Calcul solaire : panneau, batterie, MPPT et charges

Le dimensionnement d’un système solaire autonome suit un ordre précis : calculer d’abord l’énergie consommée chaque jour, déterminer ensuite la capacité de batterie nécessaire, estimer la puissance photovoltaïque pour le mois le moins favorable, puis vérifier toutes les limites du régulateur MPPT. Dimensionner chaque composant séparément conduit souvent à une autonomie surestimée ou à une recharge insuffisante.

Une feuille de calcul panneau solaire, batterie, MPPT et charges doit donc représenter un seul système coordonné. Les formules ci-dessous donnent une méthode transparente, mais les valeurs finales doivent toujours être contrôlées avec les données solaires du site, les températures minimales et les fiches techniques à jour.

Créer la feuille de calcul des charges et de l’énergie quotidienne

Commencez par recenser chaque équipement alimenté : caméras, point d’accès Wi-Fi, pont radio, switch, éclairage, capteurs, chauffage de coffret ou convertisseur. Pour chaque charge, indiquez sa tension, sa puissance réelle et sa durée quotidienne de fonctionnement.

La formule de base est :

Énergie quotidienne d’une charge (Wh/jour) = puissance (W) × durée de fonctionnement (h/jour)

Pour une charge permanente :

Énergie quotidienne = puissance × 24

Une feuille de calcul peut utiliser les colonnes suivantes :

Équipement	Quantité	Puissance unitaire	Durée par jour	Énergie quotidienne
Caméra IP	2	8 W	24 h	384 Wh
Pont radio	1	12 W	24 h	288 Wh
Switch réseau	1	6 W	24 h	144 Wh
Chauffage ou accessoire intermittent	1	20 W	3 h	60 Wh
Total				876 Wh/jour

Cet exemple hypothétique représente une consommation brute de 876 Wh par jour. Une marge de 10 % pour les pertes de câblage, les conversions et les variations de charge porterait l’énergie de calcul à :

876 × 1,10 = 964 Wh/jour

Cette marge ne remplace pas une mesure réelle. Pour les équipements réseau et de vidéosurveillance, utilisez de préférence la puissance d’entrée mesurée ou la consommation maximale documentée, plutôt qu’une valeur moyenne commerciale.

Ne pas confondre watts et wattheures

Les watts indiquent une puissance instantanée. Les wattheures représentent l’énergie consommée pendant une durée. Une charge de 40 W fonctionnant 24 heures consomme 960 Wh par jour, même si sa puissance ne dépasse jamais 40 W.

Il faut également enregistrer la puissance simultanée maximale. Cette valeur sert à vérifier les sorties DC, les fusibles, les câbles et, le cas échéant, le convertisseur :

Puissance simultanée = somme des puissances pouvant fonctionner au même moment

Pour une étude spécifiquement consacrée aux caméras et aux réseaux isolés, consultez aussi la méthode de dimensionnement d’un système solaire autonome pour la vidéosurveillance.

Dimensionner la batterie à partir de l’autonomie visée

La batterie doit couvrir la consommation pendant les périodes sans production solaire, mais sa capacité nominale n’est jamais entièrement disponible à la sortie du système.

Le calcul doit intégrer :

l’énergie quotidienne corrigée ;
le nombre de jours d’autonomie recherché ;
la fraction réellement exploitable de la batterie ;
le rendement du chemin entre batterie et charges ;
les limitations de température et de courant ;
la capacité résiduelle attendue après vieillissement, si ce critère fait partie du cahier des charges.

Une formule pratique est :

Capacité nominale nécessaire (Wh) = énergie quotidienne × jours d’autonomie ÷ fraction utilisable ÷ rendement de distribution

Avec l’exemple précédent, pour deux jours d’autonomie, une fraction utilisable hypothétique de 80 % et un rendement de distribution de 95 % :

964 × 2 ÷ 0,80 ÷ 0,95 = 2 537 Wh nominaux

Pour une batterie nominale de 12,8 V :

Capacité nécessaire (Ah) = 2 537 ÷ 12,8 = environ 198 Ah

Il s’agit d’un exemple de méthode, pas d’une prescription universelle. La profondeur de décharge admissible, les seuils de coupure et la capacité disponible doivent provenir de la fiche technique de la batterie et du système de gestion de batterie.

