Anthias
mail
3 connectés     # # #

Les panneaux solaires

  Cellule silicium, non cliquable 2.9 ko

Introduction
Soleil ou vent ?
Fonctionnement des panneaux
Montage au sol
Installation sur le voilier
Pompe de charge
Installation en 24 V
Relier points intermédiaires

Maj : 03/06/19

Abstract :
Photovoltaic systems to generate soft energy on the boat. Performances to compare with wind systems, installation and optimisation of output power. Charge pumps and voltage elevators.

Résumé :
Systèmes photovoltaïques pour générer de l'énergie douce sur le bateau. Performances à comparer aux systèmes éoliens. Installation et optimisation de la puissance de sortie. Pompe de charge et élévateurs de tension.

 

Cette page est un complément de la page L'énergie du bord , mise à jour est simplifiée de mon ancien site Voilelec qui n’est plus maintenu.

 

Introduction

Bonnes définitions extraites de l'Apex : La cellule photovoltaïque

/* La cellule photovoltaïque ou photopile est un composant électronique à semi-conducteur (silicium). L'absorption de la lumière crée des charges positives et négatives qui sont séparées et collectées par une grille en face avant et un contact en face arrière. Cette transformation directe de la lumière en électricité s'effectue sans pièces mobiles, sans bruit, sans pollution.
Les modules photovoltaïques, composés d'un ensemble de cellules connectées entre elles, transforment directement la lumière en électricité.
La batterie d'accumulateurs stocke l'énergie électrique produite pour pouvoir la restituer à tout moment (jour ou nuit, ensoleillement ou non) .
Le régulateur de charge-décharge protège la batterie contre les surcharges et décharges profondes et prolonge ainsi sa durée de vie . (Je traiterai cette partie dans la page "Batteries "). */

 Haut de page

Soleil ou vent ?

Ce chapitre est commun aux panneaux solaires et aérogénérateurs.

À force de naviguer entre les sacs plastiques et les plaques de mazout, vous devenez écologiste. Cette année vous équipez votre voilier en énergies douces. Vous allez investir quelques milliers d’euros pour vous acheter une conscience tranquille de vrai écologiste. Arrivé à ce stade une alternative vous apparaît : Soleil ou vent ?
Les deux exploitent les énergies douces, mais les problèmes sont très différents. Réfléchissez avant de vous lancer, voici les éléments de choix simplifiés au maximum :

Le vent

En zone bien ventée, l’aérogénérateur fonctionnera quasiment  toute l'année, jour et nuit, la moyenne peut être de  12 volts * 2 ampères = de l'ordre de 24 watts, soit en 24 heures, 24 W * 24 heures = environ 500 Whj.
Un demi kilowatt*heure par jour est alors possible en moyenne avec le meilleur matériel du marché. Le rendement est toujours optimal, l'aérogénérateur s'aligne sur le vent et demande peu d’entretien.

C'est beaucoup d'énergie en conditions optimales, de l'ordre de deux heures de marche au moteur (courant faible mais longtemps), toutefois sous le vent des îles et en périodes anticycloniques, l’énergie récoltée sera nulle.
Ce système a de gros défauts, avec un fort bruit généré, infrasons et vibrations très pénibles, ce qui explique le bout bloquant les pales sur les bateaux équipés, quand l'équipage est à bord.
En mouillage forain, on s'efforce toujours de trouver le coin le plus calme et le moins venté. Le rendement sera alors nul et le solaire sera beaucoup plus efficace.
Pendant l’hivernage, l’efficacité est excellente et les batteries seront chargées à bloc en arrivant au bateau.

Le soleil

Le rendement des panneaux est variable, suivant la saison et la latitude. L'été en Méditerranée c'est une bonne solution, sous les tropiques c'est incontournable.
Un simple petit panneau sous nos latitudes en été, fournira en moyenne autant d’énergie qu’un aérogénérateur, mais sans la moindre pollution !
Si le bateau le permet, en naviguant entre les cocotiers, la solution est de multiplier les panneaux sur un joli portique. C’est évidemment un gros investissement, mais vous aurez alors une énergie très abondante sans aucune nuisance, avec pour seule contrainte légère de rincer de temps en temps pour maintenir les panneaux propres.
Quelques mètres carrés de panneaux sur un portique dégradent évidemment la finesse du bateau et réduiront les performances au près serré, tout dépend si l’on navigue sur un Class America ou un catamaran de croisière.

