Les chargeurs et contrôleurs moderne offrent tous les trois premiers type de charge. Les plus sophistiqués vont également offrir la fonction de désulfatation. Voici une vulgarisation scientifique des différentes fonctions de charge et leur utilité.
Les batteries à décharge profonde demande d’être rechargée en trois étapes distinctes. Ils ont besoin d’une charge rapide au départ où le voltage et l’ampérage sont augmentés rapidement. Cette phase rapide est suivie d’une charge lente afin de finaliser la recharge. Ensuite le voltage est abaissé et maintenu à valeur fixe.
Charge rapide (Bulk ou Boost) pendant le premier 75%
Lorsque la batterie est déchargée, il faut la charger rapidement pendant le premier 75% de sa charge. Le voltage est rapidement augmenté à sa valeur idéale en appliquant l’ampérage maximum que peuvent recevoir vos batteries (entre 20% et 40% de la capacité du parc de batteries) . Par exemple : si vous avez une banque de batteries au plomb de 12V et de 220 Amp/hr. Le chargeur idéal appliquera entre 44 et 88 Ampères jusqu’à ce que le voltage atteigne 14.6 V. Une fois le voltage atteint, le chargeur ira dans la phase de charge lente (Absorption ou Acceptante).
Charge lente les derniers 25% (Absorption)
Après la charge rapide, et lorsque le voltage maximum est atteint, le chargeur maintient le voltage élevé mais diminue rapidement le courant de charge afin de finaliser la recharge de la batterie.
Le courant est diminué jusqu’à environ 2 % de la capacité de la batterie. Dans l’exemple précédant (batteries de 220 Amp/hr), lorsque le courant est réduit à 4.4 Ampères, on considère que la batterie est complètement rechargée. Le chargeur va maintenant tomber en mode de maintiens (Float)
Charge de maintien (Float)
Lorsque la charge lente est terminée, le contrôleur ou chargeur, va baisser le voltage de la batterie à sa valeur idéal. C’est ±13.4 V pour une batterie au plomb. La charge de maintiens n’est pas vraiment une charge. Le contrôleur va fournir à la batterie seulement ce qu’elle a besoin afin de maintenir la tension à cette valeur. Lorsque la batterie est neuve, très souvent le chargeur ou contrôleur n’a même pas besoin de fournir du courant ou très peu de courant pour maintenir la tension à sa valeur idéale.
Types de contrôleurs
Il existe 4 types de contrôleurs sur le marché. Il est bon de les connaître :
- Interrupteur simple avec contrôle de voltage
- PWM
- MPPT
- Hybride
1. L’interrupteur simple est le premier type de contrôleur :
En fait, il s’agit simplement d’un interrupteur qui branche et débranche les panneaux des batteries à l’aide d’un comparateur de voltage et d’un relais de puissance. Il n’y a pas nécessairement de contrôle de courant de charge dans ce type de contrôleur. Ils peuvent brancher les panneaux directement aux batteries. Certains de ces contrôleurs peuvent utiliser un transistor pour contrôler le courant de charge. C’est une version améliorée mais ceci demeure une façon très rudimentaire de charger une batterie. Aujourd’hui il est très peu utilisé sauf pour les grosses installations où l’achat de contrôleurs sophistiqués de forte puissance devient prohibitif. Dans ce cas, il faut calculer la puissance des panneaux afin d’harmoniser-le tout avec les batteries.
2. PWM (Pulse Width Modulated) :
Le premier vrai contrôleur de charge. Il est habituellement limité à deux étapes de charge, soit la charge rapide « bulk ou boost » et la charge de maintient « float ». Par contre on voit de plus en plus de contrôleur PWM de meilleure qualité offrant les quartes types de charge, soit Boost, Absorption, float et Désulfatation.
Il permet d’abaisser le voltage des panneaux aux paramètres habituels de charge d’une batterie au plomb à décharge profonde (par défaut) afin de rapidement charger celle-ci. Une fois la tension nominale atteinte, le contrôleur va abaisser la tension à une valeur qui correspond à une tension de maintiens de charge sans toutefois appliquer beaucoup de courant. Ainsi les batteries demeurent chargées à une tension optimale sans bouillir, ce qui la détruirait. Ce type de contrôleur, aujourd’hui très économique, fonctionne très bien avec des panneaux conçus pour le voltage des batteries sur lequel il est branché. Il peut accepter différents types de batterie lorsque l’usager peut manuellement modifier les seuils de voltages pour les différentes étapes de charges (user define).
