Circuits électriques
Utile pour vivre comme à la maison ...
1 . Distribution électrique
Dans cet article, vous trouverez détaillés l'installation électrique embarquée dans le fourgon aménagé ainsi que l'équipement électrique nécessaire pour utiliser son véhicule de loisirs .
L' installation électrique :
L'installation électrique dans un fourgon aménagé, ou un camping-car, est très simplifiée mais elle est surtout articulée principalement autour de la gestion de l'énergie assurant l'autonomie du véhicule .
On rencontre deux types de tension dans un véhicule de loisirs : le 12V continu et le 220V alternatif .
Le 12V continu est fourni par la batterie du véhicule, le panneau solaire mais surtout par la(les) batterie(s) auxiliaire(s) de la cellule (couramment appelée "batterie cellule " ou "batterie de servitude " ) .
Le 220V alternatif, quant à lui, n'est disponible qu'à l'arrêt, sur une aire de service ou dans un camping : de ce fait on pourra utiliser tout le matériel électroménager embarqué, fonctionnant sur secteur, voire même un éclairage complémentaire et plus puissant sous 220V, intérieur/extérieur .
Si le véhicule est équipé d'un chargeur de batterie, la présence du 220V alternatif une fois redressé par ce chargeur, permettra à l'arrêt de re-hausser le niveau de tension des batteries .
Une prise extérieure étanche et fermée par une trappe, encastrée dans la carrosserie du fourgon, fournira le 220V au véhicule . (voir photo 01)
Le courant électrique à l'intérieur du véhicule servira pour l'éclairage basse tension 12V ou 220V, pour l'alimentation des prises électriques, pour la recharge des batteries, pour la signalisation des niveaux d'eau, etc ...
(Cliquer sur les photos pour les agrandir)
(en cours)
Photo 01 : prise extérieure, raccordement au secteur 220V
1 . L'éclairage :
Pour notre fourgon, l'éclairage utilisé à l'intérieur de la cellule est essentiellement du type Led's très basse consommation .
Il se compose de la façon suivante :
- 2 appliques en plafond, commandées par 2 interrupteurs va-et-vient,
- 1 applique intérieure en entrée de cellule, au-dessus de la porte coulissante,
- 1 applique extérieure au-dessus de la porte coulissante,
- 1 applique double allumage dans la salle d'eau,
- 2 appliques à l'intérieur du coffre à matelas, de part et d'autre du lit,
- 1 éclairage encastré dans la hotte électrique, au-dessus de la plaque de cuisson .
Un éclairage complémentaire, réglette à Led's au-dessus de la table à manger, mais alimenté par le secteur, améliorera l' éclairement dans la cellule lors des arrêts sur une structure organisée .
Photo 02 : ... les deux plafonniers à Led's ainsi que les deux enceintes branchées sur l'autoradio du fourgon .
Photo 03 : ... l' applique double éclairage dans la salle d'eau surdimensionné pour un si petit endroit !
Photo 04 : ... une autre applique en entrée qui apporte un confort certain au niveau du bloc cuisine .
Photo 05 : ... deux petites appliques supplémentaires logées dans le coffre de lit, éclairage intéressant pour la lecture en position allongée .
2 . Les prises électriques :
Seulement 3 prises électriques fonctionnant sur secteur sont installées dans le fourgon dont :
- 1 prise 2P+T en entrée de cellule sur le meuble de cuisine,
- 2 prises 2P+T à l'arrière et de part et d'autre du fourgon, au-dessus des grands coffres .
Une quatrième prise 220V au niveau du "coffre batteries" est disponible mais limitée en puissance : il s'agit de celle en sortie du convertisseur 12V continu/220V alternatif .
Cette prise est accessible quelque soit l'état de marche du véhicule puisque l'énergie est directement puisée sur les batteries de cellule et pas sur le secteur .
Le convertisseur dispose d'une puissance de 600W ce qui représente un courant maxi de 50A ! ... autant dire utiliser cette prise à bon escient pour des recharges de faible puissance : téléphone portable, chargeur batterie multimédia, ...
