Régulateur solaire PWM ou MPPT

Pourquoi un panneau ne donne pas ce qu’il promet

Un panneau solaire n’impose ni sa tension, ni son courant. Il propose une courbeLa caractéristique I-V, détaillée dans le cours Photovoltaïque : à chaque tension correspond un courant possible, et le produit des deux donne la puissance. de points possibles, et c’est ce qu’on branche dessus qui choisit sur lequel il travaillera. Branchez une lampe, il se posera quelque part ; branchez une batterie, il se posera ailleurs.
Or une batterie est une source de tension quasi rigide : selon son état de charge, elle tient bon entre 12 et 14,4 V, et ne se laisse pas tirer plus haut par un panneau. Reliée directement à lui, c’est elle qui fixe le point de travail, aux alentours de 13 V.Regardez ce que ça donne sur un panneau de 100 Wc. Son point optimal est à 17,6 V pour 5,68 A, soit les 100 W annoncés : c’est le grand rectangle vert. Mais tiré à 13 V par la batterie, il fournit presque le même courant (la courbe est quasi plate dans cette zone) pour une tension bien plus basse. Le rectangle orange, c’est sa puissance réelle : 77 W.
Rien n’est cassé, rien ne chauffe anormalement, le panneau se porte très bien. Simplement, 23 W ne sont jamais produitsLe panneau ne perd pas cette puissance en chaleur : il ne la fabrique pas, tout simplement. Un panneau travaille toujours à la puissance que sa charge lui autorise. ; près d’un quart de ce que vous avez acheté.

Pourquoi les panneaux « 12 V » existent

Vous comprenez maintenant à quoi rime cette appellation commerciale. Un panneau dit 12 V, c’est un panneau de 36 cellulesChaque cellule silicium donne environ 0,5 V. 36 cellules en série : Voc ≃ 21 à 22 V, Vmp ≃ 17 à 18 V., dont le point optimal tombe vers 17,6 V : juste assez au-dessus des 14,4 V de fin de charge pour continuer à pousser du courant dans la batterie malgré la chute des câbles et la chaleur.
C’est aussi pour cela qu’un panneau moderne de toiture, avec ses 60 ou 72 cellulesVmp de 31 à 41 V. Ce sont les panneaux les moins chers au watt, conçus pour des onduleurs de réseau, pas pour une batterie., ne se branche pas en direct sur du 12 V : moins cher au watt, mais inexploitable tel quel. Retenez ce point, il commande tout le reste du chapitre.
Reste à savoir quoi mettre entre ce panneau et cette batterie. Deux familles de régulateurs se partagent le marché, et elles ne traitent pas ce problème de la même façon du tout.

Le PWM : un interrupteur, pas un convertisseur

Le régulateur le plus simple et le moins cher porte un nom savant, PWMPulse Width Modulation, en français modulation de largeur d’impulsion : on fait varier la durée pendant laquelle l’interrupteur reste fermé., pour décrire quelque chose de très ordinaire : un interrupteur placé entre le panneau et la batterie, qui s’ouvre et se ferme des centaines de fois par seconde.Tant que la batterie est vide, l’interrupteur reste fermé en permanence : le panneau est alors directement relié à elle, et se retrouve tiré à sa tension, avec la perte vue à l’écran précédent. Quand la charge approche de sa fin, le régulateur commence à hacher la liaison pour doser le courant et éviter la surcharge. C’est tout ce qu’il sait faire, et il le fait bien.

Le pourcentage qui trompe tout le monde :

Les notices annoncent volontiers 98% de rendement. C’est parfaitement exact, et parfaitement trompeur : un interrupteur fermé ne perd presque rien, forcément. Mais ce chiffre mesure ce qui traverse le boîtier, pas ce que le panneau a pu produire. Le vrai rendement d’exploitationRapport entre l’énergie réellement tirée du panneau et celle qu’il aurait pu fournir à son point optimal. Aucune notice ne l’affiche. tourne plutôt autour de 75 à 80%.
Il faut aussi que le panneau soit assorti à la batterie : 36 cellules pour un parc 12 V, deux panneaux de 36 cellules en série ou un 72 cellules pour du 24 V. Un PWM ne transforme rien, il ne peut donc pas rattraper un panneau mal choisi.

Quand il reste le bon choix :

Ne le condamnez pas trop vite ; sur de petites installations, il garde de vrais arguments. Il coûte trois à cinq fois moins cher, ne consomme presque rien pour lui-même, ne craint ni la chaleur ni la foudre autant qu’une électronique de puissance, et tombe rarement en panne.
Son écart avec un MPPT se resserre même dans deux situations très courantes chez nous : quand la batterie est presque pleineSa tension monte alors vers 14,4 V, donc bien plus près du Vmp du panneau : il y a beaucoup moins à perdre., et quand il fait très chaudLe Vmp chute avec la température ; à 60 °C de cellule il descend vers 15,4 V, et l’écart avec les 13 V de la batterie se réduit d’autant.. Sous les tropiques, un petit système bien assorti perd nettement moins que les 23% du cas d’école.Il existe pourtant un boîtier capable d’exploiter ce même panneau à son point optimal, et d’en sortir davantage d’ampères qu’il n’en reçoit. C’est l’écran suivant.

