Structure des régulateurs solaire :
Le régulateur solaire (appelé aussi contrôleur de charge) sert à réguler la charge de la batterie solaire, qui est alimentée par le panneau photovoltaïque : le niveau de charge des batteries solaires ne doit être ni trop bas ni trop haut sous peine d'endommager la batterie solaire et de réduire sa durée de vie.
Le régulateur solaire affiche en permanence l'état de fonctionnement du module photovoltaïque et l'état de charge de la batterie solaire. Cet affichage se fait soit au travers de LEDs, soit par l'intermédiaire d'un écran digital.
C'est un appareil complètement autonome, qui réalise toutes les opérations de mesure et correction de la charge de manière automatique. Les fonctionnalités classiques des régulateurs solaires sont :
- · affichage du niveau de charge
- · affichage des incidents (surcharge, décharge profonde, court-circuit)
- · protection contre la surcharge
- · protection contre la décharge profonde
- · protection contre les courts-circuits
- · protection des panneaux solaires photovoltaïques (contre les retours de charges électriques)
- · protection thermique (sonde des batteries)
Le régulateur de charge gère la recharge des batteries à 100% de leur capacité en 3 étapes (absorption-boost-floating) à partir des panneaux solaires. Par exemple Les panneaux solaires photovoltaïques 12V sont toujours conçus avec une tension supérieure à 17V. La tension d'une batterie n'est pas constante : elle oscille entre 11V quand la batterie est déchargée et presque 15V pendant la charge. La tension des panneaux et des batteries n'est jamais identique.
C'est donc la fonction du régulateur de charge de protéger la batterie dans l’installation photovoltaïque contre les risques de surcharge et de décharge profonde. Un régulateur solaire assure aussi les fonctions d'obstacle au courant inverse et de contrôle de la température, raison pour laquelle le régulateur doit toujours être installé à côté des batteries.
Schéma de principe
Parmi les familles de régulateurs solaire : PWM (régulateurs classiques) et les MPPT (régulateurs qui optimisent le courant sortant des panneaux pour charger les batteries).
Pour obtenir la meilleure production de l’installation solaire photovoltaïque, on peut utiliser un régulateur solaire MPPT.
Pour obtenir la meilleure production de l’installation solaire photovoltaïque, on peut utiliser un régulateur solaire MPPT.
Ce dispositif de Maximum Point Power Tracking recherche le point de puissance maximale de l’installation en modifiant la tension et l'intensité des panneaux selon l'état de charge du parc de batterie.
Les algorithmes de commande :
Le comportement d’un module PV connecté à une charge est caractérisé par des courbes non-linéaires courant-tension et puissance-tension.
Ces courbes sont tracées à température ambiante constante et ensoleillement constant.
Pour un éclairement et une température donnés, la tension en circuit ouvert ou à forte charge est à peu près constante (assimilable à une source de tension),
En court-circuit ou à faible charge le courant est pratiquement constant (source de courant).
Le générateur n’est alors ni vraiment une source de tension ni vraiment une source de courant non plus.
Pmpp est le maximum de puissance potentiellement disponible à la sortie du panneau. Pmpp dépend des paramètres physiques du panneau et des conditions météorologiques
Contrôle MPPT : Perturber et Observer
L’algorithme P&O est basé sur la perturbation du système par l’augmentation ou la diminution de Vref (tension du PV) en agissant directement sur le rapport cyclique du convertisseur DC-DC, puis l’observation de l’effet sur la puissance de sortie du panneau. Si la valeur de la puissance actuelle P(k) du panneau est supérieure à la valeur précédente P(k-1) alors on garde la même direction de perturbation précédente sinon on inverse la perturbation du cycle précédent.
Le maximum de puissance peut être traqué en effectuant des comparaisons à chaque instant de la valeur de la conductance (Ipv/Vpv) avec celle de l’incrément de conductance (ΔIpv/ΔVpv),
Hill Climbing :
Cette méthode est basée sur la relation entre la puissance du panneau et la valeur du rapport cyclique appliqué. Mathématiquement, le PPM est atteinte lorsque dPpv/dD est forcé à zéro par la commande, comme le montre la figure.