C'est un vrai bonheur d'arriver à étaler sa consommation sans faire tourner le diesel dans un mouillage de rêve

 

Alors que choisir ?

C'est simple, pour un programme de voyage, il faut combiner toutes les énergies douces possibles. Ce n'est qu'une question de budget et de qualité d'installation. L'indépendance des sources complémentaires fiabilisera la gestion de l'énergie.
En vivant à bord, il n’y en aura jamais assez et le groupe électrogène et le chargeur secteur seront sollicités pour équilibrer le bilan.

 

Amélioration importante du rendement

Les aérogénérateurs et panneaux solaires souffrent du même problème. En conditions optimales, soleil tropical au midi perpendiculaire au panneau ou vent fort, le rendement est bon, l’énergie est maximale, proche de celle donnée sur la fiche du constructeur. En conditions normales, le rendement est faible et la tension trop basse pour charger efficacement.

Il existe un moyen évolué pour gonfler le flux d’énergie récupérable. Le principe d'un "booster" ou gonfleur est de monter un élévateur de tension piloté entre la source est la batterie.
Si la tension est trop basse, l’élévateur l’augmente peu à peu, le courant de charge augmente alors aussi. évidemment cela charge d’avantage la source qui à tendance à s’écrouler en tension. Il est très simple de calculer le produit P = V source * I source et de moduler la tension de sortie de l’élévateur par une rampe lente autour de la valeur précédente afin de se maintenir en permanence au sommet de la courbe de Gauss du "rendement / Vsortie". Un petit microcontrôleur fait cela parfaitement.
Une diode Schottky à très faible seuil strappe le dispositif pour passer en direct quand les conditions sont optimales (au midi solaire, panneau perpendiculaire, cela ne sert à rien) ou en cas de panne. Un très bon montage a un rendement de l’ordre de 87% et peut doubler l’énergie fournie en conditions faibles. Voir le chapitre de l’alimentation du PC portable qui parle des pompes de charges, c’est exactement le même montage.
Sur de grosses installations, la basse tenson sera transformée en 220 V alternatif par un convertisseur pour diminuer les pertes ohmiques, puis exploitée par un chargeur évolué (qui sert aussi à quai) afin d’optimiser la charge en fonction de l’énergie disponible.

Dans le cas d’un élévateur, l’électronique sera montée au plus près de la source pour compenser les pertes ohmiques de la ligne vers la batterie.
Pour le médiocre régulateur basique d’origine, le problème est inverse, il faudra le placer près de la batterie pour prendre en compte les pertes de ligne.

 

Considérations sur le retour sur investissement

La démarche pour des énergies douces est intellectuellement satisfaisante, mais qu’en est t’il en terme de rentabilité ?
Pour une installation fixe à terre,  il est raisonnable d’estimer que si tout se passe bien, en établissant un contrat EDF de rachat de l’énergie, l’équilibre financier risque d’être atteint au bout de 10 ou 15 ans, car pour le moment la revente d’énergie personnelle est largement sur payée.
En voyage, ce calcul ne tient pas, il ne faut pas considérer la valeur comptable de l’énergie au tarif EDF mais sa valeur d’agrément d’utilisation qui est beaucoup plus élevée. Le fait d’être autonome en énergie et de ne pas avoir à actionner le groupe électrogène est un luxe qui se paye très cher.
Il semble raisonnable de considérer que sur dix ans d’utilisation sur un voilier, pour quelques milliers d'Euros investis dans des énergies douces, seulement quelques dizaines de litres de gazole auront été économisés, mais le point très positif est de ne pas avoir pollué un coin tranquille par un groupe pétaradant et agressif.
Cela semble un prix exorbitant du litre économisé, mais ce n’est pas ainsi qu’il faut raisonner.

