Dimensionner le solaire d'une clinique rurale
Une clinique rurale de 12 lits à Kasenga veut installer un système solaire autonome. Équipements : un réfrigérateur à vaccins de 80 W qui fonctionne en moyenne 12 h par jour (compresseur cyclique), six lampes LED de 9 W pendant 5 h par nuit, un concentrateur d'oxygène de 300 W utilisé 4 h par jour, et un ordinateur de 120 W pendant 6 h. L'ensoleillement moyen est de 4,5 kWh/m²/jour ; les panneaux ont un rendement de 16 % et une surface de 1,6 m² chacun. Le régulateur MPPT a un rendement de 95 %, la batterie un rendement de 85 %, l'onduleur 90 %. On dispose de batteries 12 V / 200 Ah au lithium fer phosphate (profondeur de décharge utile 80 %). Un générateur de secours existe mais le carburant coûte 2 500 CDF le litre et le générateur consomme 1,2 L/h. La chaîne du froid ne peut pas subir plus de deux heures d'interruption par jour.
1. Calculez la consommation journalière côté courant alternatif, puis l'énergie que les panneaux doivent produire.
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Bilan côté alternatif :
- Réfrigérateur : 80 W × 12 h = 960 Wh
- Lampes : 6 × 9 W × 5 h = 270 Wh
- Concentrateur O₂ : 300 W × 4 h = 1 200 Wh
- Ordinateur : 120 W × 6 h = 720 Wh
Total CA = 3 150 Wh/j.
Corrections de rendement, en remontant la chaîne :
- onduleur 90 % : 3 150 / 0,90 = 3 500 Wh côté continu ;
- batterie 85 % : 3 500 / 0,85 = 4 118 Wh à fournir ;
- MPPT 95 % : 4 118 / 0,95 = 4 335 Wh/j à produire par les panneaux.
C'est cette valeur, et non 3 150 Wh, qui dimensionne le champ photovoltaïque : ignorer les rendements sous-dimensionne le système d'environ 27 %.
2. Combien de panneaux faut-il ? Discutez la marge de sécurité à retenir.
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Un panneau reçoit 1,6 m² × 4,5 kWh/m²/j = 7,2 kWh/j, soit 7 200 Wh. Au rendement de 16 % : 7 200 × 0,16 = 1 152 Wh/j par panneau.
Nombre théorique : 4 335 / 1 152 = 3,76, donc 4 panneaux en moyenne annuelle.
Mais 4 panneaux couvrent tout juste la consommation d'un jour moyen : aucune marge pour les jours couverts, la poussière (5 à 10 %), la température (rendement réel souvent 13–14 %) ou la saison des pluies. Testons 3 kWh/m²/j : 4 × 1,6 × 3 × 0,16 = 3,07 kWh, inférieur aux 4 335 Wh nécessaires - déficit. Avec 5 panneaux : 5 × 1,6 × 3 × 0,16 = 3,84 kWh, encore juste ; avec 6 : 4,61 kWh, suffisant. Conclusion : 5 à 6 panneaux, ou 4 panneaux accompagnés d'une réduction de consommation (concentrateur en journée, éclairage écourté).
3. La batterie 12 V / 200 Ah suffit-elle pour une nuit sans soleil ? Que change l'utilisation du concentrateur d'oxygène la nuit ?
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Capacité nominale : 12 V × 200 Ah = 2 400 Wh ; profondeur de décharge utile 80 % → 1 920 Wh utilisables.
Nuit type sans concentrateur : réfrigérateur, environ la moitié de ses 960 Wh si le cycle est réparti (480 Wh) + lampes 270 Wh = 750 Wh côté CA, soit 750 / 0,9 = 833 Wh soutirés à la batterie : largement suffisant.
Avec le concentrateur la nuit : 750 + 1 200 = 1 950 Wh côté CA, soit 1 950 / 0,9 = 2 167 Wh, supérieur aux 1 920 Wh disponibles. La batterie ne suffit pas et le système s'arrêtera avant l'aube, avec un risque pour la chaîne du froid.
Solution : programmer le concentrateur entre 9 h et 15 h, en consommation directe sur le solaire, et réserver la batterie au froid et à l'éclairage. Le groupe de secours coûterait 1,2 L/h × 2 500 CDF = 3 000 CDF/h, à garder pour les urgences.