La variable Slope correspond à une variable qui prend la valeur « 1 » ou « -1 » suivant la direction que l’on doit donner à la recherche pour augmenter la puissance en sortie du panneau. a représente la variable d’incrément du rapport cyclique.
Le mode de fonctionnement de ces commandes est basé sur des relations approximativement linéaires, entre les paramètres optimaux caractérisant le PPM de coordonnées (Vopt et Iopt) et les paramètres caractérisant le module PV ; à savoir (Vco et Icc).
Vppm = kv Vco Ippm = ki Icc
* Algorithme de la commande FOC (méthode de la tension de circuit ouvert fractionnaire) (Fractional Open-Circuit Voltage)
Kv correspondant à un facteur de tension dont sa valeur dépend du GPV utilisé et de la température de fonctionnement. Généralement, pour des GPV en Si, Kv il est compris entre 0.71 et 0.78.
Méthodes de charges aux batteries Plomb-acide :
Une batterie au plomb acide est un ensemble d’éléments de 2 volts connectés en série pour obtenir la tension d’utilisation désirée. Ces éléments sont constitués de plaques positives et négatives, assemblées en alternance.
Ces plaques sont recouvertes de matières actives-bioxyde de plomb pour la positive et plomb spongieux pour la négative. Ces électrodes plongent dans une solution d’acide sulfurique, la quantité de matières formées donne une capacité plus ou moins grande.
La batterie au plomb acide est la forme de stockage de l’énergie électrique la plus courante, en raison de son coût qui est relativement faible et d’une large disponibilité.
Par contre, les batteries nickel-cadmium sont plus chères, elles sont utilisées dans les applications où la fiabilité est vitale
La charge :
Pendant la charge, les ions sulfates, du sulfate de Plomb, sont progressivement libérés sous forme d’ions HSO4
- dans l’électrolyte. Il en résulte une augmentation de la concentration d’acide sulfurique dans l’électrolyte. La concentration d'acide croît rapidement à proximité de l'interface réactionnelle. Ce phénomène est amplifié, côté positif, par une consommation d'eau. En fin de charge (point M), on note un accroissement rapide de la tension, Les plaques complètement polarisées ne retiennent plus de courant, car la densité de matériel actif baisse. Ce courant tend alors à électrolyser l’eau, produisant de l’oxygène et de l’hydrogène (O2 sur l’électrode positive et H2 sur l’électrode négative). Ce phénomène est appelé gazéification
Évolution de la tension durant la charge d’un accumulateur au plomb-acide
La décharge :
La capacité dépend du régime auquel est effectuée la décharge. Plus le temps de la décharge n’est court, donc le régime élevé, plus la capacité est faible. La fin de décharge est déterminée par une tension d’arrêt fixée de la façon suivante :
Sur la courbe de tension en fonction du temps lors d’une décharge, une chute brutale de la tension vers la fin de décharge est observée. La tension d’arrêt est une valeur choisie avant cette chute. Cette valeur dépend du régime de décharge.
Évolution de la tension durant la décharge d’un accumulateur au plomb-acide
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Pour un éclairement et une température donnés, la tension en circuit ouvert ou à forte charge est à peu près constante (assimilable à une source de tension),
En court-circuit ou à faible charge le courant est pratiquement constant (source de courant).
Le générateur n’est alors ni vraiment une source de tension ni vraiment une source de courant non plus.
Pmpp est le maximum de puissance potentiellement disponible à la sortie du panneau. Pmpp dépend des paramètres physiques du panneau et des conditions météorologiques
Contrôle MPPT
La commande MPPT délivre l’action de contrôle appropriée afin de suivre le point de puissance maximale en chaque instantContrôle MPPT : Perturber et Observer
L’algorithme P&O est basé sur la perturbation du système par l’augmentation ou la diminution de Vref (tension du PV) en agissant directement sur le rapport cyclique du convertisseur DC-DC, puis l’observation de l’effet sur la puissance de sortie du panneau. Si la valeur de la puissance actuelle P(k) du panneau est supérieure à la valeur précédente P(k-1) alors on garde la même direction de perturbation précédente sinon on inverse la perturbation du cycle précédent.
