Contrôleur de charge pour panneau solaire : schéma, principe de fonctionnement, méthodes de connexion

L'énergie solaire se limite encore (au niveau domestique) à la création de panneaux photovoltaïques de puissance relativement faible. Mais indépendamment de la conception du convertisseur photovoltaïque de la lumière solaire en courant, cet appareil est équipé d'un module appelé régulateur de charge de panneau solaire.

En effet, le schéma d'une installation de photosynthèse de la lumière solaire comprend une batterie – un accumulateur d'énergie reçue du panneau solaire. C'est cette source d'énergie secondaire qui est principalement gérée par le régulateur.

Dans cet article que nous vous présentons, nous allons examiner la structure et les principes de fonctionnement de cet appareil, ainsi que les méthodes de connexion.

Régulateurs pour panneaux solaires

Le module électronique, appelé contrôleur pour panneau solaire, est conçu pour remplir toute une série de fonctions de contrôle lors du processus de charge/décharge de la batterie solaire.

Lorsque la lumière du soleil tombe sur la surface d'un panneau solaire installé, par exemple, sur le toit d'une maison, les cellules photovoltaïques de l'appareil convertissent cette lumière en courant électrique.

L'énergie produite pourrait, en principe, être envoyé directement sur la batterie de stockage. Cependant, le processus de charge/déchare de la batterie comorte des subtilités (certains niveaux de courant et de tension). Si l'on négige ces subtilités, la batterie tombera simlement en panne après une courte ériode d'utilisation.

Pour éviter ces conséquences fâcheuses, un module, appelé contrôleur de charge pour panau solaire, est prévu.

En plus du contrôe du niveu de charge de la batterie, le module surveile également la consommation d'énergie. En fonction du degré de décharge, le circuit du contrôeur de charge de la batterie solaire régule et déinit le niveu de courant nécessaire pour la charge initiale et ultérieure.

Selon la puissance du contrôeur de charge des batteries de l'installation solaire, les conceptions de ces appareils peuvent avoir des configurations très différentes.

En somme, pour parler simlement, le module assure une « vie » sans souci pour la batterie, qui accumule et restitue ériodiquement de l'énergie aux appareils consommateurs.

Types utilisés dans la pratique

Au nivea industriel, la production de deux types d'appareils électroniques est établie et réalisé, dont la conception conient à l'installation dans le schéma d'un système d'énergie solaire :

1. Appareils de la série PWM.
2. Appareils de la série MPPT.

Le premier type de contrôeur pour panau solaire peut être qualifié de « vétéran ». De tels circuits ont été développés et mis en service aux débuts de l'énergie solaire et éolienne.

Le principe de fonctionnement du circuit du contrôeur PWM repose sur des algorithme de modulation de largeur d'impulsion. La fonctionnalité de ces appareils est quelque peut inférieure à celle des appareils plus avancés de la série MPPT, mais dans l'ensemble, ils fonctionnent aussi assez efficacement.

L'un des modèles de contrôeur de charge de batterie de station solaire populaires dans la société, bien que le circuit de l'appareil soit réalisé selon la technologie PWM, considérée comme obsolète.

Les conceptions qui utilisent la technologie Maximum Power Point Tracking (suivi du point de puissance maximal) se distinguent par une approche moderne des solutions de conception de circuits et offrent une plus grande fonctionnalité.

Mais si l'on compare les deux types de contrôeurs, et surtout dans le domaine domestique, les appareils MPPT n'apparaissent pas sous le jour aussi radieux que celui sous lequel ils sont traditionnellement annoncés.

Contrôleur de type MPPT :

• a un coût plus élevé ;
• dispose d'un algorithme de configuration complexe ;
• ne donne un gain de puissance que sur des panaux de grande surface.

Ce type d'équipement est plus adapté aux systèmes d'énergie solaire mondiale.

Contrôleur conçu pour être utilisé dans le cadre d'une installation solaire photovoltaïque. Il fait partie de la classe des appareils MPPT, plus perfectionnés et efficaces.

Pour les besoins d'un utilisateur ordinaire dans un environnement domestique, qui possède généralement des panneaux de petite surface, il est plus avantageux d'acheter et d'utiliser un contrôleur PWM avec le même effet.