 

Tension de service

Lors du choix d’un aérogénérateur ou d'un panneau solaire, l’idée simpliste est de prendre un modèle à la tension de son parc à batteries. C’est un très mauvais choix, en particulier pour du 12 volts, car le courant sera très fort et imposera de grosses sections de cuivre pour limiter les pertes.
Il est préférable de partir de la tension le plus élevée possible pour qu’à puissance donnée, P=V*I, le courant soit le plus faible possible.
Les pertes par effet joule sont le produit du carré du courant par la résistance ohmique ! (Voir le chapitre sur le calcul des sections de cuivre)
Les installations de qualité ont des aérogénérateurs qui sortent une centaine de volts ou plus.
Il est facile ensuite, au plus près des batteries, de convertit par une pompe de charge, la tension trop élevée en basse tension de service, et ce, avec un très bon rendement.

Fin du chapitre commun «  soleil / vent  »

 Haut de page

Fonctionnement des panneaux solaires

Je ne vais pas faire la théorie de la conversion d'énergie pour ne pas rebuter ceux qui me reprochent de ne pas me mettre à la portée des débutants.
La seule chose à savoir pour le moment est que l'énergie fournie dépend de facteurs simples :

La qualité et le rendement du panneau (très variable !).
Le rendement des panneaux solaires dépend de la technologie. Un panneau classique convertit 10 à 15% de l'énergie solaire reçue en énergie électrique.
Il est maintenant question de technologies révolutionnaires qui attendraient les 20% en laboratoires, mais ce n’est pas encore du domaine grand public.
Le fabricant vous donne pour chaque panneau la tension et le courant (donc la puissance P = V * I) maximale du panneau. Cette puissance est un maximum absolu, à midi en plein été dans un désert tropical aride (pas en mer, la vapeur d'eau absorbe), panneau bien perpendiculaire au rayonnement. Il faudra bien sûr diviser cette puissance théorique par divers facteurs successifs.

A puissance égale, les panneaux les plus performants monocristallins auront une surface plus petite que les médiocres poly cristallins.
Il faut noter que la puissance des panneaux baisse après une année d’utilisation.

   Panneau    Image de  2.4 ko non clickable

La surface : l'énergie est directement proportionnelle à la surface pour une technologie identique.

L'éclairement (intensité solaire et écart angulaire par rapport à l'axe perpendiculaire).

Les masquages, ombre, couches de sel ou fientes d’oiseau (ou d’équipier ?) qui écroulent le rendement.

L'échauffement traité chapitre suivant

Le rayonnement dans votre zone de navigation, suivant la saison, très inférieur aux conditions maximales données par le constructeur.

L'éloignement de l'heure du midi solaire, plus le soleil est bas, plus la masse atmosphérique absorbe l'énergie et le sinus de l'angle faible.

La mauvaise inclinaison du panneau, par rapport à la perpendicularité. Ce paramètre est à considérer avec soin. À 45° d'écart, le sinus de l'angle intervient, sin Pi/4 = 0.7, ce qui veut dire qu'un écart d'inclinaison de 45° amènera une perte de 30%. Attention ce n'est quand même pas le carré du sinus qui intervient, nous ne considérons qu'un plan d'inclinaison, l'énergie est proportionnelle à la surface interceptée par l'angle solide. Mais en réalité la perte est beaucoup plus importante, car le panneau silicium est protégé par une plaque de verre ou de plastique qui produit deux réflexions parasites et donc une perte d'énergie réfléchie importante en plus du rapport de surface affaibli.
Considérons en gros qu'un panneau incliné de 45° de la normale perdra en tout 50% de rendement.
Avec un angle de plus de 60 %, le rendement devient quasi nul.
Pour essayer d'améliorer ce seul paramètre accessible par l'utilisateur, nous allons évoquer les difficiles possibilités d'inclinaison des panneaux.

 

Rendement du panneau

En été, sous nos latitudes méditerranéennes, on admet que le facteur de compensation d'un bon panneau solaire est de 76 %.
En hiver il tombe à 20 %.
C'est le facteur correctif qu'il faut apporter à la puissance constructeur donnée au midi solaire, panneau bien perpendiculaire, le jour d'ensoleillement maximum.
En optimisant la charge, le panneau 100 W sortira à ce moment et conditions exceptionnelles 76 W.
Pour fixer les idées, un panneau d'un mètre carré a une puissance constructeur de 100 watts commerciaux environ.
Les panneaux mono cristallins sont plus chers, les poly cristallins ont un rendement inférieur.