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Les équipements électriques :
3 . Le fonctionnement de la pompe à eau :
La Pompe à eau Aqua 8 FIAMMA 8L/mn 12V utilisée sur notre fourgon est une pompe auto-amorçante avec filtre incorporé et tampons anti-vibratoires Silent Plate de série : cette pompe est auto-amorçante jusqu’à 3 mètres de hauteur .
Le filtre en inox évite le passage des impuretés ; facile à démonter pour le nettoyage et pour une plus grande longévité : nous lui adjoindrons néanmoins un filtre supplémentaire intercalé entre la prise d'eau du réservoir et l'aspiration de la pompe .
Le fonctionnement est automatique grâce au pressostat monté dans le circuit d'eau qui démarre et arrête la pompe en fonction de la demande . Toutes les parties en contact direct avec l’eau sont fabriquées en plastique alimentaire .
Résistante aux dépôts et à l’oxydation, elle peut fonctionner à vide et dans toutes les positions sans risquer de s’endommager : entretien facile, pièces détachées facilement remplaçables .
(a) (b)
Photo 06 : (a) La pompe livrée avec son support spécial et tampons anti-vibratoires «Silent Plate» pour supprimer les vibrations, avec ou sans pressostat incorporé .
(b) Notre pompe et équipements hydrauliques montés sur un même support facilement accessible pour tout intervention de maintenance avec sur la droite près du vase d'expansion, la présence du pressostat qui permet la mise en route automatique de la pompe .
(a) (b) (c)
Photo 07 : contacteurs à pied, contacteur automatique . La mise en route de la pompe à eau peut se faire soit par une commande au pied fixée au sol (a), soit par pression sur une membrane souple fixée verticalement (b), soit automatiquement par ouverture d'un robinet, la chute de pression actionnant un pressostat (c) . Dans les trois cas, c'est un contact sec NO (Normal Ouvert) lorsqu'il est actionné, se ferme et alimente électriquement la pompe à eau .
4 . Les organes de contrôle :
a . Contrôle du niveau des réservoirs d'eau : CBE MT214
il s'agit d'une double jauge pour réservoir à eau potable et eau usée avec affichage par LED's .
Une simple LED rouge prévient de l'état du réservoir à eau usée (eau grise) : quand le niveau est atteint la LED s'éclaire .
Quatre LED's de couleur différente identifient quatre niveaux dans le réservoir à eau potable .
La jauge est fournie avec 4 mètres de câble, 2 détecteurs de niveau haut pour le réservoir à eau grise (il s'agit de 2 vis à fixer à travers la paroi plastique du réservoir), 1 détecteur de niveaux pour le réservoir à eau potable constitué de 4 tiges en inox, immergées dans le réservoir : ces tiges peuvent être raccourcies pour s'adapter à la taille du réservoir .
Fonctionnement :
Jauge eau potable : lorsque le réservoir est vide, seule la tige la plus longue est immergée, la Led rouge est allumée ; lorsque le réservoir se remplit, dès que la deuxième tige est en contact avec l'eau ainsi que la troisième, le Led jaune respectif s'allume et quand la quatrième et dernière tige entre en contact avec l'eau, le Led vert s'allume signalant que le réservoir est plein .
Jauge eau usée : fixer une vis à travers la paroi du réservoir, quelle que soit la position et la seconde vis au point le plus haut correspondant au niveau "plein" du réservoir .
Quand les deux vis se trouvent immergées dans le liquide d'eau usée, le Led rouge, à droite de l'indicateur, s'allume sous la pression du poussoir situé en dessous .
Photo 08 : le kit est fourni avec la jauge 4 niveaux, 4m de câble, 2 sensors pour eau usée et son tableau de contrôle .
( voir le montage sur les réservoirs Circuit d'eau )
b . Contrôle du niveau de charge des batteries :
L'indicateur permet d'afficher le niveau de tension pour 3 batteries dont celle du véhicule et 2 batteries de cellule .