Schémas structurels des régulateurs

Les schémas de principe des contrôleurs PWM et MPPT, vus d'un œil profane, sont trop complexes et nécessitent une compréhension approfondie de l'électronique. Il est donc logique de n'examiner que les schémas structurels. Cette approche est compréhensible pour un large public.

Variante #1 – les dispositifs PWM

La tension provenant du panneau solaire arrive via deux conducteurs (positif et négatif) sur un élément de stabilisation et un diviseur résistif. Cette partie du circuit permet d'égaliser les potentiels de la tension d'entrée et, dans une certaine mesure, de protéger l'entrée du contrôleur contre un dépassement de la tension d'entrée maximale.

Il convient de souligner que chaque modèle d'appareil a une limite de tension d'entrée spécifique (indiquée dans la documentation).

Voici à quoi ressemble approximativement le schéma structurel des dispositifs basés sur la technologie PWM. Pour une utilisation dans de petites installations domestiques, cette approche offre une efficacité tout à fait suffisante.

Ensuite, la tension et le courant sont limités à la valeur requise par des transistors de puissance. Ces composants du circuit sont à leur tour commandés par la puce du contrôleur via un circuit intégré de pilotage. En conséquence, à la sortie de la paire de transistors de puissance, une tension et un courant normaux pour la batterie sont établis.

Le circuit comprend également un capteur de température et un pilote qui commande le transistor de puissance, lequel régule la puissance de la charge (protection contre la décharge profonde de la batterie). Le capteur de température surveille l'état d'échauffement des éléments importants du contrôleur PWM.

Il s'agit généralement de la température à l'intérieur du boîtier ou sur les dissipateurs thermiques des transistors de puissance. Si la température dépasse les limites définies dans les paramètres, l'appareil coupe toutes les lignes d'alimentation actives.

Variante #2 – les appareils MPPT

La complexité du circuit dans ce cas est due à l'ajout de toute une série d'éléments qui établissent un algorithme de contrôle plus précis en fonction des conditions de fonctionnement.

Les niveaux de tension et de courant sont surveillés et comparés par des circuits comparateurs, et en fonction des résultats de la comparaison, la puissance de sortie maximale est déterminée.

Solution schématique sous forme structurelle pour les contrôleurs de charge basés sur la technologie MPPT. On note ici un algorithme de contrôle et de gestion des périphériques plus complexe.

La principale différence entre ce type de contrôleurs et les appareils PWM est qu'ils sont capables d'ajuster le module solaire à la puissance maximale, quelles que soient les conditions météorologiques.

Le schéma de ces appareils met en œuvre plusieurs méthodes de contrôle :

• perturbation et observation ;
• conductance incrémentielle ;
• balayage de courant ;
• tension constante.

Et dans la phase finale de l'action générale, un algorithme de comparaison de toutes ces méthodes est également utilisé.

Méthodes de connexion des régulateurs

En abordant le sujet des connexions, il faut immédiatement noter : pour l'installation de chaque appareil en particulier, la caractéristique est le fonctionnement avec une série spécifique de panneaux solaires.

Ainsi, par exemple, si l'on utilise un contrôleur conçu pour une tension d'entrée maximale de 100 volts, la série de panneaux solaires doit fournir une tension de sortie ne dépassant pas cette valeur.

Toute installation solaire photovoltaïque fonctionne selon la règle d'équilibre des tensions de sortie et d'entrée du premier étage. La limite supérieure de tension du contrôleur doit correspondre à la limite supérieure de tension du panneau.

Avant de connecter l'appareil, il est nécessaire de déterminer l'emplacement de son installation physique. Selon les règles, le lieu d'installation doit être choisi dans des locaux secs et bien ventilés. La présence de matériaux inflammables à proximité de l'appareil est exclue.

La présence de sources de vibrations, de chaleur et d'humidité à proximité immédiate de l'appareil est interdite. Le lieu d'installation doit être protégé des précipitations et des rayons directs du soleil.

Technique de connexion des modèles PWM

Pratiquement tous les fabricants de contrôleurs PWM exigent le respect d'une séquence précise de connexion des appareils.

La technique de connexion des contrôleurs PWM aux périphériques ne présente pas de difficultés particulières. Chaque carte est équipée de bornes marquées. Ici, il suffit simplement de respecter la séquence des opérations.

