cours TP GRETA - PV autonome

PHOTOVOLTAIQUE Cours CA1 : Analyse structurelle

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Module Centrale Autonome

Le 30.03.10

Centrale hotovoltaï ue autonome

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Centrale

photovoltaïque photovoltaïq ue

Autonome

- Professeur M. T IMIN Jean-Louis


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Le 30.03.10

SOMMAIRE

1/ Problématique d'une centrale photovoltaïque autonome 2/ Conseils pour la rédaction du cahier des charges 3/ Structure d’une centrale photovol taïque autonome 4/ Les installations et leurs caractéristiques 5/ Stockage de l’énergie 5.1/ Caractéristiques des batteries 5.2/ Les types de batteries 5.3/ Batterie au plomb (Pb) 5.4/ Batterie au Nikel-Cadmium (NiCd) 5.5/ Batterie au Nickel-Métal hydrure (NiMH) 5.6/ Batteries AGM 6/ Les régulateurs de charge 6.1/ Les caractéristiques du régulateur 6.2 / Fonction des régulateurs de charge (batterie au plomb) 6.3 / Technologie des régulateurs de charge 7/ Bilan énergétique 8/ Organisme Conseils 9/ Annexes

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1/ Problématique d'une centrale photovoltaïque autonome (en site isolé) * Cahier des charges (ce qui désire le client)

besoins primaires : l’éclairage, la pro duction de froid pour la conservation des aliments ou l’utilisation d'appareils domestiques (radio, télévision,…) .

* Appareils à basse consommation La maison des Baronnets Produits Serelio

* Analyse cahier des charges (ce qu’il faudrait proposer au client)

Des précautions à prendre Avant de vouloir électrifier un site isolé, il est indispensable de bien recenser ses besoins : Existe-t-il un projet de prolongement du réseau EDF dans le secteur ? Quel appareil électrique est-ce que je veux utiliser en priorité? Combien de temps par jour ? Combien de jour par an ? Ces informations servent à dimensionner le parc de batteries et la régulation du système.

D’autre part l’étude des besoins permet de limiter les consommations au stricte nécessaire afin que le dimensionnement du système photovoltaïque soit réalisé au plus juste. Le coût des modules photovoltaïques et des batteries étant particulièrement élevé, l’investissement en sera ainsi minimisé.

* Stockage d'énergie

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2/ Conseils pour la rédaction du cahier des charges (www.ese.fr)

Quel type de récepteurs électriques puis-je alimenter avec une installation photovoltaïque site isol é ? 

L’éclairage avec des lampes à économie d’énergie et/ ou tubes fluorescents

TV/ Chaîne hifi Petit électroménager Éventuellement réfrigérateurs voir congélateurs Éventuellement petit pompage Quel type de récepteurs électriques ne peut pas être alimenté par une installation photovoltaïque site isolé ? 

Chauffage électrique Ballon d’eau chaude électrique

Machine à laver Sèche linge Fer à repasser Gros électroménager Faut-il stocker l’énergie produite et comment ? 

Oui, il faut la stocker à travers un parc de batteries généralement composé de batteries plomb + acide, batteries ouvertes ou sans entretien.

Quelle est la durée de vie des batteries ? 

De 3 à 12 ans selon la qualité choisie au départ. 3 ans batterie stationnaire ordinaire 5 ans batterie stationnaire haute de gamme sans entretien 10/ 12 ans batterie stationnaire plomb ouvert tubulaire avec entretien tous les 6 mois

Comment orienter les panneaux ? 

Plein sud pour l’hémisphère nord Plein nord pour l’hémisphère sud

De combien incliner les panneaux ? 

Tout dépend de votre lieu géographique et de la p ériode d’occupation des locaux. Pour un site France Métropole en usage 12 mois sur 12, la réponse est 60°.

Quelles puissances installer? 

Les petits sites isolés nécessitent de 75 à 400 Wc. Les équipements moyens de 400 Wc à 1200 Wc. L’électrification d’habitat isolé demande plus régulièrement une puissance 2000
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Quel budget faut-il prévoir? 

