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Tout ce que vous devez savoir sur la technologie MPPT
Théorie, fonctionnement
et applications possibles avec la technologie de régulation MPPT appliquée
aux systèmes électriques solaires photovoltaïques.
Qu’est-ce qu’un régulateur
MPPT ?
Ce document couvre la théorie
et les principes de fonctionnement de la technologie MPPT, c'est-à-dire “Maximum
Power Point Tracking” telle qu’elle est utilisée dans les régulateurs
de charge électrique.
Un régulateur MPPT ou Maximum
Power Point Tracking (traduction française = « recherche du point
de puissance maximum ») est un convertisseur électronique DC/DC (courant
continu vers courant continu) qui optimise en permanence les paramètres
électriques de fonctionnement entre les 3 systèmes suivants :
Ces régulateurs peuvent
aussi être appelés “Power Trackers”, appellation à
ne pas confondre avec le terme « Panel Trackers » qui désigne
un système mécanique mobile destiné à recevoir des panneaux
solaires et capable de suivre la course du soleil (principe du tournesol).
Qu’entendons nous par optimiser
?
Une cellule solaire, comme une batterie,
n’est pas, par nature, « intelligente ».
La majorité des panneaux solaires
sont conçus pour produire, en théorie, un courant ayant une tension
nominale de 12 Volts. En réalité la plupart de ces panneaux peuvent
produire un courant dont la tension varie entre 16 Volts et 36 Volts.
Le problème réside dans
le fait qu’une batterie fonctionne généralement avec une tension
nominale de 12 Volts. Plus précisément entre 10,5 Volts et 12,7 Volts
en fonction de son état de charge. Une batterie, lorsqu’elle est en
charge, a besoin de 13,2 Volts à 14,2 Volts pour pouvoir se recharger complètement.
Ces valeurs sont sensiblement différentes
des valeurs nominales produites par la plupart des panneaux solaires photovoltaïques.
Cas pratique : considérons
que nous avons un panneau de 120 Watts.
Constat N° 1
Le panneau produit 120 Watts sous
une tension et un courant bien précis.
Exemple : Un panneau Kyocera
KC-120 produira 120 Watts sous une intensité (ou courant) de 7,1 Ampères
et une tension de 16,9 Volts.
7,1 x 16,9 = 120 Watts
Pourquoi 120 Watts ne sont pas
égaux à 120 Watts ?
Où sont passés mes
Watts ?
Question :
Que se passe-t-il lorsque vous raccordez ce même panneau de 120 Watts à
votre batterie ?
Réponse :
Vous n’obtenez pas 120 Watts !
Votre panneau délivre une intensité
(ou courant) de 7,1 Ampères.
Votre batterie se charge sous une
tension de 12 Volts.
7,1 x 12 = 85 Watts … et non
120 Watts
35 Watts ont disparu au passage alors
que vous avez acheté un panneau de 120 Watts.
Les 35 Watts manquants ne sont pas
partis dans la nature. Ils n’ont tout simplement pas été produits
par le panneau. En effet, le panneau et la batterie ne se sont pas calés
de façon « intelligente » de manière à
fonctionner correctement ensemble (configuration optimale).
C’est encore pire avec une batterie
faiblement chargée et délivrant par conséquent environ 10,5
Volts.
Vous pouvez alors perdre plus de 35%
de la puissance attendue.
10,5 Volts x 7,1 Ampères =
75 Watts soit un manque de 45 Watts de puissance
Constat N°2
Le panneau de 120 Watts est capable
de produire 120 Watts dans des conditions d’ensoleillement et de température
bien précises (STC c'est-à-dire Standard Test Conditions ou Conditions
Standard de Test).
Si la température du panneau
est élevée vous n’aurez pas 17 Volts. Vous obtiendrez moins
de 15 Volts dans des régions chaudes. Si vous démarrez avec un panneau
délivrant moins de 15 Volts vous aurez un problème car la tension
(ou voltage) ne sera pas suffisante pour charger votre dispositif batterie.
Qu’est ce que le MPPT, c'est-à-dire
la recherche du point de puissance maximum ?
Tout d’abord il faut éviter
la confusion faite autour du terme “Tracking” ou “Recherche”
Panel tracking
Le terme “Panel tracking”
est utilisé pour décrire les systèmes mécaniques mobiles
sur lesquels peuvent être montés les panneaux solaires. Ces supports
mobiles sont conçus pour ‘suivre’ la course du soleil afin d’optimiser
tout au long de la journée, l’angle d’inclinaison du panneau
face aux rayonnements du soleil. Ces systèmes fonctionnent sur le même
principe que les tournesols, et permettent d’obtenir des améliorations
du rendement de puissance de l’ordre de 15% en hiver et jusqu’à
35% en été.
MPPT
La recherche du point de puissance
maximum (MPPT) est intégralement réalisée de façon électronique,
sans aucun dispositif ou système mécanique.
Le contrôleur ou régulateur
MPPT mesure et compare en permanence, la tension délivrée par le panneau
avec celle du dispositif batterie.
Il calcule alors le niveau de puissance
maximum que :
- le panneau peut délivrer à la batterie
- la batterie est capable de recevoir
A partir de cette valeur de puissance,
il détermine la tension (voltage) la plus adaptée afin d’avoir
le maximum d’Ampères dans la batterie.
Gardez en tête que ce sont les
Ampères de la batterie qui comptent le plus.
La plupart des régulateurs
MPPT modernes permettent d’obtenir des rendements situés entre 92%
et 97%.
L’emploi d’un régulateur
MPPT permet d’obtenir généralement de 20% à 45% de puissance
supplémentaire en hiver et de 10% à 15% en été (par
rapport à un régulateur classique).