Pourquoi les Wh nominaux ne donnent pas directement l’autonomie

Une batterie de 1 920 Wh ne fournit pas nécessairement 1 920 Wh aux équipements. L’énergie livrée dépend notamment :

du seuil de coupure basse tension ;
de la profondeur de décharge autorisée ;
du rendement du régulateur et des convertisseurs ;
de la section et de la longueur des câbles ;
de la température de la batterie ;
du courant demandé ;
de l’état de charge initial ;
de la consommation propre de l’électronique.

L’autonomie théorique peut être estimée ainsi :

Autonomie (heures) = énergie nominale × fraction utilisable × rendement ÷ puissance moyenne

Le résultat doit être présenté comme une estimation conditionnelle, jamais comme une durée garantie.

Vérifier le profil de tension de la batterie

Pour une batterie LiFePO4, la mention « 12,8 V » correspond à une tension nominale, pas à une tension constante. Le régulateur, les charges et les accessoires doivent accepter toute la plage de tension rencontrée pendant la charge et la décharge.

Contrôlez notamment :

la tension d’absorption ou de charge maximale ;
la présence ou non d’une phase de maintien ;
les seuils de déconnexion et de reconnexion ;
le courant de charge maximal ;
les températures autorisées pour la charge ;
la protection contre la charge à basse température ;
les paramètres recommandés par le fabricant de la batterie.

Ne reprenez pas automatiquement un profil conçu pour une batterie au plomb.

Estimer l’énergie photovoltaïque pour le mois de dimensionnement

La puissance des panneaux doit être calculée avec les ressources solaires du mois critique, et non avec une moyenne annuelle. En France, le mois déterminant dépend du lieu, de l’inclinaison, de l’orientation, du relief, des ombrages et de la disponibilité exigée.

La formule simplifiée est :

Puissance photovoltaïque (Wc) = énergie quotidienne (Wh) ÷ heures de soleil équivalent ÷ rendement global

Les « heures de soleil équivalent » expriment l’irradiation quotidienne sous la forme d’un nombre d’heures à 1 000 W/m². Elles ne correspondent pas au nombre d’heures entre le lever et le coucher du soleil.

En reprenant une hypothèse de 2,2 heures de soleil équivalent et un rendement global de 70 % :

964 ÷ 2,2 ÷ 0,70 = environ 626 Wc

Le rendement global de 70 % est ici purement illustratif. Il peut représenter les pertes liées à la température des modules, au MPPT, au câblage, aux salissures, aux écarts de production et à la charge de la batterie. Il doit être adapté au projet.

Prévoir la recharge après plusieurs jours défavorables

Une installation ne doit pas seulement alimenter les charges pendant une journée moyenne. Elle doit aussi pouvoir recharger la batterie après une période de faible production.

Si deux jours d’énergie, soit 1 928 Wh dans notre exemple, doivent être récupérés en trois journées favorables :

Énergie de récupération quotidienne = 1 928 ÷ 3 = 643 Wh/jour

L’énergie solaire à produire pendant la phase de récupération devient alors :

964 + 643 = 1 607 Wh/jour

Avec les mêmes hypothèses solaires :

1 607 ÷ 2,2 ÷ 0,70 = environ 1 044 Wc

Cet écart montre pourquoi un panneau calculé uniquement pour équilibrer la consommation quotidienne peut rétablir l’état de charge trop lentement. Le délai de récupération attendu doit figurer explicitement dans le cahier des charges.

Données à vérifier pour le site

Avant de retenir la puissance photovoltaïque, confirmez :

l’irradiation du mois de dimensionnement sur le plan des modules ;
l’orientation et l’inclinaison réelles ;
les ombres proches et lointaines ;
l’accumulation possible de poussière, de feuilles ou de neige ;
la température maximale des cellules ;
le nombre de jours consécutifs défavorables retenu ;
l’accès au site pour l’entretien.

