Comment fonctionnent les contrôleurs de charge solaire ? Quels sont les différents types ?

Les systèmes d’énergie solaire offrent un moyen écologique et rentable d’exploiter l’énergie du soleil et de la convertir en électricité utilisable. Que vous envisagiez des panneaux solaires pour votre maison ou une installation hors réseau à distance, les contrôleurs de charge solaire jouent un rôle essentiel pour garantir l'efficacité et la longévité de votre système. Dans cet article, nous explorerons le fonctionnement des contrôleurs de charge solaire et les différents types disponibles pour vous aider à prendre des décisions éclairées pour votre projet solaire.

Comment fonctionne un contrôleur de charge solaire ?

Le premier schéma du contrôleur de charge solaire, représenté à la figure 1, illustre la connexion d'un contrôleur de charge solaire pour alimenter une charge en courant continu (CC). Le deuxième schéma, illustré à la figure 2, concerne une charge à courant alternatif (AC).

Figure 1 : Schéma hors réseau avec charge CC

Lors de l'installation d'un régulateur de charge solaire, il est conseillé de suivre un ordre précis de connexion et de déconnexion :

Connectez d'abord la batterie au contrôleur.
Connectez le générateur photovoltaïque au contrôleur.
Connectez la charge électrique au contrôleur.

Lors de la déconnexion, vous devez inverser cet ordre. La batterie alimente le contrôleur, assurez-vous donc toujours que les panneaux solaires et les charges sont déconnectés avant de connecter ou de déconnecter la batterie du contrôleur. Pour améliorer la sécurité et simplifier l'installation et le dépannage, il est recommandé d'avoir des sectionneurs dans les connexions entre la batterie, la charge, le générateur photovoltaïque et le contrôleur.

Dans le schéma de câblage avec une charge CC, la lumière du soleil atteint les modules solaires, qui convertissent l'énergie solaire en énergie électrique CC. Cette puissance est ensuite transmise à un contrôleur de charge. Le contrôleur de charge régule l'ampérage et la tension fournis aux charges, et toute puissance excédentaire est dirigée vers le système de batterie pour maintenir l'état de charge sans surcharge. Le soir, lorsqu'il n'y a pas de soleil, l'énergie de la batterie est utilisée pour faire fonctionner la charge.

Vous remarquerez peut-être que la batterie est mise à la terre au niveau de la borne négative de la batterie. En effet, tous nos contrôleurs PWM et MPPT partagent un terrain négatif commun. Par conséquent, il est possible d’établir une masse négative commune pour l’ensemble du système, y compris le panneau solaire, le contrôleur, la batterie et la charge. Cette configuration est conforme aux exigences du code NEC pour la mise à la terre. Pour les contrôleurs dépourvus de cosse de mise à la terre de l’équipement, vous pouvez directement connecter une mise à la terre de l’équipement au boîtier du contrôleur pour toutes les pièces métalliques.

Figure 2 : Schéma hors réseau avec charge CA

Le diagramme suivant, comme le montre la figure 2, illustre les composants et les connexions nécessaires pour alimenter une charge CA. Ce schéma avec une charge CA ressemble beaucoup à l'exemple de charge CC précédent. Cependant, dans ce scénario, un onduleur a été ajouté au système. Le rôle de l'onduleur est de convertir l'alimentation CC de la batterie en alimentation CA, qui peut être utilisée pour faire fonctionner des charges CA, telles que le téléviseur illustré dans le schéma.

Il est important de noter que l'onduleur est connecté et alimenté directement à partir de la batterie, et non à partir des bornes de charge du contrôleur, comme dans l'exemple de charge CC. Cette disposition est nécessaire car les onduleurs peuvent produire une forte surtension lors du démarrage, et cette surtension peut dépasser la capacité nominale du contrôleur de charge. Les batteries, en revanche, peuvent répondre aux besoins en matière de surtension énergétique.

Types de contrôleurs de charge : PWM contre MPPT

Le tableau ci-dessous montre que les contrôleurs PWM fonctionnent à la tension de la batterie et sont plus petits, tandis queContrôleurs MPPTfonctionner à une tension de puissance maximale en utilisant une technologie plus récente. En conséquence, la tension du réseau devient de plus en plus élevée que la tension de la batterie dans des conditions plus froides, maximisant ainsi la quantité d'énergie produite. De plus, les contrôleurs MPPT peuvent fonctionner à des tensions plus élevées et à des courants de réseau plus faibles, ce qui peut entraîner moins de chaînes en parallèle et des tailles de fils plus petites.

Un contrôleur PWM ne peut être utilisé qu'avec des modules adaptés à la tension de la batterie, les modules pouvant être utilisés sont donc limités. De nombreux modules de 60 cellules ont une tension d'alimentation maximale (Vmp) égale à environ 30 V, ce qui les rend adaptés aux contrôleurs MPPT, mais pas aux contrôleurs PWM.

Bref, quoi de mieux, PWM ou MPPT ? Toutes choses étant égales par ailleurs, le MPPT est la technologie la plus récente qui récupère une plus grande quantité d’énergie. Malgré les avantages du MPPT, choisir un contrôleur PWM n'est pas toujours un choix judicieux, en particulier pour les petits systèmes ou dans les climats chauds où les augmentations MPPT sont moins perceptibles.