Incrément de la Conductance (INC) :
Le maximum de puissance peut être traqué en effectuant des comparaisons à chaque instant de la valeur de la conductance (Ipv/Vpv) avec celle de l’incrément de conductance (ΔIpv/ΔVpv),
Hill Climbing :
Cette méthode est basée sur la relation entre la puissance du panneau et la valeur du rapport cyclique appliqué. Mathématiquement, le PPM est atteinte lorsque dPpv/dD est forcé à zéro par la commande, comme le montre la figure.
La variable Slope correspond à une variable qui prend la valeur « 1 » ou « -1 » suivant la direction que l’on doit donner à la recherche pour augmenter la puissance en sortie du panneau. a représente la variable d’incrément du rapport cyclique.
Commandes basées sur les fractions de Voc ou de Icc
Le mode de fonctionnement de ces commandes est basé sur des relations approximativement linéaires, entre les paramètres optimaux caractérisant le PPM de coordonnées (Vopt et Iopt) et les paramètres caractérisant le module PV ; à savoir (Vco et Icc).
Vppm = kv Vco Ippm = ki Icc
* Algorithme de la commande FOC (méthode de la tension de circuit ouvert fractionnaire) (Fractional Open-Circuit Voltage)
Kv correspondant à un facteur de tension dont sa valeur dépend du GPV utilisé et de la température de fonctionnement. Généralement, pour des GPV en Si, Kv il est compris entre 0.71 et 0.78.
Méthodes de charges aux batteries Plomb-acide :
Une batterie au plomb acide est un ensemble d’éléments de 2 volts connectés en série pour obtenir la tension d’utilisation désirée. Ces éléments sont constitués de plaques positives et négatives, assemblées en alternance.
Ces plaques sont recouvertes de matières actives-bioxyde de plomb pour la positive et plomb spongieux pour la négative. Ces électrodes plongent dans une solution d’acide sulfurique, la quantité de matières formées donne une capacité plus ou moins grande.
La batterie au plomb acide est la forme de stockage de l’énergie électrique la plus courante, en raison de son coût qui est relativement faible et d’une large disponibilité.
Par contre, les batteries nickel-cadmium sont plus chères, elles sont utilisées dans les applications où la fiabilité est vitale
La charge :
Pendant la charge, les ions sulfates, du sulfate de Plomb, sont progressivement libérés sous forme d’ions HSO4
- dans l’électrolyte. Il en résulte une augmentation de la concentration d’acide sulfurique dans l’électrolyte. La concentration d'acide croît rapidement à proximité de l'interface réactionnelle. Ce phénomène est amplifié, côté positif, par une consommation d'eau. En fin de charge (point M), on note un accroissement rapide de la tension, Les plaques complètement polarisées ne retiennent plus de courant, car la densité de matériel actif baisse. Ce courant tend alors à électrolyser l’eau, produisant de l’oxygène et de l’hydrogène (O2 sur l’électrode positive et H2 sur l’électrode négative). Ce phénomène est appelé gazéification
Évolution de la tension durant la charge d’un accumulateur au plomb-acide
La décharge :
La capacité dépend du régime auquel est effectuée la décharge. Plus le temps de la décharge n’est court, donc le régime élevé, plus la capacité est faible. La fin de décharge est déterminée par une tension d’arrêt fixée de la façon suivante :
Sur la courbe de tension en fonction du temps lors d’une décharge, une chute brutale de la tension vers la fin de décharge est observée. La tension d’arrêt est une valeur choisie avant cette chute. Cette valeur dépend du régime de décharge.
Évolution de la tension durant la décharge d’un accumulateur au plomb-acide
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