Régulation et montage électrique des panneaux solaires

INTRODUCTION

Différentes options existent pour connecter les panneaux solaires à bord. Le bon dimensionnement est important pour tirer le meilleur parti d’une installation solaire.

Les régulateurs MPPT, si ils sont suffisamment performants et utilisés avec des panneaux adaptés, permettent les installations de panneaux en série, ce qui dans certains cas de figure, permet de gagner en production.

   TENSION DES PANNEAUX

Le premier point à prendre en compte est la tension de production du panneau (VMP) qui doit être supérieur d’au moins 4V à la tension en charge d’absorption du système à bord (pour les systèmes en 12V. Pour les installations 24V la tension doit être supérieures de 8V). Si on prend le cas de panneau devant recharger un bateau en 12V, la tension des batteries devra pouvoir atteindre 14V et il faut que la tension à la production maximale (VMP) du panneau soit supérieur à 18V. Cette différence de 4V est nécessaire dans la mesure ou plus un panneau s’échauffe, plus sa tension de production maximum (VMP) baisse (de 0,37% par degré sur les panneaux utilisant des cellules Sunpower). Ainsi, un panneau ayant un VMP de 20V à une température de 20 degré (condition de mesure des tests normalisés) aura une tension VMP de 18,5V à 40 degré. Par ailleurs, il faut noter que les régulateurs MPPT ne peuvent augmenter le niveau de tension de sortie (par rapport à la tension d’entrée), ce qui implique que la tension des panneaux soit toujours supérieure à la tension des batteries.

MISE EN PLACE DES PANNEAUX EN SÉRIE OU PARALLÈLE

PANNEAUX ET DIODES BYPASS

Les panneaux Seatronic sont optimisés pour limiter les effets de l’ombre. Ils disposent (en fonction des modèles) de diodes bypass permettant de rendre les différentes rangées du panneau indépendantes les unes des autres. Ceci est particulièrement important lorsque les panneaux sont utilisés en série. Si on prend le cas d’un modèle 120W Seatronic, voici son schéma électrique équivalent.

On note que ce modèle dispose de deux diodes bypass, ce qui rend chacune des deux rangées de 16 cellules le composant indépendante.

IMPACT D’UNE ZONE D’OMBRE SUR UN DEMI PANNEAU

(PANNEAU EN SÉRIE)

Ainsi lorsqu’une rangée de 16 cellules est à l’ombre, si l’autre est exposée au soleil, elle peut produire dans des conditions normales dans la mesure ou la diode bypass permet le passage du courant. Cette fonctionnalité est particulièrement utile lorsque deux panneaux sont mis en série. Dans l’exemple ci-dessous, on voit les deux panneaux solaires en série avec une ombre sur une rangée de cellules.

Dans ce cas de figure, la première diode bypass offre un chemin alternatif au courant et la seconde rangée du panneau peut continuer à produire. La production équivalente de cette situation sera celle correspondant à 1,5 panneau. Cette solution est plus favorable à celle ou les panneaux auraient été mis en parallèle, car dans ce cas, seul un des deux panneaux continuera à produire (voir ci-dessous).

IMPACT D’UNE ZONE D’OMBRE SUR UN DEMI PANNEAU (PANNEAU EN PARALLÈLE)

Seul un des deux panneaux continuera à produire dans la mesure ou la tension du panneau étant à l’ombre est insuffisante pour recharger les batteries. La production du système est celle d’un seul panneau. Dans l’exemple ci-dessous, on voit les deux panneaux solaires en parallèle avec une ombre sur une rangée de cellules.

La résistance interne du panneau à l’ombre étant importante, celui ci n’affectera pas la production du panneau ensoleillé (pas de dispersion de courant dans le panneau à l’ombre).

IMPACT D’UNE ZONE D’OMBRE SUR UN DEMI PANNEAU (PANNEAU EN SÉRIE)

Si la zone d’ombre atteint les deux rangées de cellules, dans ce cas de figure, le panneau concerné arrête de produire et le courant suit le schéma indiqué ci-dessous :

Dans un tel cas de figure, la solution est légèrement moins favorable à la solution ou les panneaux sont connectés en parallèle dans la mesure ou les deux diodes bypass induisent une chute de tension de l’ordre de 1,2V (perte de l’ordre de 4% en fonction de la tension de sortie VMP du panneau). Avec les panneaux en parallèle, le panneau exposé au soleil aurait continué à produire à sa puissance nominale.