Le MPPT : troquer des volts contre des ampères

Le régulateur MPPTMaximum Power Point Tracker : littéralement, chercheur du point de puissance maximale. ne se contente pas d’ouvrir et de fermer une liaison : c’est un véritable convertisseur. D’un côté il maintient le panneau à son point optimal, de l’autre il délivre à la batterie la tension dont elle a besoin. Entre les deux, il fait passer la puissance presque entière.Regardez bien les deux flèches, car tout est là : celle qui entre est fine et haute en tension, celle qui sort est épaisse et basse en tension. Le panneau fournit 5,68 A sous 17,6 V, et la batterie reçoit 7,46 A sous 13 V. Le MPPT sort plus d’ampères qu’il n’en reçoit, ce qui surprend toujours la première fois.
Rien de magique pourtant : c’est la puissance qui se conserve, pas le courant. Exactement comme un transformateur en alternatif abaisse la tension et élève le courant, sauf qu’ici tout se passe en continu, par découpage. L’image la plus juste reste celle de la boîte de vitessesElle ne crée pas de puissance : elle échange du régime contre du couple. Le MPPT échange de la tension contre du courant..

Le second avantage, souvent le plus décisif :

Puisque le MPPT accepte une tension d’entrée bien supérieure à celle du parc, il autorise le montage en série. Trois panneaux de 400 Wc câblés en série montent à une centaine de volts et ne font circuler qu’une dizaine d’ampères dans le câble, là où le même kilowatt en 12 V en demanderait près de cent. La section fond, la longueur devient possible, et les panneaux de toiture bon marché redeviennent utilisables.
Il travaille aussi mieux dans les conditions difficiles : lumière faibleLe matin, le soir, sous les nuages : le MPPT suit le point optimal qui se déplace, quand le PWM reste collé à la tension de la batterie., batterie très déchargée, panneau froid.

Ce qu’il faut surveiller :

Un MPPT se dimensionne sur son courant de sortie, pas sur la puissance des panneaux. Un modèle 30 A sur un parc 12 V plafonne à environ 400 W, quelle que soit la surface installée devant lui. Sur un parc 48 V, le même boîtier encaisse quatre fois plus.
Sa tension d’entrée maximale est l’autre limite, et c’est la plus dangereuse : elle se vérifie sur la somme des Voc au plus froidLa tension à vide monte quand la température baisse. C’est la règle vue au chapitre 3 du cours Photovoltaïque, et elle s’applique ici à l’identique., jamais sur les valeurs d’étiquette. Enfin il consomme quelques watts pour lui-même, ce qui pèse sur un très petit système et ne se voit pas sur un gros.

Charger sans abîmer : les trois phases

Un régulateur ne décide pas seulement de la quantité d’énergie qui entre dans la batterie, mais de la manière dont elle y entre. Et c’est cette manière qui détermine si le parc tiendra trois ans ou quinze.La charge se déroule en trois temps, lisibles sur les deux courbes.
En bulk, la batterie est vide et accepte tout ce qu’on lui donne : le courant reste au maximum de ce que produisent les panneaux, et la tension monte doucement. C’est la phase qui remplit environ 80% du parc.
En absorption, la tension atteint le seuil et s’y maintient ; c’est désormais le courant qui décroîtLa batterie n’accepte plus qu’un courant de plus en plus faible à mesure qu’elle se remplit. C’est le remplissage des 20% restants, et il prend autant de temps que les 80% précédents. tout seul. Cette phase a une durée limitée : la prolonger, c’est cuire la batterie.
En floating, le régulateur redescend à une tension d’entretien, juste assez pour compenser l’autodéchargeToute batterie se vide lentement d’elle-même, même sans rien alimenter : quelques pourcents par mois pour un lithium, bien davantage pour un plomb par forte chaleur. sans jamais forcer.

Chaque chimie a ses seuils :

Les valeurs ne se devinent pas, elles se lisent dans la fiche du fabricant de la batterie, et elles diffèrent nettement d’une technologie à l’autre. À titre d’ordre de grandeur pour un parc 12 V : un plomb ouvert demande une absorption vers 14,4 à 14,8 V, un AGM ou un gelBatteries plomb étanches. Le gel supporte particulièrement mal la surcharge : ses seuils sont les plus bas de la famille plomb. un peu moins, et une LFPLithium-Fer-Phosphate. Absorption courte, et souvent aucun floating : maintenir un lithium à pleine tension en permanence l’use pour rien. se contente d’une absorption brève suivie d’un entretien bas, voire d’aucun.
Le plomb réclame en plus une compensation en température, que le lithium ignore. C’est un point capital sous notre climat, et le calcul ci-dessous montre pourquoi.