3. MPPT (Maximum Power Point Tracking) :
Le contrôleur MPPT est le plus sophistiqué et le plus efficace contrôleur actuel. Ce contrôleur vérifie à la fois l’état des batteries et le potentiel des panneaux. Il ajuste constamment le voltage du panneau afin de tirer le maximum d’énergie en tout temps (beau temps mauvais temps). Il est également équipé d’un convertisseur DC-DC afin de maximiser la conversion énergétique (de l’ordre de 97.5%). Finalement le cœur de l’appareil est un microprocesseur qui mari les panneaux et les batteries afin de tirer le maximum de l’énergie solaire disponible à tout moment donné. Grâce au microprocesseur, il devient aussi possible de stocker l’information de différent type de batteries, ce qui simplifie la vie de l’usager. Leur performance accrue, par rapport au contrôleur PWM, devient très évidement lorsque les panneaux utilisés ont un grand écart de voltage par rapport à la batterie rechargée.
4. Hybride :
Le contrôleur hybride peut être un PWM comme un MPPT. Il s’agit en fait d’un contrôleur qui accepte deux sources d’énergie pour charger une seule banque de batteries. Les plus fréquents sont les contrôleurs hybrides pour panneaux solaires et éoliennes. Un avantage c’est que vous avez moins de fil et d’appareil pour charger les batteries. Un désavantage c’est lorsque l’appareil brise, toutes vos sources de charge cessent de charger les batteries. Souvent le contrôleur hybride se sert des panneaux comme un œil magique afin d’allumer ou éteindre une lumière automatiquement.
La différence entre un contrôleur PWM et MPPT
- PWM (Pulse Width Modulated)
- MPPT (Maximum Power Point Tracking)
Ce texte ce veut une vulgarisation scientifique afin d’expliquer le plus simplement possible la différence entre les deux groupes de contrôleurs les plus disponibles sur le marché.
Introduction
Les panneaux solaires produisent toujours un voltage supérieur à celui des batteries. Pour charger une batterie sans l’endommager, on doit ajuster le voltage du panneau aux paramètres d’une batterie. Par exemple, pour une batterie au plombs à décharge profonde, on augmente le voltage jusqu’à 14.4 V (Phase initiale de charge boost et absoprtion). Ensuite on l’abaisse à ± 13.5 V (Phase de maintiens Float). Les contrôleurs PWM et MPPT le font différemment. Certain contrôleur MPPT offre aussi une phase d’entretiens des plaques de plombs, la désalphatant (Equalisation).
Contrôleur PWM (Pulse Width Modulated)
PWM est un acronyme anglais qui veut dire Pulse With Modulated. En Français ça se traduit MLI ou modulation de largeur d’impulsions. En gros, la technique consiste à pulser la tension d’origine de façon à obtenir une valeur moindre que la tension originale.
Imaginez par exemple que votre panneau vous donne 28.8 V et que vous vouliez avoir 14.4 V pour charger la batterie. Il suffirait de pulser la tension d’origine (28.8V) avec un pulse qui est de 50% (on) et 50% (off) pour avoir une moyenne de 14.4 V. C’est ce qu’on appelle un Duty Cylce de 50%.
C’est dit simplement mais c’est exactement de cette façon que le PWM fonctionne. En fait le contrôleur PWM gaspille ou plutôt n’utilise pas l’excédant de voltage du panneau afin d’arriver au bon voltage de la batterie. Avec un contrôleur PWM, il est important d’utiliser des panneaux solaire dont la tension d’opération soit légèrement supérieur à celle des batteries que l’on veut charger.
Regardez ces deux exemples de panneau :
- Panneau no.1 : tension d’opération = 18V
- Panneau no.2 : tension d’opération = 30V
Batterie de 12V (nécessite 14.4 V pour une charge complète)
Ex.1 : Le Duty Cycle sera de 14.4 V / 18 V = 80%. Soit 80 % (on) et 20% (off). Il y a dans les fait un gaspillage potentiel de 20%.
Ex.1 : Le Duty Cycle sera de 14.4 V / 30 V = 48%. Soit 48 % (on) et 52% (off). Il y a dans les fait un gaspillage potentiel de 52%.
On remarque ainsi que plus l’écart de voltage entre la batterie et le panneau est grand, plus il y aura du gaspillage d’énergie.
Contrôleur MPPT (Maximum Power Point Tracking)
Le cœur du contrôleur MPPT est microcontrôleur qui contrôle convertisseur DC-DC. Un convertisseur DC-DC utilise un PWM et des transformateurs (inductances) et condensateurs afin d’en faire un véritable transformateur de courant continu. Dans la figure ici bas, il est représenté par le DC-DC Power Converter.
