Les dossiers techniques

Les régulateurs servent à gérer la charge des batteries. Le régulateur se branche entre les panneaux et la batterie.

Il servent principalement à éviter que le panneau ne charge trop la batterie en provoquant sa destruction.

Les régulateurs les plus récents ont d'autres fonctions évoluées expliquées ci après.

Schema_principe

Il existe trois différentes sortes de régulateurs de charge solaire.

1) Le régulateur shunt ou série.

Ce sont d'anciennes générations de régulateurs solaires. Je ne sais pas s'ils sont encore à la vente.

Assez simples de conception, ils surveillaient la tension aux bornes de la batterie et connectaient ou pas le panneau suivant la tension détectée.

Tant que la batterie n'avais pas atteint sa tension de fin de charge, le panneau restait connecté.

Les "shunts" court-circuitaient le panneau et les "séries" le débranchaient.

C'était un peu du binaire, tout ou rien, ils agissaient sur le courant de charge que par ON ou OFF (ce qui est suffisant pour restaurer l’état de charge d’une batterie à environ 70%)

Comme ils vont (ou ont) disparus, je ne vais pas plus parler d'eux.

2) Le régulateur Dit PWM(Pulse width modulation)

C'est une grande évolution des régulateurs série et shunt. on passe de 70 à 100% de charge de la batterie par rapport à la génération "des vieux".

La PWM(en français: Modulation d'impulsions en largeur) ajoute une amélioration en gérant d'une manière optimisée les déconnections/connections du panneau à la batterie, ce que je vais appeler plus loin "les coupures"

La PWM organise les coupures en fonction de l'état de charge de la batterie. Les coupures sont alors plus ou moins nombreuses et plus ou moins longues en fonction de la tension de la batterie et de l'intensité disponible en sortie du panneau solaire. La vitesse des coupures peut atteindre les 160 fois par seconde.Les coupures se font avec des MOSFET ou des transistors de puissance fonctionnant à des fréquences importantes, afin de générer des impulsions.

PWM

 

Plus la batterie est déchargée, plus les impulsions de courant sont longues et presque continues. Lorsque la batterie est presque entièrement chargée, les impulsions deviennent de plus en plus courtes et espacées. La fréquence de coupure commence a être élevée
Cette dernière phase termine la recharge et diminue la sulfatation des plaques car le courant de charge de la batterie est haché à haute fréquence.

La modulation de Largeur d’Impulsion (PWM) est une méthode très rapide et efficace qui permet d’atteindre l’état de pleine charge d’une batterie solaire. En effet ces régulateurs "surveillent" en permanence l'état de charge de la batterie et grâce aux logiciels auto-adaptatifs qui utilisent une logique floue, ils bichonnent nos batteries en se rapprochant au mieux des courbes IUOU (exemple de courbe ci-dessous).

Charge_solaire

 

Leur travail ne se limite pas à la charge et la désulfatation des plaques. Ils gèrent aussi les charges d'égalisation, ils connaissent l'état de charge, la tensi, la résistance interne, l'âge de la batterie(si branchée depuis toujours dessus)

Certains intègrent des afficheurs numériques qui indiquent diverses informations.

3) Le régulateur MPPT (Maximum Power Point Tracking)

En français : recherche du point de puissance maximum .

Cette évolution  ne permet pas de plus charger la batterie, car aller au dessus de 100% n'est pas possible. Par contre elle permet d'utiliser 100% de la puissance potentiellement fournie par le panneau photovoltaïque. En effet, avant  il y avait une perte de puissance due au fait que la batterie imposait "sa" tension" aux bornes du panneau puisque le régulateur ne faisait que connecter ou déconnecter la batterie au panneau.

- moi: J'explique??

- vous: non pitié !!!

-moi: ben j'explique quant même.

Ce régulateur sert à récupérer les pertes dues à la tension de fonctionnement que la batterie impose au panneau.

Les pertes dues à la tension imposée par la batterie

Prenons par exemple les Caractéristiques électriques typiques d'un panneau "BP solar" 24V de 165W.

Puissance maxi (Pmax) : 165W
Tension à Pmax : 35.2 V
Courant à Pmax : 4.7 A
Courant de court circuit : 5.1 A
NOCT (air 20°C ; ensoleillement 0.8 kW/m² ; vent 1 m/s)

Il y a  deux standards: je dirais les conditions d'essais de laboratoire(STC) et un standard se rapprochant des conditions réelles d'utilisations(NOCT)

Le panneau produit 165 Watts sous une tension et un courant bien précis en conditions NOCT.(Super soleil bien au dessus donnant 800W/m2, air à 20°C et tout et tout), pourtant branché à une batterie de 24V de tension, il ne donne plus que 122W voir moins.

Pourquoi? Où sont passés les Watt manquants?

Voyons un peu la courbe de puissance type d'un panneau photovoltaïque:

courbe_puissance

Icc= Courant de court circuit, 5.1 A pour l'exemple concret de ci dessus.