Très variable selon la puissance des panneaux et la capacité batterie. Un petit site peut s’électrifier à partir de 1 0 00 €. Un site moyen de 4 000 € à 12 000 € L’électrification d’un habitat isolé entre 20 000 € et 50 000 €.

Existe-t-il des aides ? 

Oui, s’il s’agit d’un habitat à usage d’habitat principal : Crédit d’impôt, F.A.C.E. (Fonds d'Amortissement des Charges d’Electrification), etc...) Non, s’il s’agit d’un habitat à usage secondaire.

Comment poser les panneaux ? 

En site isolé, généralement au sol sur un lieu bien ensoleillé sans ombres et parfois mais plus rarement, sur les toitures (rendements souvent plus faibles).

Quel type de panneaux utiliser ? 

Soit des panneaux classiques, soit des modèles bi-verre très résistant sur des lieux avec des atmosphères sévères (vent, neige, etc...).

Comment dimensionner les besoins ? 

Il faut faire une étude au cas par cas. Le dimensionnement précis d’un site isol é destiné à l’habitation principale peut nécessiter l’intervention d’un bureau d’étude spécialisé.

Pourquoi rajouter un groupe électrogène ? 

Afin de ne pas surdimensionner inutilement une installation, il est vivement conseillé sur un usage de 12 mois/ 12 de se doter d’un groupe électrogène qui pourra assurer un peut d’appoint l’hiver et recharger ponctuellement les batteries. Celui -ci ne fonctionnera que quelques heures/ an.

Faut-il imaginer d’électrifier un site en photovoltaïque site isolé alors que vous être proche d’un point de livraison EDF ? 

La démarche est souvent très lourde de conséquences financièrement et ne présente aucun intérêt financier. Pourquoi n’y préfèreriez vous pas la solution photovoltaïque raccordé au

réseau Quelle expérience a-t-on des sites isolés ? Est-ce une technique bi en maîtrisée ? 

Depuis plus de 20 ans, cette technique est parfaitement maîtrisée.

Quels sont les vrais risques ? 

Le non respect des normes de sécurité et des règles de l ’art entraine des surcoûts, des risques d’incendie, d’électrisation…

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3/ Structured’une centrale photovoltaïque autonome

Schéma de principe

Panneaux solaires Régulateur de charge Batterie

Coffret de protection

Appareils basses consommations

Onduleur Groupe électrogène

Pour apprécier les résultats de vos calculs de dimensionnement n’hésitez pas à comparer l’installation que vous proposez avec les KITS qui sont proposez sur le marché ! Les clients eux les trouvent et peuvent vous demander de justifier vos valeurs (puissances, autonomie, quantité…) Exemple de kits : NRJ-sol-R , Ibersolar , wattsol (histoire du compteur qui tourne à l’envers…) Greta 25 -

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4/ Les installations et leurs caractéristiques Exemple 1 : Le chalet de la famille Ruaud

Lieu : Parc du Que ras 2000m d’altitude, orientation sud Besoins en énergie: (radio, sèche-cheveux, aspirateur, petit électroménager), équipements économes en énergie (25 lampes basse consommation) et une lampe à rayonnement UV de 35 Watt pour le traitement bactériologique de l’eau. Utilisation d’un poêle à gaz et d’un réfrigérateur à gaz.

Commentaire : (Points forts, contraintes, amélioration de l’efficacité de l’installation) 

Autonomie : 8 jours Groupe électrogène 15kw, Batteries, Régulateur, 14 panneaux photovoltaïques (672Wc),

La gare de Pulney Exemple3 :

Lieu : Toul - Mirecourt via Barisey la Côte 16 m² de panneaux photovoltaïque (1920 Wc). Une régulation électronique avec un parc batteries de 24 modules de 2 volts, soit au total 1250 ampères/heure. Un groupe électrogène de 7kW en 380.

