien
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