Panneaux Solaires

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Panneaux Solaires

Comment ça marche?

Cellule photovoltaïque

Nous n'allons pas entrer en détail dans la description technique de la fabrication des panneaux solaires, mais ce qu'il faut retenir c'est que les panneaux solaires transforment la lumière en électricité.

Un panneau solaire est composé de plusieurs cellules photovoltaïques. Une cellule fait environ 5cm sur 5cm et produit au point optimum (MPP) environ 2,5A avec une tension de 0,35V[1].

Le panneau solaire est une source de courant: en fonction de l'éclairage la tension aux bornes du panneau solaire sera différente.

Types de panneaux solaires

Les panneaux solaires peuvent être differencies par:

  • la tension "nominale": 12V, 24V ou 48V: elle depend de la facon de monter les cellules des panneaux
  • la puissance : la puissance donnée par le constructeur est la puissance maximale que peut fournir le panneau solaire. L'unité de mesure est le Wc (Watt crête [2]) mais d'une manière générale on parle de W (Watts). On trouve des panneaux de 5W à 250W.
  • le matériaux de construction: monocristallin, polycristallins ou amorphes [3] [4].
  • le type de montage du panneau: en particulier il faut savoir si le panneau est équipé de diodes bypass. En effet, sans diodes bypass, une zone d'ombre sur 10% du panneau fait baisser la production de 90%.

Rendement

Le rendement est la partie de l'énergie solaire transformée en électricité. Plus il y a d'électricité produite, plus grand est le rendement.

Les panneaux monocristallins ont un meilleur rendement (16 à 19%) que les panneaux polycristallins (14% à 16%). [5].

Quant aux panneaux amorphes leur rendement est encore moindre: 5 à 9%.

Exemple de panneau

Voici un exemple de spécification de panneau solaire 12V[6]:

  • Puissance crête (Wc) selon CTS* : 90 Wc
  • Tolérance de la puissance : ±5 %
  • Courant à puissance max. (Imax) : 5,11 A
  • Tension à puissance max. (Vmax) : 17,60 V
  • Courant de court-circuit (Icc) : 5,36 A
  • Tension de circuit ouvert (Vco) : 22,20 V
  • T°c d’utilisation : -40°C à +85°C
  • Longueur : 1010 mm
  • Largeur : 676 mm
  • Epaisseur : 35 mm
  • Poids : 9 Kg

Diodes anti-retour

Diode

Les panneaux solaires n'aiment pas du tout qu'un courant électrique circule en sens inverse dans les panneaux.

Pour cela une diode qu'on appelle diode-antiretour est montée en série à la sortie du panneau solaire.

Pour rappel la diode est un petit composant électrique, dont le symbole est Diode.svg, qui ne laisse passer le courant que dans un sens - celui de la flèche.

La diode anti-retour ne doit pas être confondue avec les diodes bypass dont on a parlé précédemment.

La diode anti-retour sert à protéger le panneau solaire contre le courant inverse pouvant entrer dans le panneau. Un courant inverse voudrait dire que le panneau solaire se comporte en consommateur au lieu de producteur d’électricité. Or un panneau solaire n'est pas fait pour cela et ce courant inverse peut l'endommager.

Mise en place de la diode antiretour

Voici l'explication en dessins.

Le jour le panneau solaire produit de l'électricité. Le courant sort du panneau. Par contre la nuit, sans diode, la batterie se décharge dans le panneau, ce qui n'est bon ni pour la batterie ni pour le panneau solaire.

Le jours sans diode anti-retour
La nuit sans diode anti-retour

On met donc en série à la sortie du panneau solaire une diode. La nuit le courant qui voudrait entrer dans le panneau est bloqué. Et le jour tout va bien aussi.

La nuit avec une diode anti-retour
Le jour avec une diode anti-retour

Montage de panneaux solaire en parallèle

Afin d'augmenter la puissance électrique produite mais en gardant toujours la même tension, les panneaux solaires sont montés en parallèle.

Lorsque les panneaux solaires sont monté ainsi (en parallèle) les diodes anti-retour sont elles aussi obligatoires.

Voici pourquoi: si l'un des panneaux est ombragé alors il produit moins. Le courant électrique va être inversé dans le panneau (le courant entre dans le panneau).

Solar parallel nok.png

On met donc en place des diodes antiretour. Si vous vous demandez pourquoi on met des diodes anti retour sur tous les panneaux c'est qu'on ne sait pas à l'avance lequel sera ombragé.

Solar parallel ok.png

Montage avec de nombreux panneaux solaires

Dans le montage suivant nous avons placé de nombreux panneaux solaires. Les diodes anti retour servent seulement à ce que l'un des panneaux ne reçoive pas le courant venant des autres panneaux. Le courant ne peut pas venir de la batterie à cause du régulateur qui empêche la décharge de la batterie dans l'ensemble des panneaux.