Commentaire : 

Coût de l'opération : 29 140 € HT

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5/ Stockage de l’énergie Les différents types de batteries ? => ouverte, fermée, tubulaire, plomb, Nickel,…

Plomb, stationnaires, autres 5.1/ Caractéristiques des batteries

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Tension = 12 volt ! Ce n’est pas suffisant… (energiepropre.net)

Capacité nominale: C’est la quantité maximum d'énergie que contient une ba tterie (sous température idéale de 25°). Elle s’exprime en Ampère heure (Ah). Etat de charge: C’est le pourcentage de la quantité d'énergie disponible dans la batterie

à un

instant t. Profondeur de décharge (PDD) : C’est le pourcentage d’énergie maximum que l' on peut retirée d’une

batterie. Elle ne doit pas être déchargée au-delà de cette valeur, afin de prolonger sa durée de vie. En général, on choisit PDD = 25% pour 2 jours d’auton omie ou moins, PDD = 70% pour 4 jours d’autonomie, PDD = 80% pour plus de 8 jours d'autonomie. Température : La variation de température influence le rendement de la batterie. Celle-ci a un

fonctionnement idéal à température ambiante de 25°C ; Il faut donc prévoir si possible une régulation thermique pour maintenir sa durée de vie. Tension nominale: C’est la tension type de la batterie. Elle correspond aussi à la tension de

fonctionnement du système autonome. Ex : Tension 12V, 24V, 48V... Taux de décharge : C’est le temps nécessaire pour décharger entièrement la batterie. Supp osons une

batterie de capacité de 100Ah et de courant de décharge de 5 A : Le taux de décharge sera 100Ah / 5A soit 20 heures ; Il est noté C/20. Taux de recharge : C’est la quantité de courant qu’il faut pour recharger une batterie en un temps

donné (temps du taux de décharge). Supposons une batterie de 100Ah et de taux de décharge C/20 : Le taux de recharge sera 100Ah / 20h soit 5 A. Cycle et durée de vie : C’est le nombre de séque nces de charge/décharge, que peut subir une batterie

à sa profondeur de décharge. Il détermine les performances de la batterie et sa durée de vie. Nombres de jours d’autonomie : C’est la durée pendant laquelle la batterie peut alimenter toute seule l’installation en courant, sans être rechargée ni endommagée.

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5.2/ Les types de batteries

On distingue dans les systèmes à énergie renouvelable, les batteries Acide-Plomb et les NickelCadmium. Les Nickel-Cadmium sont beaucoup plus chères et ne sont utilisées que dans des cas très particuliers (peu d’entretien) . Par contre les batteries Acides-Plomb de types ouvertes et AcidesPlomb de types fermées sont les plus utilisées dans les systèmes solaires autonomes avec un coût initial bas.

Energiepropre.net

AMG (Absorbent Mat Glass) : Séparateur microporeux en fibre de verre imprégné d’électrolyte entre les plaques de plomb) VRL (Valve Regulated Lead Acid) : batteries étanches à recombinaison avec soupapes de sécurité

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5.3/ Batterie au plomb (Pb)

Les batteries Pb (Plomb-acide) sont des composants développés depuis le XIXème siècle. Deux électrodes de plomb et d’oxyde de plomb sont plongées dans un électrolyte composé d’acide

sulfurique dilué. En reliant les électrodes à un récepteur externe consommant du courant, les électrodes se transforment en sulfate de plomb et l’acide se dilue (Cette dilution permet d’évaluer l’état de charge de la batterie en mesurant la densité d’acide ). En fournissant un courant à la batterie, l’acide se concentre et les électrodes retournent à leurs états initiaux.

Courbe de décharge

Courbe de charge (principe)

5.4/ Batterie au Nikel-Cadmium (NiCd)

Les batteries Ni-Cd, onéreuse, ont une longue durée de vie (15 à 20ans) et sont employés dans des systèmes photovoltaïques particuliers quand l’accès au site est très compliqué (haute montagne, désert,…). Inconvénient de ce type de batterie est le problème de recyclage du cadmium (toxique).