Une moyenne départementale ou régionale peut servir à une première estimation, mais elle ne remplace pas une étude tenant compte du masque solaire du site.

Vérifier les limites de tension, de courant et de puissance du MPPT

Un régulateur MPPT doit être compatible simultanément avec le champ photovoltaïque et la batterie. Une puissance nominale apparemment suffisante ne garantit pas cette compatibilité.

Les vérifications essentielles portent sur :

la tension à vide maximale du champ photovoltaïque par temps froid ;
la plage de tension MPPT ;
le courant de court-circuit admissible côté PV ;
le courant de charge maximal côté batterie ;
la puissance photovoltaïque autorisée pour la tension de batterie ;
le profil de charge et les températures de fonctionnement.

Pour comprendre les différences de principe et de sélection, consultez le comparatif MPPT ou PWM pour un régulateur solaire extérieur.

Calculer la tension à vide par temps froid

La tension à vide d’un module augmente lorsque sa température baisse. Il faut donc calculer la tension maximale de chaque chaîne avec le coefficient de température de la fiche technique.

Une formule courante est :

Voc à froid = Voc à 25 °C × nombre de modules en série × [1 + |coefficient Voc| × (25 − température minimale de cellule)]

Exemple hypothétique :

Voc du module : 24,5 V ;
deux modules en série ;
coefficient de Voc : −0,28 %/°C, soit 0,0028 ;
température minimale retenue : −10 °C.

Le calcul donne :

24,5 × 2 × [1 + 0,0028 × 35] = environ 53,8 V

Cette valeur doit rester inférieure à la tension PV maximale absolue du régulateur, en appliquant les règles de conception et marges demandées par son fabricant. La température minimale pertinente peut être inférieure à une simple moyenne météorologique locale.

Vérifier le courant du champ photovoltaïque

Pour des branches identiques en parallèle :

Courant de fonctionnement du champ = Imp d’un module × nombre de branches parallèles

Courant de court-circuit du champ = Isc d’un module × nombre de branches parallèles

Comparez ensuite le résultat corrigé par le facteur de sécurité applicable avec la limite de courant d’entrée ou de court-circuit du MPPT. Ne confondez pas cette limite avec le courant de charge disponible côté batterie.

Calculer le courant de charge potentiel

Une estimation du courant de charge est :

Courant de charge ≈ puissance PV utile ÷ tension de charge de la batterie

Par exemple, une puissance de 1 000 W délivrée à une batterie proche de 14 V pourrait représenter environ :

1 000 ÷ 14 = 71 A

Le régulateur peut limiter ce courant. Il faut vérifier que cette limitation est acceptée, que la puissance PV installée respecte sa fiche technique et que le courant reste compatible avec la batterie, le câblage et les protections.

Un champ surdimensionné peut améliorer la production par faible éclairement, mais il ne doit jamais dépasser les limites de tension, de courant de court-circuit ou de puissance autorisées par le constructeur du MPPT.

Coordonner la charge de la batterie et les sorties vers les équipements

Le régulateur ne sert pas uniquement à relier les panneaux à la batterie. Dans un système intégré, il peut aussi piloter des sorties de charge, appliquer des seuils de protection et limiter le courant disponible pour les équipements.

Pour chaque sortie, vérifiez :

sa tension nominale et sa plage réelle ;
son courant maximal individuel ;
le courant total partagé entre les sorties ;
la puissance de démarrage éventuelle des équipements ;
le seuil de coupure basse tension ;
le comportement après reconnexion ;
la compatibilité avec les appareils 12 V ;
le besoin éventuel d’un convertisseur DC-DC ou d’un injecteur PoE.

Un appareil annoncé pour 12 V n’accepte pas forcément toute la plage de tension d’une batterie LiFePO4. Les caméras, radios et switches doivent être vérifiés sur leur fiche technique.