L'indicateur dispose d'un (-) commun aux trois batteries et d'un (+) pour chacune des batteries ; l'affichage par Led's du niveau de tension se fait par pression sur le poussoir de la batterie concernée avec 3 couleurs différentes jaune, vert et rouge : "jaune" indiquant la batterie en décharge, "vert" la batterie chargée et "rouge" la batterie en charge ou en surcharge .
Photo 09 : deux autres broches à relier sont disponibles à l'arrière de l'indicateur signalant la connexion des batteries auxiliaires sur le circuit mais comme ces dernières sont raccordées sur un coupleur/séparateur, ces deux Led's ne sont pas utilisés .
c . Contrôle de température à l'arrière du réfrigérateur :
Le turbo-frigo est un double ventilateur à installer derrière la grille haute du réfrigérateur pour en améliorer sensiblement les performances en aidant à l'évacuation de l'air chaud dégagé par le condenseur du réfrigérateur .
Le boîtier de contrôle dispose de 3 positions : Arrêt, Marche forcée, Automatique .
Le fonctionnement entièrement automatique est possible grâce à la sonde thermique logée au niveau des ventilateurs : l'adaptation automatique de la vitesse est fonction de la température .
Avec une consommation de 0.5 A sous une tension de 12 V, le système est très silencieux .
Photo 10 : en "Marche Auto" et pour une température inférieure à 50° un seul ventilateur est en action, le second est alimenté dès que la température ambiante dépasse ce seuil , le seuil étant réglable sur la face avant du boîtier de contrôle par une vis . En position "Marche forcée", les deux ventilateurs sont alimentés en 12V quelle que soit la température .
5. Le chargeur de batterie :
Le chargeur de batterie de la série BC (SMART CHARGER COMPACT BC012-15 APT 12V 15A) est un chargeur de type IUoU .
Dans un chargeur IUoU, signifiant à courant constant puis à tension constante, le mode de charge s'effectue en 3 phases + 1 dont la première phase est de s'assurer en permanence que la batterie soit complètement chargée : les 3 autres phases sont la charge à courant constant, puis à tension constante et ensuite la phase d'entretien ou "floating" . ( voir chapitre 3 . Différents modes de charge )
Entièrement programmable sur la face avant, le chargeur respecte 4 étapes de charge et s'adapte à tout type de batterie (acide, gel, AGM) .
Avec un courant de charge de 15A, il convient pour des batteries de capacité 150 Ah : les nôtres étant de 130 Ah .
Photo 11 : sur la face avant du chargeur, 3 Led's indiquent l'état de charge de la batterie, Bulk pour courant constant Absorption pour tension constante et Float pour la phase d'entretien .
6. Le convertisseur de tension :
Tension d'entrée : DC 10 ~ 15V (12V) ; courant d'entrée pleine charge : 60A sous 12V ; courant à vide <0.6A
Tension de sortie : 220V ~ 240V ; fréquence de sortie : 50 Hz sinusoïdal
Puissance de sortie continue : 600W
Puissance de sortie en crête : 1500W
Rendement : 85~90%
Photo 12 : (en cours)
7. Le panneau solaire :
Le fourgon est équipé d'un kit solaire ou photovoltaïque de 140W ANTARION pour le panneau monocristallin et d'un régulateur de charge PWM adéquat, mais aussi un passage de câble étanche, un kit colle, les 6m de câbles électriques nécessaires ainsi que des pattes de fixation en aluminium anodisé montées d'origine sur le panneau .
Photo 13 : la durée de vie d'un panneau est de 20 à 25 ans !
Le régulateur 120W / 160W :
Contrôleur de charge et de décharge d'énergie solaire ANTARION.
Ce produit est la nouvelle génération intelligente du système de contrôle de charge et de décharge d'énergie solaire .