Exemple de caractéristiques Réalise 8 000 cycles à 15% de profondeur de décharge faible maintenance : plus de 4 ans sans remplissage spécialement dimensionnée pour des temps de décharge allant de quelques heures à quelques jours Capacités : de 45 Ah à 1110 Ah (débit C120)

5.5/ Batterie au Nickel-Métal hydrure (NiMH)

Les batteries au NiMH (Nickel-Métal-Hydrure) peu polluant mais de faible capacité (quelque mAh à quelques Ah sont réservés aux applications de faibles capacités (modules < 5Wc) .

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5.6/ Batteries AGM

L'acronyme AGM signifie "Absorbed Glass Mat". L'électrolyte est absorbé et donc immobilisé dans des buvards en fibre d e verre (boro-silicate), placés entre les électrodes. Le processus de recombinaison des gaz est différent du cas des batteries ouvertes : les molécules d'oxygène diffusent à travers les tissus-séparateurs, des électrodes positives vers les électrodes négatives pour y former de l'eau. Les alliages Pb - Ca et Pb - Ca - Sn sont utilisés pour les batteries AGM car ces alliages de plomb permettent de limiter l'électrolyse de l'eau (peu de dégazage). Inconvénients

Pas d'entretien Très faible dégagement d'hydrogène Faible taux d'autodécharge (1 à 3 % par mois) Densité énergétique élevée Peux délivrer des courants de décharge importants Moins d'emprise au sol pour une même capacité que les batteries ouvertes Technologie robuste : bonne résistance aux chocs et vibrations Avantage :

Durée de cyclage assez faible Diminution de la durée de vie de moitié avec une augmentation de la température de 8°C

5.6/ Batterie gel

Les batteries gel ont de très bonnes performances en cyclage et acceptent les décharges profondes. Les batteries gel peuvent même être laissées complètement déchargées sans que cela ne pose de problème. Par contre elles tolèrent moins les forts courants de charge/décharge que les batteries AGM. Pas de dégagement gazeux, résistantes aux chocs. L'autodécharge faible 1 à 3 % par mois (contrairement à une batterie normale acide plomb qui se décharge très vite, si on ne l'utilise pas un certain temps). La durée de vie est accrue donc le prix d'achat est rentabilisé sur la durée sans compter le gain en performance. Comme l'électrolyte est Gélifié (GEL) elle est étanche et le transport en est beaucoup plus aisé et sans danger en n'ayant pas de liquide qui puisse couler. Les Gélifiées sont très peu sensible aux effets dommageables du gel.

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6/ Les régulateurs de charge 6.1/ Les caractéristiques du régulateur

On rencontre les régulateurs de charge/décharge indiqués pour les a pplications domestiques où des dépassements de consommation sont prévus, et ceux uniquement de charge qu'on utilise que lorsque le système ne présente aucun risque de décharge accidentelle. Les autres fonctions du régulateur peuvent être la surveillance et la sécurité de l’installation, la recherche du point maximal de pui ssance ou la commande de recharge de l a batterie par d’autres sources. Tension nominale: Elle doit pouvoir supporter la tension en circuit ouvert du panneau PV à

soit environ deux fois sa propre tension nominale. Courant d’entrée: C’est le courant de charge maximum provenant des panneaux et que le

régulateur peut contrôler sous une tension donnée. Choisir 1.5 fois le courant de court-circuit des panneaux PV pour un régulateur shunt et 1.5 fois le courant nominal des panneaux PV pour un régulateur série. Courant de sortie: C’est le courant maximum que tirent les appareils branchés

simultanément. Courant de pointe: c'est le courant transitoire de certains appareils (Ex : Les réfrigérateurs)

que doit supporter le régulateur. Généralement il est égal à 3 fois le courant transitoire. Protection: Les conducteurs arrivant au régulateur doivent être protégés contre les surcharges, l’inversion de polarité et l'augmentation de température.