Solar parallel many.png

Montage série

Nous n'allons pas décrire ici les montages série. Les montages série servent à augmenter la tension pour charger par exemple un système 24 ou 48V avec des panneaux 12V. Pour ces montages il faut mettre en place des diodes bypass.

Choix des diodes anti-retour en pratique

Dans toute diode il y a une faible chute de tension. Cette chute de tension est de l'ordre de 0,7 V pour les diodes à substrat silicium, 0,3 V pour le germanium et les diodes Schottky[7].

On va donc utiliser des diodes Schottky.

Ensuite il faut choisir le modelé de diode en fonction de la puissance du panneau solaire. Il faut que cette diode résiste au courant maximum pouvant être produit par le panneau Icc (intesite court-circuit). Si on ne connait pas Icc on peut l'estimer grâce à cette simple formule:

<math> I_{max} = \frac{P_{max}}{V_{nominal}} </math>

Et enfin on va choisir une diode qui résiste à une tension inverse qui correspond à la tension maximale pouvant être produite par un panneau solaire. Pour cela on peut se baser sur la tension à vide ou la tension en circuit ouvert donné dans les spécifications du panneau.

Avec le panneau solaire qui est donné en exemple, il faut donc choisir une diode Schottky qui résiste à une intensité de 5,36A et à une tension inverse de 22,20V. Une diode STPS10L25D convient parfaitement.

Voici quelques exemples de diodes[8]:

  • Diode Schottky STPS2L60: tension inverse max <math>V_{RRM}</math> 60V, courrant max <math>I_{F(AV)}</math> 2A, chute de tension <math>V_{F_{max}}</math> 0,6V, prix 0,30€HT
  • Diode Schottky STPS10L25D: tension inverse max <math>V_{RRM}</math> 25V, courrant max <math>I_{F(AV)}</math> 10A, chute de tension <math>V_{F_{max}}</math> 0,35V, prix 1,65€HT
  • Diode Schottky STPS15L25D: tension inverse max <math>V_{RRM}</math> 25V, courrant max <math>I_{F(AV)}</math> 15A, chute de tension <math>V_{F_{max}}</math> 0,35V, prix 2€HT


La diode se place dans le boîtier de raccordement (ou boîtier de jonction) à l’arrière du panneau solaire.

Il ne faut pas utiliser de panneau solaire sans diode anti-retour. Heureusement, la plupart des panneaux solaires sont équipés d'usine avec une diode anti-retour comme le panneau solaire donné en exemple.

Montages

Dans tous les montages qui suivent on suppose que les panneaux solaires sont équipés de diodes anti-retour.

Montage basique

Le circuit ci-dessous est le montage le plus basique possible. Il comprend un panneau solaire qui est directement connecté à l'appareil consommateur.

Solar basic fr.png

Ce montage basique à l'avantage d'être très simple.

Ses inconvénients sont le fait qu'il n'y a plus de courant quand il n'y a plus de lumière et surtout que la tension n'est pas régulée. En effet comme nous l'avons écrit dans la description des panneaux solaires, avec beaucoup de lumière un panneau 12V va délivrer une tension jusqu'à 19V et avec peu de lumière la tension sera très faible. Du coup si l'appareil à alimenter est une ampoule, il n'y aura pas trop de problèmes pour celle-ci à part que la puissance lumineuse sera variable, mais alimenter un appareil électronique avec ce type de montage est très dangereux pour celui-ci car le panneau solaire va surement endommager l’électronique.

Conclusion: montage à déconseiller en dehors des expérimentation de laboratoire.

Montage avec convertisseur DC/DC

Dans le montage avec convertisseur DC/DC le courant produit par le panneau solaire passe par un convertisseur DC/DC afin de réguler la tension.

Solar w dcdc.png

Comme dans le montage précédent, lorsqu'il n'y a pas de lumière, il n'y a pas d’électricité.

Par contre à l'inverse du montage précédent, la tension est régulée. L'appareil consommateur ne risque donc pas d'être endommagé.

Le rendement d'un convertisseur est d'environ 90%. C'est-à-dire que 10% de l’énergie produite par le panneau solaire est perdue.

Montage avec batterie

Voici le montage le plus simple avec une batterie.

Solar battery fr.png

Ce montage permet de faire fonctionner l'appareil consommateur même lorsqu'il n'y a plus de lumière.

Dans ce montage il n'y a plus de risques de surtension pour l'équipement qui consomme l'électricité car la tension est régulée par la batterie en fonction de la charge de celle-ci (11V à 15V pour un montage en 12V).

Par contre dans ce type de montage il faut faire attention à la puissance du panneau solaire par rapport à la capacité de la batterie pour ne pas surcharger celle-ci. Ici il y a un calcul à faire. Lorsque la batterie est complétement chargée le courant fourni par le panneau solaire ne doit pas dépasser le courant de charge de maintient de la batterie (1 à 3% de la capacité C20 de la batterie pour les batteries au plomb).