La puissance des panneaux solaires est comme vous le savez, fonction de la lumière reçue. Hors le matin, en fin de journée ou lors des journées nuageuses, l’ensoleillement n’est pas idéal et la production d’énergie du panneau est loin de son maximum potentiel. C’est alors que le MPPT est utile car il surveille les performances du panneau en temps réel et va chercher son maximum sans le surcharger. Il ajuste donc la modulation du pulse (Duty Cycle) afin d’optimiser la puissance de sortie du panneau en fonction de la puissance disponible selon l’éclairage du moment.
Pour mieux comprendre, il faut se rappeler de la formule de la puissance. La puissance (P) en Watt est égale au Courant (I) en Ampère multiplié par la tension (E) en Volt.
P = I x E.
La courbe du courant et voltage d’un panneau solaire ressemble à ceci :
On note que le courant d’un panneau est pas mal constant alors que le voltage, lui varie beaucoup en fonction de la lumière reçue. La puissance maximum (P max) est alors égale lorsque le courant et le voltage sont au maximum. Le contrôleur MPPT vérifie en temps réel ces données et ajuste le transformateur DC-DC en modulant le pulse du (PWM) afin d’optimiser cette puissance disponible sans surcharger inutilement le panneau. Il s’assure que la charge demandée au panneau correspond et ne dépasse pas le VMP. C’est ça grande différence avec le contrôleur PWM ordinaire qui lui opère entre le VMP et le VOC.
Le rendement énergétique d’un MPPT moderne sera de l’ordre de 90 à 95%. Cette petite différence prends tout son importance lorsque vos panneaux sont à la limite de vos besoins énergétiques. La différence sera encore plus grande lorsque les journées ne sont pas idéal. Alors que le MPPT ira toujours chercher le maximum du panneau, le contrôleur PWM risque de tirer moins d’énergie qu’il pourrait parce qu’il en demande plus que le panneau peut fournir et cause une chute de tension des panneaux qui entraine une réduction de puissance total disponible..
Les stades de charge intelligent.
Le micro processeur incorporé dans ce contrôleur fournisse un autre avantage sur le PWM. Il permet de stocker un programme qui comporte les paramètres complets de plusieurs types de batteries. En effet, certain modèle de contrôleur MPPT comme les SL-xx peuvent accepter 8 types de batteries différent et ajuster la charge en fonction des paramètres précis de chaque type de batterie. La plupart des contrôleurs MPPT vont offrir la possibilité de charger une batterie en employant les 3 stades charges habituellement recommander par le manufacturier de batterie, soit la charge rapide (Bulk), la charge d’absorption et finalement la charge de maintiens (Float). Les plus sophistiqués des contrôleurs offriront aussi la charge de désalphatant (Equalisation) qui permet d’allonger la vie utile d’une batterie en nettoyant électriquement la surface de ses plaques. Voir ce texte pour plus d’information sur les types de charge.
Différences fondamental entre le MPPT et le PWM.
Le PWM abaisse la tension d’un panneau en gaspillant la tension qu’il n’a pas besoin. Avec le PWM, il faut utiliser des panneaux conçu pour vos batteries. Ex. pour des batteries de 12V, les panneaux doivent être entre 18V et 24V. Pour les batteries de 24V, les panneaux doivent être entre 30 et 40 V.
Le MPPT transforme la haute tension disponible en basse tension pour la batterie avec un rendement de l’ordre de 95%. Certain peuvent accepter jusqu’à 150 V et peuvent charger des batteries de 12V avec un minimum de perte de rendement.
Le PWM possède généralement deux phases de charge, soit le boost et le Float mais de nombreux nouveaus modèles offrentn maintenant les 4 stages (boost, Absoprtion, Float et désulphatage). Consultez la brochure du contrôleur.
Le MPPT possède toujours les trois plus importante phase de charge (Boost, Absorption et Float) et certain ont même le désalphatage (Equalisation).
En plein soleil de midi, il n’y aura pas grande différence de performance entre les deux types de contrôleur si les panneaux sont adapté aux batteries. La différence se manifeste surtout durant les conditions de faible éclairage (début et fin de journée ainsi que les journées nuageuses).
On peut espérer tirer entre 5 et 10% plus d’énergie avec un contrôleur MPPT qu’avec un contrôleur PWM sans microprocesseur durant les journées moins éclairé. Certains manufacturiers prétendent aller chercher jusqu’à 30%. C’est peut-être vrai mais seulement dans des conditions particulières comme les journées nuageuses ou au au lever et coucher du soleil ou par exemple si vous utiliser des panneaux à haut voltage pour des batteries de bas voltage.