6.2 / Fonction des régulateurs de charge (batterie au plomb)

Contrôle de la charge La tension d’une batterie chargée à courant constant augmente de façon linéaire jusqu’à ce qu’elle atteigne pratiquement la fin de charge où soudainement elle augmente beaucoup p lus rapidement lorsque sa matière active est presque complètement transformée et où l’électrolyte commence à libérer des gaz. Cette gazéification est la d écomposition de l’eau de l’électrolyte en

hydrogène et oxygène et correspond en fait à une électrolyse. Si on laisse durer ce phénomène, la batterie deviendra surchargée, ce qui accélérera la corrosion du pl omb, fera perdre de l’électrolyte et

endommagera les plaques de plomb. La fonction principale du régulateur est gérer cette surcharge. Les inconvénients (gazéification, sulfatation, Egalisation Lors des cycles de charge/décharge, pour faire face aux di fférences de capacité entre les cellules, aux variations de température entre cellules, les variations d’auto décharge, il est recommandé d’effectuer une charge d’égalisation qui va permettre la charge complète de toutes les

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cellules de la batterie (environ une à deux charges d’égalisation par an). Peu recommandée pour les

batteries fermées !

Contrôle de la décharge Permet d’éviter la décharge profonde de la batterie nuisible pour sa durée de vie. Un circuit

de délestage permet de déconnecter les récepteurs lorsque la tension de la b atterie est descendue au-dessous d’un seuil critique. Seuil choisi en fonction de l a durée de vie espérée, la température ambiante et le niveau de courant. Délestage Trois critères permettent de choisir En cas de grand froid (<- 7°), l’électrolyte peut geler. Il y a des valeurs limites de décharge à ne pas dépasser en fonction de la température et de l’électrolyte

utilisé.

6.3 / Technologie des régulateurs de charge Régulateur shunt « tout ou rien » C’est le modèle le plus répandu car facile à fabriquer. Convient aux applications de

petite puissance comportant 1 ou 2 panneaux PV. Lorsque la batterie atteint la pleine charge, le courant provenant des panneaux PV est dérivé par l’i ntermédiaire d’un interrupteur (transistor). Inconvénients : problème de protection contre les surtensions, dissipation thermique de l’interrupteur, risque de hot -spot quand l’interrupteur est fermé (latension inverse répercutée sur la cellule ombrée étant plus élevée). Diode de blocage

Délestage

+

Panneau solaire

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Interrupteur

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Batterie

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Récepteur



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Régulateur shunt linéaire

Ce type de régulateur maintient une tension constante aux bornes de la batterie lorsque celle-ci atteint sa pleine charge. L’avantage est que l a charg e totale de la batterie est garantie, le désavantage est que la puissance non utilisée du panneau en fin de charge doit être dissipée par un transistor ( interrupteur fonctionnant en linéaire et non en commutation ) en parallèle ce qui limite ce régulateur aux petits courants.

Régulateur série

Convient aux applications de moyenne puissance dont le courant des panneaux PV est supérieur à 10 A. Lorsque la batterie atteint la pleine charge, le régulateur coupe le courant provenant des modules PV. Interrupteur Diode de blocage

Délestage

+

Panneau solaire

Batterie

Récepteur

Régulateur PWM (Pulse Width Modulation)

Ce type de régulateur rassemble les avantages des techniques précédentes en utilisant un interrupteur actif modulé par impulsions de largeurs variables. Les avantages c’est que l ’on peut

maintenir une tension constante aux bornes de la batterie pour terminer la charge tout en dissipant dans le transistor uniquement les pertes de commutation et les pertes due à la résistance de passage (MOSFET). Les deux techniques, shunt ou série peuvent être utilisées mais dans la majorité des cas les fabricants utilisent la technique série plus efficace pour les condi tions de charge de la batterie (boost, absorption, floating), le panneau solaire est mis en contact puis coupé de la batterie (jusqu'à 160 fois par seconde)