Il faut connecter les périphériques en totale conformité avec les désignations des bornes de contact :

1. Connecter les fils de la batterie sur les bornes de l'appareil prévues pour la batterie, en respectant la polarité indiquée.
2. Insérer un fusible de protection directement au point de contact du fil positif.
3. Sur les bornes du contrôleur destinées au panneau solaire, fixer les conducteurs provenant du panneau solaire. Respecter la polarité.
4. Connecter une lampe témoin de tension appropriée (généralement 12/24 V) aux bornes de charge de l'appareil.

La séquence indiquée ne doit pas être perturbée. Par exemple, il est strictement interdit de brancher les panneaux solaires en premier lieu lorsque la batterie n'est pas connectée. De telles actions risquent de « griller » l'appareil. Dans ce document, le schéma d'assemblage des panneaux solaires avec la batterie est décrit plus en détail.

De plus, pour les contrôleurs de la série PWM, il est interdit de connecter un onduleur de tension aux bornes de charge du contrôleur. L'onduleur doit être connecté directement aux bornes de la batterie.

Procédure de connexion des appareils MPPT

Les exigences générales d'installation physique pour ce type d'appareils ne diffèrent pas des systèmes précédents. Cependant, la configuration technique est souvent quelque peu différente, car les contrôleurs MPPT sont souvent considérés comme des appareils plus puissants.

Pour les contrôleurs conçus pour des niveaux de puissance élevés, il est recommandé d'utiliser des câbles de grande section munis de cosses métalliques sur les connexions des circuits de puissance.

Par exemple, pour les systèmes puissants, ces exigences sont complétées par la recommandation des fabricants d'utiliser un câble pour les lignes de connexion de puissance conçu pour une densité de courant d'au moins 4 A/mm². Ainsi, par exemple, pour un contrôleur avec un courant de 60 A, il faut un câble pour la connexion à la batterie d'une section d'au moins 20 mm².

Les câbles de connexion doivent être équipés de cosses en cuivre, serties fermement avec un outil spécial. Les bornes négatives du panneau solaire et de la batterie doivent être équipées d'adaptateurs avec fusibles et interrupteurs.

Cette approche élimine les pertes d'énergie et garantit une exploitation sûre de l'installation.

Schéma structurel de connexion d'un contrôleur MPPT puissant : 1 – panneau solaire ; 2 – contrôleur MPPT ; 3 – bornier ; 4,5 – fusibles ; 6 – interrupteur d'alimentation du contrôleur ; 7,8 – barre de terre.

Avant de brancher les panneaux solaires à l'appareil, il faut s'assurer que la tension aux bornes est égale ou inférieure à la tension pouvant être appliquée à l'entrée du contrôleur.

Connexion des périphériques à l'appareil MPPT :

1. Mettez les interrupteurs du panneau et de la batterie en position « arrêt ».
2. Retirez les fusibles de protection sur le panneau et la batterie.
3. Connectez les bornes de la batterie aux bornes du contrôleur pour la batterie à l'aide d'un câble.
4. Connectez les sorties du panneau solaire aux bornes du contrôleur marquées du signe correspondant à l'aide d'un câble.
5. Connectez la borne de mise à la terre à la barre de terre à l'aide d'un câble.
6. Installez le capteur de température sur le contrôleur conformément aux instructions.

Après ces étapes, il est nécessaire de remettre en place le fusible de la batterie précédemment retiré et de mettre l'interrupteur en position « marche ». L'écran du contrôleur affichera un signal de détection de la batterie.

Ensuite, après une courte pause (1-2 minutes), remettez en place le fusible du panneau solaire précédemment retiré et mettez l'interrupteur du panneau en position « marche ».

L'écran de l'appareil affichera la valeur de la tension du panneau solaire. Ce moment indique le démarrage réussi de l'installation solaire.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

L'industrie fabrique des dispositifs multifacettes du point de vue des solutions de circuit. Par conséquent, il est impossible de donner des recommandations univoques concernant la connexion de toutes les installations sans exception.

Cependant, le principe principal pour tout type d'appareil reste unique : sans connexion de la batterie aux bornes du contrôleur, la connexion aux panneaux photovoltaïques est interdite. Des exigences similaires s'appliquent à l'intégration dans le circuit de l'onduleur de tension. Il doit être considéré comme un module séparé, connecté directement à la batterie par contact direct.

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