Comparaison des contrôleurs de charge solaire PWM et MPPT

Contrôleurs PWM	Contrôleurs MPPT
La tension du réseau est « réduite » à la tension de la batterie	Convertir l'excès de tension d'entrée en ampérage
Fonctionnent généralement en dessous de Vmp	Opérer chez Vmp
Convient aux petites configurations de modules	Convient aux grandes configurations de modules qui ont un coût par watt inférieur
Souvent choisi pour les climats très chauds qui ne donneront pas autant de boost MPPT	Fournit plus de boost que le PWM, en particulier pendant les journées froides et/ou lorsque la tension de la batterie est faible

Chargement PWM

Les régulateurs solaires conventionnels dotés d'une fonction de charge PWM (Pulse width Modulation) en créant une connexion directe entre le panneau solaire et le parc de batteries. Pendant la phase de charge globale, lorsqu'il y a une connexion ininterrompue entre le module RAID et le groupe de batteries, la tension de sortie du module s'aligne sur la tension de la batterie. La tension de la batterie subit de légers ajustements en fonction de l'alimentation en courant du réseau ainsi que de la taille et des caractéristiques de la batterie.

Chargement MPPT

Les contrôleurs Morningstar MPPT intègrent la technologie TrakStar, conçue pour déterminer rapidement et précisément la Vmp (tension de puissance maximale) du panneau solaire. Les contrôleurs TrakStar MPPT utilisent une technique dans laquelle ils « balayent » l'entrée solaire pour identifier la tension à laquelle le générateur produit la puissance maximale. Le contrôleur capte l'énergie du réseau à cette tension Vmp et la convertit en tension de la batterie, augmentant simultanément le courant de charge.

Pourquoi choisir PWM plutôt que MPPT

La comparaison entre PWM et MPPT peut soulever des questions sur les raisons pour lesquelles on opterait pour unContrôleur PWMvia un contrôleur MPPT. Plusieurs facteurs peuvent réduire ou annuler les avantages offerts par les contrôleurs MPPT. Les considérations doivent inclure le coût, car les contrôleurs MPPT sont généralement proposés à un prix plus élevé que leurs homologues PWM. Lors du choix d'un contrôleur, il est essentiel d'évaluer le coût supplémentaire du MPPT par rapport aux facteurs suivants :

Applications à faible consommation :Les applications de charge à faible consommation, en particulier à faible courant, peuvent permettre d'obtenir une récupération d'énergie similaire, voire supérieure, avec un contrôleur PWM. Les contrôleurs PWM maintiennent une efficacité de récolte relativement constante quelle que soit la taille du système. En revanche, les régulateurs MPPT peuvent présenter une efficacité de récolte réduite lorsqu'ils sont utilisés dans des applications à faible consommation. Il est essentiel d'examiner les courbes d'efficacité disponibles dans les manuels des contrôleurs Morningstar MPPT lors de la sélection d'un régulateur.

Considérations climatiques :L'avantage le plus important d'un régulateur MPPT est souvent observé dans les climats plus froids où la Vmp (tension à puissance maximale) est plus élevée. À l’inverse, dans les climats plus chauds, Vmp diminue, réduisant ainsi la récolte MPPT par rapport au PWM. Des températures ambiantes moyennes élevées sur le site d'installation peuvent rendre les avantages du MPPT moins économiques.

Conditions de batterie pleine :Les systèmes dans lesquels la puissance de sortie du générateur solaire dépasse considérablement la consommation électrique des charges du système peuvent avoir pour conséquence que les batteries restent complètement ou presque complètement chargées la plupart du temps. Dans de tels cas, la capacité de récolte accrue d’un régulateur MPPT peut s’avérer inutile, surtout si l’autonomie n’est pas un facteur critique.

Pourquoi choisir MPPT plutôt que PWM

Opter pour les contrôleurs MPPT offre plusieurs avantages :

Récolte d'énergie accrue :Les contrôleurs MPPT fonctionnent à des tensions de réseau supérieures à la tension de la batterie, améliorant ainsi la récolte d'énergie des panneaux solaires de 5 à 30 % par rapport aux contrôleurs PWM, en fonction des conditions climatiques. La tension et l'ampérage du réseau sont continuellement ajustés tout au long de la journée pour maximiser la puissance de sortie.

Moins de restrictions de modules :Les contrôleurs MPPT, qui font fonctionner les panneaux à des tensions supérieures à la tension de la batterie, peuvent être utilisés avec une gamme plus large de modules solaires et de configurations de panneaux. Ils peuvent également prendre en charge des systèmes avec des fils de plus petite taille.

Prise en charge des tableaux surdimensionnés :Contrairement aux contrôleurs PWM, les contrôleurs MPPT peuvent s'adapter à des réseaux surdimensionnés qui pourraient autrement dépasser les limites de puissance maximale du contrôleur de charge. Le contrôleur gère cela en limitant la consommation de courant du générateur pendant les périodes de forte approvisionnement en énergie solaire, généralement au milieu de la journée. Bien que l'énergie excédentaire du panneau soit régulée pendant cette période, les panneaux surdimensionnés peuvent fournir plus de puissance en début et en fin de journée, par rapport aux panneaux plus petits non surdimensionnés.