Rendement panneaux solaires, bilan journalier en été pour un constructeur sérieux :

Energie espérée (en VAh) = Puissance commerciale (en W) * 4.8 en Méditerranée, un peu plus sous les tropiques.

Une grande surface de panneaux alimentera généreusement tout le bord sans les vibrations d'un aérogénérateur qui gâche le calme. C'est cher, c'est encombrant mais efficace en zones ensoleillées.

 

L'échauffement catastrophique

Ce paramètre négligé est très important, le rendement d'un panneau décroit fortement avec la température.
C'est pour cela que paradoxalement le rendement sous le soleil écrasant des tropiques sera plus faible que plus au nord en des zones moins ensoleillées.
Il faut tout faire pour éviter l'échauffement du panneau, en particulier le jamais le coller, mais laisser une circulation d'air pour la face inférieure en séparant les panneaux par des cadres aérés. Il est évident que des cadres en cornières alu ne sont pas du plus bel effet, mais il faut laisser respirer le dos du panneau.

 Haut de page

Le montage au sol

Considérons dans ce chapitre l'installation de panneaux solaires à terre, les panneaux pouvant être photovoltaïques ou producteurs d'eau chaude, le problème est identique.
Il existe deux options :
Soit l'installation fixe, simple, plein sud, inclinaison adaptée suivant la latitude, mais fixée souvent de la pente d'un toit existant. La maintenance est minimale c’est rustique mais efficace.
Soit l'installation mobile.
Il faut alors faire une poursuite deux axes, mais cela implique des mécaniques et motorisations complexes et peu fiables en conditions extrêmes. Le gain est certain en performances, mais les innombrables problèmes de maintenance ruinent l’intérêt du dispositif.

Il est dommage que la réalisation mécanique soit aussi problématique, car les dispositifs de commande de la poursuite sont eux simples, fiables  et amusants à réaliser !

Poursuite astronomique calculée

La poursuite astronomique consiste à utiliser une petite table de position du soleil, en rentrant par exemple l'heure du midi vrai, ou les heures coucher et lever d'après l'almanach. La précision nécessaire n'est pas très grande, un point par mois est suffisant, le reste est interpolé. Il est aussi possible aussi de rentrer l'heure et l'élévation maximale (midi vrai). Le calculateur qui a une horloge calendrier, calcule chaque jour le lever et le coucher du panneau connaissant latitude et longitude. C'est de la trigonométrie très simple. Une cellule capte la lumière d'ambiance, si le temps est trop couvert, le panneau ne bouge pas et reste dans la position d'arrêt précédente. Si l'éclairement est suffisant pendant un certain temps, le rapport [énergie consommée pour le positionnement] / [énergie probablement récupérée] est favorable, les deux moteurs sont commandés et le panneau passe en poursuite. Il suffit d'envoyer une correction toutes les 5 minutes. Si le soleil se couvre, le panneau reste bloqué. Au coucher du soleil, le panneau reste à l'Ouest afin de ne pas gaspiller d'énergie si au prochain lever du soleil l'éclairement est trop faible.

Poursuite optique

Il existe une méthode astucieuse pour faire une poursuite optique du soleil, sans calculateur complexe. Utiliser un détecteur quatre quadrants pour déterminer la direction du soleil.
Cela se fait en disposant quatre cellules en carré à plat sur un morceau de circuit imprimé. Recouvrir les cellules d'un petit diffuseur en papier calque ou plastique. Installer un cache dièdre (plaques verticales) suivant les médianes du carré, les cellules étant dans les coins. Disposer le tout sous une demi sphère verre ou plastique, un demi globe de vieux compas convient parfaitement, même très dépoli. Disposer la demi sphère ainsi obtenue au soleil, et mesurez l'énergie sur les quatre cellules. Il est possible de monter les deux opposées en pont de Wheatstone (un pont par axe) ou par un multiplexeur lire les quatre via un contrôleur.
Ce système permet très simplement de poursuivre le soleil. Il suffit de monter deux axes, un NS, l'autre EW. Un petit moteur permet de réaliser le basculement pour chaque axe.
Pour poursuivre le soleil il suffit de commander le moteur dans la direction de la cellule la moins éclairée. Le calculateur recherche l'équilibre, il n'est pas utile de faire plus d'une correction toutes les cinq minutes, le calculateur se met en sommeil entre les lectures. A l'équilibre, l'axe est parfait. Un potentiomètre de feedback par axe recopie la position de la mécanique.