Par exemple:

  • Lorsque la batterie est complétement chargée et que l'équipement consommateur est arrêté, pour une batterie 12V de 100Ah le courant ne doit pas dépasser 3A donc il faudra un panneau de 40W.
  • Par contre si l'équipement consomme en continu par exemple 5A, alors on pourra utiliser un panneau solaire qui va délivrer 5+3A donc 96W.

Ce montage peut être utilisé sans risques sur un bateau, même avec des panneaux solaires plus importants, tant que quelqu'un est présent pour déconnecter les panneaux solaires ou mettre en marche un équipement qui va consommer l’électricité excédentaire.

Ce montage est aussi celui qui a le plus de rendement car aucun équipement électrique (régulateur, limiteur) n'est monté sur le circuit.

Montage avec limiteur de décharge

Afin de protéger les batteries d'une décharge profonde on peut utiliser le montage suivant qui utilise un limiteur de décharge.

Solar w lim fr.png

Le limiteur de décharge coupe l'alimentation du consommateur lorsque la tension délivrée par la batterie baisse sous une tension prédéfinie.

Pour un système en 12V le limiteur va couper par exemple lorsque la tension baisse en dessous de 10,8V et ne rétablir le courant que lorsque le courant revient à 12,5V. Cet appareil consomme 1,3mA[9].

Montage avec régulateur de charge

Afin de protéger les batteries contre une surcharge un régulateur de charge est utilisé comme dans ce montage:

Solar w reg fr.png

En fait il y a plusieurs sortes de régulateurs de charge:

  • régulateur shunt: ces anciens modèles de régulateurs dérivaient la production d'électricité vers une résistance chauffante.
  • régulateur série ou limiteur de charge: il coupe l’alimentation de la batterie par le panneau lorsqu'un seuil de tension est atteint.
  • le régulateur PWM (Pulse With Modulation): ce type de régulateur coupe et rétablit l'alimentation de la batterie plus ou moins vite afin d'atteindre une charge de 100% de la baterie[10]. Le rendement d'un régulateur PWM est de l'ordre de 80%.
  • le régulateur MPPT (Maximum Power Point Tracking): ce type de régulateur est un convertisseur DC/DC piloté par un micro-contrôleur afin d'obtenir le rendement maximum. Les régulateurs MPPT modernes permettent d’obtenir des rendements situés entre 92% et 97%[11].

Montage avec régulateur et limiteur

Afin de protéger les batteries contre la surcharge et contre la décharge profonde on peut combiner régulateur de charge et limiteur de charge comme dans l'exemple suivant:

Solar w lim reg.png

Montage avec un régulateur qui comprend un limiteur intégré

régulateur pour panneaux solaires

Enfin les régulateurs modernes combinent dans un même appareil régulateur de charge et limiteur de décharge.

Dans ce cas le montage se fait ainsi:

Solar w limreg int fr.png

Sur un régulateur avec limiteur intégré il n'y a pas obligation de connecter les consommateurs sur la sortie limiteur.

Montage complexe

Sur un bateau, étant donné que les producteurs d'énergie sont multiples (alternateur, éolienne, panneaux solaires, hydro-générateur) et que les consommateurs eux aussi sont multiples on préférera utiliser plutôt le montage avec régulateur et limiteur de décharge sépares. Le limiteur lui aussi ne sera pas forcement connecté sur tous les appareils. On mettra par exemple un limiteur sur le réfrigérateur mais pas sur la VHF ou la pompe de cale. De même, le limiteur de décharge ne sera pas branché sur le guindeau car il ne pourrait pas supporter l'intensité le traversant.

Références

  1. http://www.energieplus-lesite.be/index.php?id=16696
  2. http://www.actu-environnement.com/ae/dictionnaire_environnement/definition/watt_crete_wc.php4
  3. http://www.ampoule-leds.fr/solaire-c-75.html
  4. http://www.ecosources.info/dossiers/Types_de_cellules_photovoltaiques
  5. http://www.photovoltaique-industry.com/panneaux-photovoltaique.php
  6. http://www.solar-kit.com/epages/62035995.sf/fr_FR/?ObjectPath=/Shops/62035995/Products/ST90P-panneau-solaire-polycristallin-90w
  7. http://fr.wikipedia.org/wiki/Diode
  8. http://fr.farnell.com/
  9. http://www.philippi-online.de/index.php5?url=produkte.php5&m1id=2&sprache=fr&kat1_nr=5&kat2_nr=8
  10. http://www.arebor-energie.fr/encyclopedie/index.php/Le_r%C3%A9gulateur_de_type_PWM
  11. http://www.energiedouce.com/content/23-conseils-faq-tout-savoir-sur-les-regulateurs-mppt