Voc= Tension  circuit ouvert (quant rien n'est branché au panneau donc pas de courant qui circule)

Ipmax= Intensité à puissance maximale, 4.7A

Vpmax= Tension à puissance maximale, 35.2V

Pmax= Puissance max, 4.7(A)x35,2(V)=165,44Watts, on arrondis à 165W.

La courbe rouge montre l'évolution de la puissance disponible en fonction de la tension à laquelle fonctionne le panneau.

La courbe bleue montre l'évolution de l'intensité en fonction de la tension d'utilisation du panneau.

On voit donc en haut que l'intensité reste à Icc sauf en rejoignant le point de jonction Ipmax/Vpmax où ça diminue de plus en plus vite. Donc en gros, si le panneau fonctionne en dessous de Vpmax(35.2V), on a comme intensité disponible Icc(5.1A)

Tout ça pour en arriver à la vraie démonstration:

- Prenons comme tension V1(voir la courbe ci dessus) une tension de 23 Volts

Petit rappel sur le calcul de la puissance: La puissance est le résultat du produit de la tension et de l'intensité, P(en Watt) = U(en Volts) x I (en Ampères)

Si on branche ce panneau à des batteries en 23V, sachant que l'intensité disponible est de 5.1A(vu juste au dessus), on a donc une puissance qui est: 23(V) x 5.1(A) = 117,3W réels et encore en condition d'irradiation et d'inclinaison correspondant à la norme de mesure NOCT( pas souvent réel)

117,3W par rapport à la puissance indiquée de 165W, on a une perte de 28.9%

- Prenons comme tension V2(voir la courbe ci dessus) une tension de 26,4 Volts donc une batterie chargée

Si on branche ce panneau à des batteries en 26,4V, sachant que l'intensité disponible est de 5.1A(vu juste au dessus), on a donc une puissance qui est: 26,4(V) x 5.1(A) = 134.64W réels donc bien plus qu'en V1ou on avait 24V

134,64W par rapport à la puissance indiquée de 165W, on a une perte de 18,4%.

Donc plus la tension de la batterie est faible plus la puissance réelle baisse et inversement. C'est mal fait, ça devrait être l'inverse pour qu'une batterie vide se charge mieux? Ah que c'est contrariant l'électricité!

Le Régulateur MPPT résout ce problème de perte de puissance. Comment peut il réussir ça?

Ce régulateur est en fait un convertisseur un peu comme ceux qui donnent de 220V à partir des batteries, mis à part des différences importantes.

Cet appareil prend le courant continu dans les panneaux solaires, le transforme en courant alternatif haute fréquence, et le convertit à nouveau en un courant continu dont la tension et l’intensité sont parfaitement adaptées au dispositif batterie.Il fonctionne dans des fréquences situées dans la plage des 20-80 kHz.

Il y a une capacité de conversion élevée de l'ordre de 92 à 97% de rendement, donc très peu de pertes.

Le MPPT permet de suivre le point de puissance maximum d'un générateur électrique dont la production varie, le panneau solaire.

Ce régulateur MPPT est piloté et contrôlé par un microprocesseur, il sait quand et comment ajuster le signal électrique qui va à la batterie. Il  peut interrompre la charge pendant quelques microsecondes pour analyser la puissance que peuvent donner les panneaux solaires (Pmax). Pendant cette même interruption,  il analyse le niveau de charge de la batterie . A partir des résultats qu'il trouve  il détermine la tension la plus adaptée avec laquelle il va faire fonctionner le panneau  pour faire aller le maximum d’Ampères dans la batterie si elle en a encore besoin.La partie "microprocesseur " du régulateur fait de nouveaux réglages à la partie "convertisseur", les paramètres de conversion du courant sont adaptés à la situation qui vient d'être analysée.


Exemple concret de fonctionnement en mode MPPT du régulateur:

 
Reprenons les caractèristiques techniques de notre panneau solaire de tout à l'heure:
Puissance maxi (Pmax) : 165W
Tension à Pmax : 35.2 V
Courant à Pmax : 4.7 A
Courant de court circuit : 5.1 A
 
Pour notre demonstration, votre batterie est bien déchargée, disons environ 23 Volts. Le régulateur MPPT reçoit 4,7 Ampères  d’intensité du panneau avec une tension de 35,2 Volts. Il convertit ces 4,7 Ampères sous 35,2 Volts en 7,19 Ampères sous 23 Volts avant de les fournir au dispositif batterie.Il baisse la tension et augmente l'intensité.
 
Donc on a: 4,7(A) x 35.2(V) = 165,44 Watts (soit 165 Watts) convertis en 7,19(A) x 23(V) = 165,37 Watts (soit 165 Watts)
 
Il y a une équivalence entre ce qui entre et ce qui sort du régulateur.
Si on veut être un peu plus précis et que l'on compte un rendement moyen de 95%, on a réellement 165W qui entrent et 157 qui ressortent.
C'est pas du 100% c'est sur mais c'est toujours mieux que dans le calcul sans MPPT où toujours avec une batterie à 23V on avait plus que 117,3W donc 71% de la puissance du panneau.
 
Avec ce type de régulateur on a des performances de charge de 30% de plus en moyenne par rapport au PWM.