 

La mécanique

La mécanique la plus simple pour des gros panneaux au sol est la pose d'un rail circulaire ou d'un axe avec bras et roues roulant sur le béton. C'est beaucoup plus complexe sur un toit, à cause de la prise au vent et des vibrations les jours de tempête. Sur un toit en pente, il ne peut exister que l'installation fixe vers le sud.

 Haut de page

 

Installation sur le voilier ou camping-car

En principe l'installation fixe, panneaux horizontaux sera utilisée.
Pour le voilier, sur l'arceau arrière, le panneaux sont bien protégés. Sur le pont ils sont trop fragiles. Il faut faire très attention aux ombres parasites. Les cellules sont disposées par bandes, en série, une seule cellule à l'ombre isole toute la bande. Une jonction diode Silicium développe 0.6 volt, avec les pertes 0.5 volt utile, il faut donc plus de 33 à 36 cellules en série pour charger une batterie.
Sur le panneau à droite, vous comptez (6*6) - 1 = 35 cellules :
Donc, avec un bon ensoleillement, pour sortir 14 volts, avec la perte de la diode anti retour de 0.6 volt, chaque cellule fournira 14.6/35 =0.42 volt

   Panneau    Image de  4.6 ko non clickable

Le panneau de qualité aura donc 35 diodes by-pass, en cas de masquage ou de claquage de quelques cellules il restera actif. Repérez le câblage en disposant le panneau face au soleil, sur charge résistive avec un voltmètre en parallèle. Tous les panneaux ont une diode anti-retour, les bons ont une Schottky, les médiocres une silicium ordinaire.

Déplacez un cache tenu par une baguette. Si vous voyez l'énergie s'écrouler suivant les zones d'ombre, votre panneau est mauvais. Seuls, les bons panneaux ont une diode by-pass par cellule qui isole les éléments masqués ou abîmés, choisissez bien !
Si en masquant totalement un quart du panneau la puissance s'écroule, rendez le panneau à votre fournisseur, et demandez lui un modèle plus sérieux. Si la puissance reste supérieure à la moitié (P= V2/R, (0.75)2 = 0.56 il est normal que la tension baisse dans le rapport des cellules masquées), il est bon. Avec une pompe de charge, le panneau marchera encore même avec des cellules perdues au fil du temps.
Les panneaux solaires chinois à prix casés n'ont évidemment aucune diode de protection.

Attention à la qualité des branchements, et des étanchéités, l'oxydation peut tuer rapidement un panneau en corrodant les sorties.

Il vaut évidemment mieux monter plusieurs petits panneaux qu'un grand (à surface donc puissance égale), mais le prix en sera plus élevé.
L’avantage de multiplier les panneaux est de compenser les masquages.

Vous pouvez améliorer le rendement en montant le panneau sur un axe transversal, mais la fiabilité du dispositif disparaît avec la complexité. Rajouter un deuxième axe longitudinal est illusoire.
Reste à savoir comment régler le dispositif si le choix est fait d'un ou deux axes.
Le plus simple est le réglage par deux bouts et coinceurs pour un axe. Au mouillage sous le vent dominant des tropiques ou dans les alizés, le dispositif est efficace, il suffit de retoucher les bouts de temps en temps. Au louvoyage, les panneaux restent à plat.
Certains veulent absolument automatiser le poursuite. Je le déconseille, le montage de moteurs fiables est très complexe, je n'ai jamais vu un système de poursuite qui avait résisté une saison sur un bateau.
Il est possible, comme à terre d'utiliser un calculateur avec le cap du fluxgate, et la position GPS par le bus NMEA, mais vous avez très peu de chance d'arriver à un système sérieux sur un petit bateau.