Impact sur le câblage

Le fait de mettre les panneaux en série permet de diviser l’intensité du circuit par deux (comme la puissance reste la même, la tension étant doublé, l’intensité est divisé par deux). Cela permet de diminuer les pertes en ligne par un facteur quatre (les pertes en ligne étant égales à l’intensité au carré multiplié par la résistance du circuit). Il est donc possible de mettre en place des câbles de section plus petites tout en conservant la même efficacité. Si on prend pour exemple le cas d’un kit 2*120W fonctionnant à pleine puissance, voici une estimation des pertes dans chacun des cas de figure :

Importance de disposer d’un régulateur MPPT performant

A noter que la solution de mise en série est valable si le régulateur MPPT dispose d’un bon rendement. Pour la gamme de régulateurs Seatronic, le rendement est de 98%. Il y a donc uniquement 2% de perte lors de l’étape de conversion de tension et la différence de rendement en fonction de la tension d’entrée panneau (VMP) est faible, ce qui rend cette solution valable.

Problème de sécurité

La limite de sécurité (Très Basse Tension) pour les courants continus est de 50V. Au delà de cette limite, il est conseillé de faire appel à un professionnel qualifié. Il est par ailleurs nécessaire d’identifier clairement au niveau des câbles, le fait qu’il existe un risque électrique en mettant en place la signalétique adaptée.

Il est en effet tout à fait possible de subir une électrocution causé par des panneaux solaires si leur tension est importante.

Pour des intensités faibles, une sensation de chaleur est sentie dans les extrémités pendant le passage du courant (au dessus de 3 mA). 130mA est le seuil de fibrillation cardiaque. Les courants transversaux, d’au plus 300 mA, passant à travers le corps pendant plusieurs minutes peuvent provoquer des arythmies cardiaques réversibles, des marques visibles, des brûlures, des vertiges et parfois l’inconscience. Au-dessus de 300 mA, l’inconscience se produit fréquemment.

Si on considère que le corps humain à une résistance ohmique de 500 ohm (valeur conservatrice en environnement humide), un courant de 130 mA correspond à une tension de 65V. Si on met ceci en rapport avec les panneaux Seatronic basés sur des cellules Sunpower, cela signifie que jusque 320W de panneaux solaires peuvent être mis en série sans prise en compte de consignes de sécurité particulières. Au delà l’intervention d’un professionnel est requise et une signalétique. adaptée est nécessaire.

Il est à noter que dans le cadre d’installations importantes, il est pertinent de mettre en place des régulateurs par groupe de panneau afin d’assurer une redondance au système (en cas de panne d’un ensemble, les autres restent opérationnels).

Conclusion

Avec un régulateurs MPPT performant, la mise en série des panneaux solaires y compris pour recharger
une installation 12 Volts est un choix pertinent dans la mesure ou en cas de zone d’ombre la production
est plus intéressante que lorsque les panneaux sont connectés en parallèle.
Par ailleurs, le fait de transporter la puissance à une tension plus importante a pour effet de limiter les
pertes en ligne par quatre pour une même section.

Afin d’être pertinente cette installation nécessite néanmoins de prêter attention aux points suivants:
1. Le panneau doit disposer de diodes by-pass. Les panneaux seatronic spécialement étudiés pour
les sites isolés et optimisés pour être performant dans le cas d’ombre partielle, sont équipés de diodes
bypass (en fonction des modèles).

2. Le régulateur MPPT doit disposer d’un excellent rendement. Dans le cas contraire, la perte lié à la conversion de tension pourrait contre balancer le gain apporté par les panneaux en parallèle.

3. Respect des contraintes de sécurité: Au delà d’une tension de 50V en sortie de panneaux, un marquage
spécifique est nécessaire. Il est préférable de faire appel à un professionnel pour prendre en charge ce type d’installation.

   ANNEXE 1: FONCTION ET UTILITÉ DES DIODES DE BLOCAGE

Les diodes de blocage sont mises en place en sortie de panneau pour éviter les courants de retour. Elles sont utiles lorsque les panneaux sont connectés directement aux batteries pour éviter que celles-ci ne se déchargent dans les panneaux durant la nuit (lorsque les panneaux sont connectés à un régulateur, les panneaux jouent ce rôle).
Elles permettent également d’éviter qu’un panneau débite dans l’autre lorsque ceux-ci sont mis en parallèle.
Il faut toutefois noter que la résistance d’un panneau est très importante lorsque celui-ci ne produit pas. Ainsi si on connecte un panneau de 120 W directement à une batterie 12V, l’intensité le traversant n’excède pas 5 mA (cas le plus défavorable ou la totalité du panneau est à l’ombre).
Par conséquent, l’effet anti retour est naturellement induit par le panneau qui dispose d’une forte résistance lorsque celui-ci est à l’ombre. Une diode anti retour n’est donc pas nécessaire et aurait pour inconvénient d’induire une chute de tension en sortie de panneau et ainsi une baisse de rendement (de l’ordre de 3,5% pour un panneau ayant un VMP de 20V). Pour cette raison, les panneaux Seatronic ne sont pas équipé de diode anti retour.

Par ailleurs une seule diode de blocage est requise par groupe de panneaux.