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Le générateur photovoltaïque autonome
- Le générateur photovoltaïque autonome
Principe
de fonctionnement
Le générateur photovoltaïque autonome comprend 5 sous-ensembles :
- - Le champ de modules : produit l’énergie
- - Le système de régulation : gère le système
- - Le parc de batterie :stocke l’énergie
- - L’onduleur :transforme l’énergie (optionnel)
- - Le groupe électrogène d’appoint (optionnel) :fournit une énergie d’appoint
Shéma de principe d'un
générateur
autonome :
L'onduleur est facultatif si les appareils alimentés fonctionnent en courant continu.
Le champ de modules ou panneaux photovoltaïques
Le nombre de modules qui constituent le générateur est déterminé à partir des besoins en énergie électrique du futur utilisateur et des caractéristiques climatiques du site : ensoleillement, température. Les modules utilisés ont une tension nominale supérieure à 12 V et fournissent un courant continu mais variable, ne dépendant que de l’ensoleillement, de la température et des caractéristiques de fabrication.Les modules sont connectés en parallèle pour augmenter le courant, et en série pour augmenter la tension (24V, 48V,...)
C'est la batterie qui va fixer la tension du système.
Le système de régulation, les régulateurs
Le régulateur du générateur assure plusieurs fonctions :- Régulation de la charge de la batterie par limitation de la tension pour éviter les surcharges
- Limitation de la décharge de la batterie par délestage de l’utilisation, pour éviter les décharges trop profondes risquant d’endommager la batterie.
- Contrôle du fonctionnement du générateur, par voyants et appareils de mesure : ampèremètre, voltmètre, compteur d’énergie, enregistreur de données .
- Commande des onduleurs et des chargeurs s’il y en a.
Les régulateurs les plus performants possèdent les options suivantes :
- Recherche du point de fonctionnement maximum de la charge et de la décharge de la batterie (MPPT= Maximum Power Point Tracking).
- Charge à 3 étapes : pulsée (Bulk), absorption et entretien (float).
- Compensation de température (un fonctionnement à une température supérieure à la température nominale de 20°C et à tension constante doublera le courant de charge)
Ces fonctions visent à augmenter la durée de vie de la batterie et à optimiser son fonctionnement.
Courbe de charge à 3 étapes: pulsée
(Bulk), absorption et entretien
(float).
La batterie d'accumulateurs
Les caractéristiques de l’énergie solaire imposent d’utiliser un organe de stockage de l’énergie électrique dans les installations autonomes.Ses fonctions sont les suivantes :
- répondre au décalage production/consommation, jour/nuit
- permettre une régulation du système : l’ électricité produite par les modules solaires n’est pas constante (fonction de l’ensoleillement) donc pas toujours utilisable directement par les récepteurs.
Les accumulateurs solaires sont des accumulateurs spécialement adaptés pour ces applications et sont différents des batteries de démarrage pour véhicules.
Les plus utilisés sont des accumulateurs stationnaires au plomb (batterie plomb/acide). L’électrolyte est une solution d’acide sulfurique ( H2 SO4 ).
Un parc de batterie est constitué d’éléments de 2, 6, ou 12V. La tension et la capacité désirées s’obtiennent par un couplage série/parallèle des éléments.
La mise en série augmente la tension de la batterie.
La mise en parallèle augmente la capacité (Ah) de la batterie.
Exemple : 6 accumulateurs "2V - 100 Ah" en série = une batterie de 12V - 100 Ah
2 x 6 accumulateurs "2V - 100 Ah" en parallèle = une batterie de 12V - 200 Ah
Aptitude au cyclage
C’est le nombre de cycle charge/décharge que peut supporter une batterie avant une perte donnée de capacité. Ce nombre dépend principalement de la profondeur de décharge et du coefficient de recharge journalier.La plupart des accumulateurs solaires sont garantis pour environ 3000 cycles sous réserve d’une profondeur de décharge journalière limitée à 7% (soit une durée de vie de 8 à 10 ans).
Conservation de la charge, taux d’auto-décharge :
C’est l’aptitude de la batterie à conserver sa charge lorsqu’elle n’est pas utilisée. Le taux d’auto-décharge ne doit pas être supérieur à 3% par mois. Il dépend essentiellement de la température ( la décharge spontanée augmente avec l’élévation de température).Exemple : Pour une batterie SOLAR le taux d’auto-décharge est de :
2% à –5°C
2.5% à 25°C
10% à 45°C
2.5% à 25°C
10% à 45°C
Capacité des accumulateurs
La capacité d’un accumulateur est la quantité d’énergie qu’il peut stocker. Elle est mesurée en Ampère-heure (Ah) ou en Watt-heure (Wh) pour une tension d’utilisation fixée.Une consommation de 10 A pendant 10 heures représentera un cumul d'énergie de 100 Ah.