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Régulateur MPT (Max Power Tracker)

Convient aux applications de grande puissance (> 100 W). Il garantie une récupération maximale de la puissance provenant des panneaux PV en mesurant en permanence le courant et la tension. En général, ces régulateurs fonctionnent soit en élevant, soit en réduisant la tension. Un premier circuit ajuste la demande au point de puissance maximale de l’ensemble des panneaux, et un deuxième circuit transforme le courant et la tension pour l’adapter au type de batterie. Cependant il faut considérer les

pertes dues à cette technique. Ce régulateur peut travailler dans une vaste gamme de température. Exemple de caractéristique : MPPT SOLAR CHARGER 10A – 20A – 30A

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7/ Bilan énergétique

Indispensable pour la rédaction du cahier des charges, le calcul de l’autonomie nécessaire pour le fonctionnement des appareils peut-être effectué manuellement, à l ’aide de tableurs ou de logiciels en ligne. Logiciel en ligne : Wagner-solair

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Calculs (manuel) Ecosysteo ,

Resosol

Pour bien gérer son système photovoltaïque il faut, en premier lieu, bien le dimensionner. Si la consommation d'électricité est chaque jour plus forte que la production, les batteries se vident petit à petit et l’énergie n’est plus disponi ble . Il faut calculer leur capacité de manière à absorber les fluctuations de la production d'énergie.

Exemple de calcul: Hypothèse: on veut alimenter une télévision de 40W, une radio de 10W et deux tubes néons de 11W. * la télévision fonctionne 3h/jour; elle consomme 3h x 40W = 120 Wh/jour, * la radio fonctionne 2h/jour; elle consomme 2h x 10W = 20 Wh/jour, *les lampes de 11W: l'une marche 1/2 h/jour et l'autre 2h/jour: elles consomment 2.5h x 11W = 27.5 Wh/jour.

Le besoin total d'énergie par jour s'élève donc à 120 + 20 + 27.5 = 167 Wh/jour, soit pour une batterie de 12V: 167.5 / 12 = 14Ah par jour. Si l'on décide d'avoir une autonomie de 2 jours, il faudra que la batterie puisse stocker 2 x 14 = 28 Ah. En choisissant un coefficient maximum de décharge de 50%, il faudra choisir une batterie de: 28Ah / 50% = 56 Ah. Il suffira donc de choisir une batterie de 60 Ah (en 12V).

8/ Organisme Conseils

Hespul : avant de lancer le projet, vérifier si les conditions de financement sont remplis. Les coûts d’un système photovoltaïque en site isolé est d’environ 12 €/Wc.

Adème : Fiches conseils Aip : Site installateur…

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9/ Annexes

Conseil pour une étude pour une petite installation: Dans une installation photovoltaïque autonome, il y a deux choses à dimensionner :

- La puissance du champ solaire (en Wc) - La capacité des batteries (en kWh)

Pour ce faire, il y a deux études à suivre : - Une étude précise de la consommation énergétique poste par poste (à chaque fois, se poser la question "comment puis-je réduire ma consommation sur ce poste"). B annir les appareils de chauffage et de climatisation électrique (radiateurs, plaques, ...), en leur préférant un équivalent utilisant une autre source d'énergie (ex : gaz) - Une étude de l'insolation dans sa région (soit en utilisant les données de météo-France, soit en installant une station météo personnelle)

Ensuite, il est préférable de faire un tableau avec par colonnes :

- Ij : Insolation journalière (en kWh/m²) - Production électrique (= Ij x puissance modules) - Consommation - Différence entre production et consommation - On obtient alors un ordre de grandeur de l’énergie disponible à fo urnir avec la batterie (compter un rendement de 60% lors du stockage d'énergie dans la batterie. Il est conseillé de ne pas décharger à plus de 50% de sa capacité pour augmenter leur durée de vie).

Exercice résolue n°1

Dimensionnement divers

Exercice résolue n°2

Système didactisé : Site isolé

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