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Régulateur MPPT

Cette page détaille le rôle et le fonctionnement des régulateurs MPPT qui permettent d’obtenir des gains importants de production solaire en optimisant le fonctionnement des panneaux solaires. La première partie résume de façon synthétique cette technologie. Dans un second temps les performances des panneaux solaires en fonction des conditions environnementales et électriques sont étudiées.

Lecture de la puissance d’un panneau solaire

Un panneau solaire est capable de fournir une puissance qui dépend directement de l’ensoleillement mais aussi pour une part non négligeable de la tension qui est appliquée à sa sortie(celle ci dépend de la charge qui est connectée à celui ci).

Si l’on prend les caractéristiques du panneau solaire Solara de 90 watts, on peut lire en particulier les données suivantes :

VMPP (tension où le panneau produit son maximum de puissance) : 18 Volts
IMPP (intensité correspondant à la tension VMPP) : 5A

Si l’on multiplie 18 par 5, on obtient les 90 watts caractéristiques de la puissance du panneau solaire. Ces 90 watts ne sont pas une puissance théorique mais bien une puissance que le panneau solaire est capable de produire par un ensoleillement optimal (conditions  d’irradiations obtenues quand le soleil est à son zénith ) à une température de 20 degrés celsius.

Pour produire cette quantité d’énergie, le panneau solaire doit fonctionner à une tension de 18 Volts et dans les faits, cette tension n’est jamais atteinte sur un système 12 Volts dans la mesure où la tension maximum de la batterie est de 14 Volts. Par conséquent, le panneau solaire ne fonctionnera jamais dans des conditions  optimales et la puissance maximum ne sera jamais atteinte. Le régulateur MPPT est conçu pour contourner cette limitation.

Résumé de la fonction du régulateur MPPT

L’objet du régulateur MPPT est de se placer en permanence côté panneau solaire à la tension la plus optimale afin de maximiser la production du panneau. Cette tension dépend à la fois des conditions de température et d’ensoleillement. Le gain quotidien obtenu grâce à un régulateur  MPTT bien conçu est de 20 à 30% (en fonction des conditions d’ensoleillement et de température).

Sur la figure ci dessous, le gain de puissance obtenu grâce à un régulateur MPPT est représenté par la surface en bleu foncé ci dessous. En bleu clair, la surface représente la production obtenue sans régulateur MPPT.

Caractéristique de la puissance d'un panneau solaire en fonction de sa puissance. Effet d'un régulateur MPPT

La suite de ce document donne d’avantage de détails sur les courbes caractéristiques des panneaux solaires et la technologie MPPT.

Détails des caractéristiques d’un panneau solaire en fonction des conditions environnementales et électriques

Courbe caractéristique intensité / tension d’un panneau solaire

La quantité d’électricité produite par un panneau dépend de l’ensoleillement mais aussi de la tension à laquelle le panneau fonctionne. Il est important d’étudier la relation entre la tension et l’intensité dans le circuit relié au panneau solaire. La courbe ci dessous est obtenue en faisant varier la charge en sortie de panneau et permet de visualiser l’intensité en fonction de la tension de sortie.

A une température donnée et pour un ensoleillement constant, si l’on branche un circuit électrique aux bornes d’un panneau solaire, l’intensité I parcourant le circuit dépend de la tension U aux bornes du panneau.

Caractéristique de la tension intensité d'un panneau solaire. Gain réalisé grâce à la technologie mppt

Cette relation est illustrée par la courbe ci-dessus, obtenue avec un panneau solaire Solara de 90 watts pour une température T=20° et un éclairement : (conditions normalisées pour évaluer la performance des panneaux).

Points caractéristiques

  • Isc =5,15 A représente l’intensité de court circuit (tension égale à 0)
  • Voc=21,9 V représente la tension circuit ouvert (I=0)
  • MPPT : VMPPT 18V ; I MPPT : 5A (tension, intensité où le panneau produit son maximum de puissance)

On constate que l’intensité est pratiquement constante quand la tension varie de 0 à 17 volts, puis elle décroît assez rapidement ensuite jusqu’à la tension en circuit ouvert

Cas du panneau solaire branché à une batterie

Avec un régulateur classique, lorsque le panneau solaire est relié à une batterie en charge, c’est elle qui fixe la tension à laquelle le panneau solaire fonctionne.