 Haut de page

 

Les pompes de charge

Un panneau solaire n'est pas optimisé pour fournir son maximum d'énergie à sa tension commerciale, son rendement augmentera à tension plus faible. Pour fournir une énergie maximale, il faut donc élever cette tension pour s'adapter à la tension idéale demandée par la batterie suivant son cycle de charge.
Il faut rechercher en permanence le produit maximal (tension du panneau * courant).
Par exemple : Le panneau fournit, pour un éclairement donné son énergie maximum à 8 volts et 3 ampères soit 8*3 = 24 watts. Le boîtier élévateur a un rendement de 80%, il sortira donc 24*.8 = 19 watts, soit 14 volts sous 1.4 ampères. Sans ce boîtier le panneau seul sortirait beaucoup moins de puissance, à la tension de la batterie…

Les catalogues "Maxim Dallas", "Linear Technology" et autres proposent un grand choix de pompes de charges et de convertisseurs, spécialisés et excellents dont les rendements tournent autour de 90%, pour ceux qui veulent réaliser l'électronique adaptée.
Le gain obtenu avec une pompe bien calculée est maximum en faible éclairement. Il est en moyenne d'environ .30% ce qui est intéressant compte tenu de la simplicité de montage.

 MPPT

De nombreuses réalisations commerciales, spécialement développées pour les panneaux solaires sont aussi proposées dans des qualités diverses. Ces systèmes savent évidemment détecter la fin de charge et passer en mode floatting.
Cherchez dans votre moteur "maximum power point tracking" pour faire votre marché.

 Haut de page

Installation en 24 V

Plusieurs bonnes solutions sont envisageables

* Quatre (ou plus) panneaux en 24 V, chacun avec son propre régulateur
Inconvénient un panneau 24 V peut être plus cher que deux de 12 V à puissance identique.

* Variante du précédent, remplacer un ou des panneaux 24 V par deux 12 V en série.

N'utiliser exclusivement  que des " Régulateurs MPPT", il sont plus efficaces et fiables que les bas de gamme chinois proposés en prix d'appel.
Ces régulateurs (Maximum Power Point Tracking) sont équipés d'une pompe de charge comme décrit plus haut afin d'optimiser en permanence le produit"  P = V * I " en entrée, et fournir en sortie la tension convenable de charge à la batterie.
Certains permettent de rentrer en 12 V et de sortir en 24 V (ou 48, ou 110 V...)

Les modèles élévateurs permettent d'utiliser directement des panneaux 12 V sur des installations de tension supérieure avec des fils plus fins (* troisième variante).

 Haut de page

 

Relier ensemble les points intermédiaires

Lors de l'installation de plusieurs paires de panneaux 12 V montés en série dans une installation 24 V, il est indispensable de relier ensemble tous les points intermédiaires (à environ +12 V, demi potentiel de la tension batteries) par un câble flottant.
La raison est très simple.
Lorsque deux panneaux sont simplement reliés en série, si un des deux est masqué par une ombre, une fiente de mouette ou un hamster, ou même grillé, le courant de charge du couple sera nul, car la tension du panneau défectueux sera trop basse.
Si l'on a bien relié ensemble tous les points intermédiaires, cela constitue alors deux groupes, de panneaux, le groupe froid, relié au négatif, et le groupe chaud relié au + 24V.
Dans ce cas du montage par groupes, l’un des panneaux non masqué pourra quand même fournir son courant de charge optimal, car le point intermédiaire des groupes sera maintenu au potentiel de la demi tension des batteries par les autres panneaux éclairés de l’autre groupe.
Pour plusieurs paires de panneaux, imaginons le cas très défavorable et fréquent ou dans chaque couple, un des deux panneaux est partiellement masqué.
L'ensemble ne chargera rien du tout.
Si la liaison centrale a été réalisée, il suffit qu'un seul des panneaux reliés au négatif et un autre relié au positif ne soit pas masqué pour que la charge fonctionne.
L’expérience montre qu’en pratique, cette disposition amène un gain de charge très important en optimisant l’énergie fournie par les panneaux les moins masqués. Ce système soit être utilisé si la disposition impose de monter les panneaux avec des orientations différentes pour exploiter au mieux ceux bien exposés.

 Haut de page

 

Conclusion

Nondum omnium dierum sol occidit. (Tite Live) Le soleil ne s'est pas encore couché pour la dernière fois.

Cette page ne contient aucun lien externe à maintenir

 

© Christian Couderc 1999-2019     Toute reproduction interdite sans mon autorisation


* Page vue   156   fois       IP : 3.214.184.124

 Haut de page         Dernière retouche le 27 Juin 2019 à 15 h         Retour page précédente

   Collector