Attention !
Si l'appareil consomme 10 A et que le système a une tension de 12 V, le cumul d'énergie de 100 Ah sera équivalent à 240 Wh.
Si l'appareil consomme 10 A et que le système a une tension de 230 V, le cumul d'énergie de 100 ah sera équivalent à 2300 Wh.
Afin de préserver la batterie il ne faut jamais la décharger complètement. La profondeur de décharge maximale conseillée est de 80%. Aussi, la capacité réelle (Cr) de la batterie sera environ 1.25 fois supérieur à la capacité utile (Cu).
La capacité dépendra aussi du courant de charge et de décharge. Plus ce courant est faible et constant plus la capacité est importante. On définit la capacité pour une décharge ou une charge en 10 heures ( C10 ), en 100 heures (C100) etc.
Evolution de la capacité des éléments d’accumulateurs en fonction du temps de charge :
Exemple:SOLAR 190 :
La SOLAR 190 a une de capacité de 190 Ah en C100 (courant de décharge ou de charge de 1.9 A pendant 100 heures ). Elle aura une capacité de 125 Ah en C6 (courant de charge ou de décharge de 20.8 A pendant 6 h) et de 200Ah en C240.
Par ailleurs, ce courant ne doit jamais être supérieur à 25% de la capacité, c’est à dire qu’une batterie de 190 Ah ne doit pas être chargée ou déchargée avec un courant supérieur à 47.5A.
L’onduleur (facultatif)
L’onduleur est un appareil permettant de transformer le courant continu en courant alternatif et d’alimenter les appareil alternatifs à partir de l’énergie stockée dans la batterie.Certains onduleurs ont la particularité d’être réversibles. C’est à dire qu’ils sont aussi capables de transformer le courant alternatif provenant d’une autre source alternative (groupe électrogène, réseau, turbine hydroélectrique), en courant continu pour charger la batterie. Si cela n’est pas le cas on ajoute un chargeur indépendant.
Le graphique suivant représente le rendement type d’un onduleur. On remarque que le rendement maximal (90%) est rapidement atteint.
Le groupe électrogène
Le groupe électrogène est un générateur d’énergie électrique utilisant une énergie fossile (gasoil, fioul, gaz).Il sert de générateur d’appoint pour alimenter les appareils demandant une trop grande puissance ne pouvant être fournie par l’onduleur et utilisés ponctuellement (gros électroménager, outillage..;). Il peut aussi servir à recharger la batterie en cas de période de manque d’ensoleillement trop prolongée ou de surconsommation.
Le mieux est de prévoir un démarrage automatique du groupe en cas de baisse de tension des batteries (préférable à une alarme visuelle ou sonore), car il est impératif d'éviter une décharge profonde des accumulateurs.
L’armoire électrique
L’armoire électrique relie entre eux les différents éléments du générateur photovoltaïque autonome. Elle rassemble les protections réglementaires nécessaires à toute installation électrique (fusibles, disjoncteur, parafoudres ...). Elle doit être, le cas échéant, divisée en deux parties :- Une section TBT (Très Basse Tension, courant continu 12, 24, 48Vcc)
- Une section BT (Basse Tension, courant alternatif 220 Vca)
Comment mesurer les caractéristiques d'un panneau PV?
Pour mesurer les caractéristiques électriques d'un module photovoltaïque il faut un ampéremètre, un voltmètre et... du soleil !!!Commencez par mettre le panneau à la lumière.
Pour mesurer la tension à circuit ouvert (Uco ou Uoc) du panneau il faut régler le voltmètre sur tension continue, sélectionner le calibre adéquat et relier directement les bornes positives et négatives du module au voltmètre.
Pour mesurer le courant de court-circuit(Icc ou Isc) il faut réaliser la même procédure à l'aide d'un ampèremètre ou d'une pince ampèremétique mesurant le courant continu. Attention si le panneau est en plein soleil il y a un risque qu'un arc se produise, il est donc préférable d'utiliser une pince ampèremètrique qui mesure le courant DC. Si vous faites une mesure à l'ampèremètre attention à bien sélectionner le calibre.