Deux exemples de systèmes documentés

Maxsol documente notamment deux systèmes LiFePO4 qui peuvent servir de points de comparaison. Ils doivent être évalués comme des ensembles fournis, et non comme des combinaisons de composants librement interchangeables.

Système documenté	Configuration photovoltaïque	Batterie nominale	Régulation	Sorties documentées
Système solaire Maxsol CS12060 120 W et 768 Wh	Un panneau monocristallin de 120 W	LiFePO4 12,8 V, 60 Ah, 768 Wh	MPPT	Trois sorties DC 12 V
Système solaire Maxsol CS400150 400 W et 1 920 Wh	Deux modules de 200 W, soit 400 W	LiFePO4 12,8 V, 150 Ah, 1 920 Wh	MPPT	Quatre sorties DC 12 V

Ces capacités nominales ne permettent pas, à elles seules, de promettre une autonomie. Il faut comparer la consommation calculée, l’énergie réellement utilisable, les conditions solaires et la capacité de recharge.

Avant toute sélection, confirmez la configuration exacte du régulateur fourni, la tension à vide et les limites de courant PV, le profil de charge, les températures de charge autorisées, les protections et les limites des sorties DC.

Tester les cas défavorables et documenter le dimensionnement final

Un calcul central ne suffit pas. Le système doit être testé sur plusieurs scénarios afin d’identifier les limites avant l’installation.

Scénarios de contrôle recommandés

Journée hivernale défavorable : utilisez l’irradiation du mois critique, une température basse et la consommation maximale plausible.

Batterie partiellement déchargée : vérifiez si le champ PV peut alimenter la charge tout en restaurant l’état de charge dans le délai prévu.

Froid extrême : recalculez la Voc de chaque chaîne et vérifiez les conditions de charge de la batterie.

Forte chaleur : estimez la baisse de tension et de puissance des modules, ainsi que les contraintes thermiques du coffret.

Pointe de consommation : additionnez toutes les charges simultanées, y compris les courants de démarrage.

Ombrage partiel : examinez l’effet d’un obstacle sur les modules ou les chaînes, surtout aux heures de production utiles.

Défaillance ou salissure : estimez les conséquences d’une production réduite et définissez le niveau d’alerte ou d’entretien nécessaire.

Erreurs de dimensionnement fréquentes

utiliser la puissance nominale des appareils sans calculer leur durée d’utilisation ;
confondre capacité nominale de batterie et énergie réellement livrable ;
dimensionner les panneaux avec une moyenne solaire annuelle ;
oublier l’énergie nécessaire à la recharge après plusieurs jours couverts ;
vérifier la puissance du MPPT sans contrôler sa tension PV maximale ;
calculer la Voc à 25 °C seulement ;
ignorer le courant maximal de charge de la batterie ;
supposer que toutes les sorties 12 V sont équivalentes ;
négliger les pertes des convertisseurs, câbles et équipements PoE ;
ajouter une marge générale sans documenter ce qu’elle couvre.

Contenu minimal du dossier de conception

Conservez une feuille de calcul avec :

la liste des charges et leurs sources de données ;
les profils horaires et la puissance simultanée ;
l’énergie quotidienne normale et maximale ;
l’autonomie visée ;
la fraction de batterie utilisable ;
les rendements retenus ;
les données solaires du mois critique ;
le délai de récupération après décharge ;
le schéma série-parallèle des modules ;
les calculs de Voc à froid, Isc et courant de charge ;
les références et versions des fiches techniques ;
les sections de câbles, protections et seuils de coupure ;
les hypothèses d’environnement et d’entretien.

Le dimensionnement final est cohérent lorsque la batterie couvre l’autonomie retenue, que le champ PV alimente les charges et recharge la réserve dans le délai demandé, et que toutes les tensions, intensités et températures restent dans les limites documentées.

Comme prochaine étape, comparez les deux systèmes Maxsol documentés avec votre nombre de ports, la charge mesurée, les distances de câblage, la puissance requise, l’environnement du site et les besoins de gestion. Cette comparaison doit compléter — et non remplacer — la feuille de calcul et la vérification des fiches techniques.