Conception et réalisation d’un régulateur de charge solaire intelligent pour batterie

 Généralités sur les systèmes photovoltaïques 

Les capteurs solaires photovoltaïques permettent de transformer la lumière du soleil en électricité. Cette technique fait appel à des phénomènes physiques découverts il y a plus d’un siècle mais qui n’ont été exploités qu’à partir des années 1940, notamment dans le domaine de la recherche spatiale. Les systèmes photovoltaïques ont d’abord été développés pour fournir de l’électricité à des sites isolés ou non raccordés au réseau de distribution. Aujourd’hui, les systèmes photovoltaïques sont de plus en plus raccordés au réseau électrique. Ils permettent à un consommateur de produire une partie de son électricité de manière propre et d’injecter la production d’électricité excédentaire sur le réseau. L’étude des systèmes photovoltaïques se ramène à l’étude de l’adaptation de la charge. On recherchera à optimiser le système pour avoir le meilleur rendement d’adaptation du système (rapport de l’énergie électrique fournie sur l’énergie électrique qu’aurait pu fournir le générateur fonctionnant toujours à son point de puissance maximum). 

 Les systèmes photovoltaïques

 Bien que fondamental dans la chaine que représente un système, le module photovoltaïque à lui seul ne peut pas grand-chose : pour répondre à un besoin défini, il faut en fait l’associer à un système complet correspondant à une application bien spécifique. Les systèmes photovoltaïques peuvent être divisés en deux catégories qu’ils soient reliés ou non au réseau électrique comme le montre le schéma ci-dessous: Figure 1 : Schématisation des différentes catégories de systèmes photovoltaïques Pour les systèmes photovoltaïques non connectés au réseau électrique local (systèmes isolés), le surplus d’énergie est stocké dans une batterie dans le cas des systèmes avec batteries pour prévenir les heures de non ensoleillement alors que dans les systèmes sans batteries, les appareils d’utilisation ne fonctionnent qu’aux heures d’ensoleillement où ils consomment toute l’énergie produite. Pour les systèmes connectés au réseau électrique local, le surplus d’énergie est stocké, d’abord dans une batterie, puis le reste est injecté dans le réseau par l’intermédiaire d’un onduleur piloté à la fréquence du réseau. Dans certains cas, le service public pourrait vous créditer cette énergie retournée au réseau. 

Structure générale d’un système photovoltaïque

 Un système photovoltaïque peut être constitué :  De modules photovoltaïques pour générer de l’énergie photovoltaïque  D’un régulateur de charge pour contrôler le flux d’énergie produit par le générateur photovoltaïque afin d’alimenter les batteries avec régularité et les protéger.  D’un onduleur photovoltaïque pour transformer l’énergie continue d’un module photovoltaïque en énergie alternative  D’un onduleur/chargeur pour recharger les batteries ponctuellement via une source tierce comme un groupe électrogène mais aussi pour convertir l’énergie continue des batteries (12/24/48V DC) en énergie alternative (230V AC).  D’une batterie d’accumulateurs pour pallier la nature aléatoire de la source solaire en stockant de l’énergie.  D’une charge en courant continu basse tension ou en courant alternatif standard : c’est la consommation en DC ou en AC  D’un générateur auxiliaire comme source d’énergie alternative pour recharger la batterie en cas de diminution de la puissance de l’énergie photovoltaïque.  D’une gestion électronique (stockage mise en forme du courant, transfert de l’énergie). La figure 2 représente symboliquement les divers éléments du système le plus général . Figure 2 : Schéma synoptique décrivant le système photovoltaïque le plus général Les systèmes PV isolés, avec stockage d’énergie, sont essentiellement caractérisés par trois éléments : les modules photovoltaïques, les batteries et les régulateurs. 

 Le générateur photovoltaïque (GPV)

 C’est un dispositif permettant de convertir l’énergie solaire en une énergie électrique : c’est l’effet photovoltaïque. Il est constitué d’un certain nombre de panneaux, selon la puissance crête souhaitée ; ces derniers sont fournis à partir des modules reliés entre eux en série et/ou en parallèle. Le module est un ensemble de cellules photovoltaïques. La cellule est une surface composée d’un matériau semi-conducteur, en général le silicium, et génère une tension assez faible : de 0.5 à 1.5V. Elles sont en série dans le but de pouvoir délivrer en sortie, une tension suffisante pour charger les batteries. Voici ci-dessous le schéma équivalent d’une cellule [2]: Figure 3 : Schéma équivalent d’une cellule solaire La tension produite par la cellule photovoltaïque est réduite par la résistance série Rs du matériau et des contacts métalliques, une résistance Shunt Rsh de valeur finie, rend compte des fuites de courant dues aux effets de bord (court-circuit sur les bords de la cellule). Un module solaire répond à un certain nombre de caractéristiques :  Le point de fonctionnement du module solaire est déterminé par la tension de la batterie et l’ensoleillement. Il varie en fonction du temps.  La puissance maximale des modules varie en fonction des facteurs climatiques (température, ensoleillement).  La tension aux bornes des modules solaires est légèrement supérieure à celle de la batterie.  Dans ces conditions, on peut considérer le module solaire comme un générateur de courant dont la valeur est proportionnelle à l’ensoleillement.