Questions souvent demandées sur les contrôleurs :
Q– Comment choisir un contrôleur pour mon panneau ?
R– Les contrôleurs ont quatre données électriques qui sont indépendante l’une de l’autre. Ces données sont : le voltage et la puissance des panneaux solaires, l’ampérage de charge et le voltage des batteries. Tous ces paramètres sont facilement calculables à l’aide de la loi d’ohm. Voyez plus bas.
Q– Comment choisir l’ampérage de sortie du contrôleur ?
R– Les contrôleurs sont vendus en Ampère de sortie ou ampérage de charge des batteries. Pour choisir le bon contrôleur il faut calculer l’Ampérage de sortie maximum de que vos batteries recevront. Vous avez besoin des paramètres suivants : Puissance des panneaux et le Voltage total du groupe de batteries. La formule est : I = P / E
l’intensité du courant an Ampère :
La puissance des panneaux est divisée par le voltage des batteries à charger. Par ex., vous avez un panneau de 230 W et des batteries de 12 V. L’ampérage maximum de charge sera 230 W / 12 V = 19.16 Ampères. Sélectionner un contrôleur avec un minimum de 20 Ampères de sortie. Si vous avez des batteries de 24 V, alors le calcule est 230 W / 24 V = 9.58 A. Sélectionner un contrôleur de 10 A minimum.
Q – Si je veux mettre deux panneaux au lieu d’un seul, est que je double le contrôleur ?
R– Oui exactement. Chaque panneau de 230 W demande 19.1 A pour des batteries de 12 V ou 9.6 A pour des batteries de 24 V. Vous devez donc vous assurer que l’ampérage maximum du contrôleur sera supérieur à la somme de l’ampérage que les panneaux peuvent fournir. Vous devez donc choisir au choix un contrôleur du double d’ampérage ou deux contrôleurs en parallèle.
Q– Est-ce que le contrôleur peut être plus gros pour usage futur ?
R – Oui et c’est une bonne idée d’acheter un contrôleur capable d’accepter d’autres panneaux plus tard. Ça vous évite d’acheter de nouveau contrôleur…
Q– Peux t’on brancher des panneaux différents sur le même contrôleur ?
R– Oui s’ils ont tous le même voltage. Par exemple, nos panneaux de 220 W à 255 W ont tous 37 V et nos panneaux de 280 W à 300 W ont tous 48V. Les panneaux de chaque gamme peuvent être branchés ensemble. Le voltage demeure le même mais la puissance s’additionne. Ex. un panneau de 230 W + un panneau de 250 W vous donneront un total de puissance de 480 W à 37V. Un contrôleur de 40 Ampères sera suffisant mais limite : 480 W / 12 V = 40 Ampères.
Q– J’ai déjà un panneau solaire et un contrôleur de voltage différent, est-ce que je peux ajouter un autre contrôleur et panneau solaire ?
R– Oui vous pouvez ajouter autant de contrôleur que vous voulez sur les mêmes batteries. D’ailleurs vous pouvez également ajouter une éolienne, un alternateur, une génératrice etc. sur les mêmes batteries en autant que tous ces appareils aillent le même voltage de sortie soit celle de vos batteries.
En Conclusion
Si vous êtes limité en espace pour ajouter des panneaux, l’usage d’un contrôleur MPPT vous permettra de maximiser vos panneaux actuels. Mais si votre groupe de panneaux solaires est suffisant, à la fin de la journée, vos batteries seront tout aussi chargées avec un PWM même si ça pris une heure de plus qu’avec un MPPT.
Si vous utiliser des panneaux à haut voltage ou si vous brancher des panneaux en série, l’usage du MPPT est non seulement essentiel mais le seul véritable choix possible puisque les PWM vont non seulement gaspiller l’excédant mais sont souvent limité en voltage d’entrée.
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Une étude parue fin janvier 2020, dans la revue ACS Photonics, présente une invention en ce sens. Ce sont des « cellules anti-solaires », c’est-à-dire des cellules photovoltaïques aptes à produire de l’énergie même durant la nuit. Le projet est décrit par ses auteurs comme un « un concept photovoltaïque alternatif qui utilise la Terre comme source de chaleur et le ciel nocturne comme dissipateur de chaleur ». Paradoxalement, c’est grâce au processus du refroidissement du panneau solaire que l’on pourrait générer de l’énergie.