En fonction de l’état de charge de la batterie (donc de sa tension), la production du panneau solaire sera différente comme le montrent les exemples ci dessous .

Cas d’une batterie assez déchargée (tension du système 12V) :

Pour une tension de 12 volts, l’intensité du circuit se lit au point N on a : I=5.05 A.
La puissance fournie par le panneau solaire est donc de 60Watts. Elle est représentée par l’aire du rectangle de diagonale ON. On remarque que cette puissance est 35¨% en dessous de la puissance nominale du panneau

Pour une tension de 14 volts, l’intensité du circuit se lit au point N on a : I=4,9 A.

La puissance fournie par le panneau solaire est donc de P = 14 * 4,95 = 69,3Watts. Le panneau solaire produira donc 14% d’énergie en plus lorsque la batterie est à 14Volts (comparé à 12 Volts).

Puissance maximum du panneau solaire

Cette puissance est maximum pour le point M de coordonnées : V MPPT – I MPPPT
VMPPT = 18V et I MPPT = 5A

Il s’agit du point pour lequel l’aire du rectangle construit sur OMPPT est maximum. On retrouve la puissance optimale de production V MPPT * I MPPT = 90 Watts.

Conclusion : En fonction de la tension du système, la différence de production atteint 35 % pour un même ensoleillement. Si on laisse fonctionner le panneau solaire sous une tension de 12V, on n’utilise que 65% de l’énergie que pourrait produire le panneau solaire.

Le régulateur MPPT est conçu pour se placer en permanence à la tension où le panneau produit sa puissance maximum.

Influence de l’ensoleillement

La courbe rouge est obtenue pour un éclairement de 1000 watts/m², la courbe bleue est obtenue pour un éclairement de 500 watts/m².

Caractéristique de la tension intensité d'un panneau solaire. Gain réalisé grâce à la technologie mppt

Les deux courbes sont réalisées pour une même température.

On constate que les intensités de court circuit sont pratiquement proportionnelles à l’ensoleillement. De même les intensités restent presque proportionnelles à l’éclairement jusqu’à une tension de 15 V. Les tensions en circuit ouvert changent peu. On peut vérifier que la valeur de la tension donnant une puissance maximum varie assez peu, les courbes se déplacent surtout en hauteur (intensité produite).

Influence de la température

La courbe rouge est tracée pour une température de 30°, la courbe bleue est obtenue pour une température de 20°, l’éclairement étant maintenu dans chaque cas à 1000 Watts / m² .

Caractéristique de la tension intensité d'un panneau solaire. Gain réalisé grâce à la technologie mppt

On constate donc que pour un même ensoleillement, lorsque la température augmente, les tensions caractéristiques diminuent

Pour ce type de panneau on peut attendre une diminution de 0,3 volt pour une augmentation de 1° de la température. Les différentes courbes se déplacent horizontalement. Les variations de température vont donc modifier la valeur de la tension assurant une puissance maximum, et ce davantage que les variations d’éclairement .

Par exemple la tension offrant une puissance maximale est de 18 V à 20°

Elle devient égale à 16V à 30°

A noter que par conséquent, le panneau produira moins à une température de 30 degrés, au lieu de 90 watts de puissance, on obtiendra une puissance de 80 Watts au lieu des 90 Watts obtenus à 20 degrés.

Conclusion sur les régulateurs à Technologie MPPT

Les coordonnées du point MPPT de fonctionnement optimal (V MPPT, I MPPT) ne sont pas fixes, elles dépendent de la température, de l’éclairement, la technologie MPPT détermine à l’aide d’un algorithme les coordonnées du point de fonctionnement optimal à chaque instant et impose au panneau solaire de travailler au meilleur niveau de tension pour sa production. Le régulateur MPPT convertit ensuite cette tension vers la tension qui permet de recharger la batterie.

Avec le régulateur MPPT, la production du panneau devient donc indépendante de l’état de charge de la batterie et est optimisée en permanence en fonction des conditions environnementales (ensoleillement et température).

Ces mesures sont faites avec une fréquence élevée, de plus la transformation de tension se fait avec peu de perte, la technologie MPPT offre donc un gain appréciable de l’ordre de 20% à 30%.

Les gains les plus importants sont obtenus quand la batterie est déchargée et quand la température est basse.