Les gains réels peuvent varier
largement en fonction de la météo, de la température, de l’état
de charge de la batterie et d’autres facteurs.
Les régulateurs MPPT sont de
plus en plus utilisés et de plus en plus populaires étant donné
le coût élevé des panneaux solaires.
Le coût d’investissement
d’un régulateur MPPT est généralement amorti dès
lors que la puissance totale de l’installation solaire photovoltaïque
est supérieure à 500 Watts (> 5 panneaux de 100 Watts ou > 4
panneaux de 160 Watts)
Comment fonctionne la recherche
du point de puissance maximale ?
Imaginons que le niveau de charge
de votre batterie est bas, disons environ 11,5 Volts. Le régulateur MPPT
reçoit 7,1 Ampères de courant (ou d’intensité) sous une
tension de 16,9 Volts. Il convertit ces 7,1 Ampères sous 16,9 Volts en 9,6
Ampères sous 12,5 Volts avant de les fournir au dispositif batterie.
7,1 x 16,9 = 119,99 Watts (soit 120
Watts)
9,6 x 12,5 = 120,00 Watts
Maintenant vous récupérez
bien vos 120 Watts à l’arrivée
Idéalement, pour disposer
d’un rendement de 100% lors de la conversion, vous devriez avoir 10 Ampères
sous une tension de 11,5 Volts. Mais vous devez alimenter le dispositif batterie
avec une tension (ou voltage) supérieure pour forcer la charge des Ampères
dans le dispositif batterie. C’est pour cela que le régulateur MPPT
utilise une tension (ou voltage) 12,5 Volts et non de 11,5 Volts.
Graphique du point maximum de puissance
La courbe verte (régulation
MPPT) comporte une crête qui correspond au point maximum de puissance.
La courbe rouge (sans régulation
MPPT) comporte une crête ‘classique’
Un régulateur MPPT recherche
le point de puissance maximum, dont la valeur diffère de la valeur STC (Standard
Test Conditions) dans presque toutes les situations.
Les régulateurs MPPT sont
plus efficaces sous certaines conditions
Dans des conditions de températures
très froides, le panneau de 120 Watts est capable de produire plus de 130
Watts car plus la température est basse plus la puissance produite est élevée.
D’un autre côté, dans des conditions de températures très
chaudes, plus la température augmente plus la puissance produite par le panneau
diminue.
C’est la raison pour laquelle
le gain obtenu par l’emploi d’un régulateur MPPT est plus important
dans les conditions suivantes : Hiver (basses températures) et/ou temps
nuageux ou brumeux. Bref, quand il est possible de récupérer plus
de puissance.
Maintenant revenons à la
question initiale : Qu’est ce que le MPPT ? La recherche du point de
puissance maximum ?
Le système de recherche du
point de puissance maximum est un convertisseur DC vers DC c'est-à-dire un
appareil qui convertit le courant continu en courant continu. Cet appareil prend
le courant continu dans les panneaux solaires, le transforme en courant alternatif
haute fréquence, et le convertit à nouveau en un courant continu dont
la tension et l’intensité sont parfaitement adaptées au dispositif
batterie.
Le régulateur MPPT fonctionne
avec des fréquences audio très élevées, généralement
situées dans la plage des 20-80 kHz. L’avantage des circuits hautes
fréquences est qu’ils peuvent être conçus avec des transformateurs
très efficaces de petite taille.
Il existe aujourd’hui plusieurs
régulateurs MPPT analogiques. Ils sont plus faciles à concevoir et
moins coûteux à produire que les régulateurs MPPT numériques.
Ces régulateurs améliorent le rendement des panneaux, mais leur efficacité
est très variable. Il arrive qu’ils perdent leur point de puissance,
engendrant ainsi un rendement très mauvais. Cela peut arriver de façon
occasionnelle si un nuage passe au dessus des panneaux solaires. Le circuit linéaire
recherche alors le point de puissance suivant, se cale dessus, mais est incapable
de revenir au point précédent lorsque le nuage disparaît et
que le soleil revient. Heureusement, cela n’arrive pas trop souvent.
Les systèmes de recherche du
point de puissance (et tous les convertisseurs DC vers DC) fonctionnent sur
le même principe : ils prennent le courant continu, le convertissent
en courant alternatif (via un transformateur de type toroïdal) et le convertissent
à nouveau en courant continu à la sortie du régulateur.
Ce processus est entièrement
électronique dans la plupart des convertisseurs DC/DC classiques. Ces systèmes
ne nécessitent pas vraiment d’ « intelligence »
à l’exception de la phase de conversion lors de la régulation
de sortie.
Les régulateurs de charge MPPT
des panneaux solaires nécessitent, quant à eux, beaucoup plus d’ « intelligence »
étant donné les variations intempestives de :
Les systèmes de recherche
de puissance “intelligents”
La plupart des nouveaux modèles
de régulateurs MPPT disponibles sont pilotés et contrôlés
par un microprocesseur. Ces nouveaux régulateurs savent quand et comment
ajuster le signal électrique en sortie (envoyé à la batterie).
Ils sont capables d’interrompre l’alimentation pendant quelques microsecondes
afin d’analyser le dispositif d’alimentation (panneaux solaires) et
le dispositif batterie afin de réaliser les ajustements nécessaires
(optimisation et réglage des paramètres de conversion du courant).
Bien qu’ils ne soient pas vraiment
nouveaux (ce type de régulateurs existe depuis 1985), la baisse des coûts
des microprocesseurs les ont rendus accessibles pour les installations de tailles
plus modestes (installations inférieures à 1 kW). L’apparition
de nouveaux régulateurs tels que les FM60
et FM80 de Outback Power Systems
a finalement permis de casser les barrières du rapport qualité/prix.