- Trois LED permettent d'afficher l'état de fonctionnement du système,
- Modes de charge en deux phases: charge avec force et charge flotante (floating),
- Chargement contrôlé par microprocesseur à puce unique MCU, réglage de PWM, compensation automatique de la température,
- Fonction de protection électronique, contrôle effectif de la connexion inversée, du court-circuit et de la surcharge,
- Ce contrôleur est utilisé principalement pour protéger les accumulateurs, afin d'éviter la surcharge d'énergie solaire ainsi que la décharge profonde : la tension électrique de charge est réglée automatiquement selon les changements de température,
- Ce produit ne fonctionne qu'en 12V .
Paramètres techniques:
- Tension électrique nominale: 12V
- Tension électrique de charge forcée: 14.5V
- Tension électrique de charge flottante: 13.7V (25°)
- Coupure de tension électrique en cas de tension électrique basse de charge : 11.5V (contrôleur de tension électrique) (25°)
- Reconnexion de tension électrique de charge : 12.5V
- Coefficient de compensation de la température : -4mV/cellule*K
- Courant maximal de chargement : 10 A
- Courant maximal de charge : 10 A
- Diamètre maximal de connexion : 4mm²
- Poids : 200g
- Dimensions : 116.3X104.4X37.7mm
- Température de travail : -40 à +50°C
- Classement de protection : IP22
Photo 14 : le Led jaune supérieur indique l'état de l'accumulateur (Normal = éteint, Basse = éclairé, Très Basse = clignotant)
Le Led vert de gauche indique l'état du panneau (Allumé = fournit du courant, Eteint = ne fournit pas de courant)
Le Led rouge de droite indique l'état de la charge (Normal = éteint, Protection décharge = éclairé, Surcharge = clignotant)
8. Le chauffage route : Hélios 2000 Premium
Le chauffage de route pour camping-car ou chauffage diffuseur est un radiateur à circulation de liquide caloporteur avec ventilateur électrique intégré qui se raccorde sur le circuit de refroidissement du véhicule ou sur un chauffage à circulation d'eau chaude .
Le nôtre est directement raccordé sur l'entrée du chauffage cabine du véhicule à l'aide de 2 flexibles comme sur la photo ci-dessous (b) .
Fonctionnement silencieux de la ventilation et consommation électrique réduite (0,4 et 0,2A), alimenté sous 12V, le radiateur fournit une puissance de 1500W et 2000W pour un poids de 1kg .
Dimensions L x H x P : 239 x 170 x 120 mm .
Photo 16 : le chauffage route, au niveau du sol, près du coin repas .
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2 . Détails du coupleur/séparateur
Le coupleur/séparateur :
1 . La gestion de l'énergie :
La gestion de l'énergie est assurée par un coupleur/séparateur électronique 3 batteries, de technologie PWM, dont les caractéristiques sont les suivantes :
- marque INOVTECH, référence 480721
- courant de charge maxi. de 70A
- capacité batterie individuelle de 300Ah
- sortie spécifique réfrigérateur de 30A, non protégée
- sortie alimentation cellule de 30A équipée d'un dispositif de sécurité basse tension réglé à 11.5V
- sortie secours de 1.5A en cas de sous-tension
- charge à découpage PWM
- entrée chargeur 12V .
Le véhicule est donc équipé de 2 batteries auxiliaires 12V 130Ah et d'un panneau solaire de 140 watts pour un courant de charge maximum de 9,8A ; un chargeur de batteries 220V/12V installé à l'intérieur du coffre à batteries permet, à l'arrêt, de prendre la relève du panneau solaire . Le panneau solaire et le chargeur sont montés en parallèle et raccordés sur l'entrée "+ chargeur" .
(Le panneau solaire et le chargeur de batteries, sont protégés tous deux contre les courants inverses et peuvent se raccorder en parallèle sans risque) .
Un intérêt supplémentaire du coupleur est de pouvoir prendre en charge des batteries à décharge lente de nature et type différents .
Photo 01 : schéma de raccordement du coupleur à l'aide de cosses plates .
Photo 02 : le coupleur INOVTECH en boîtier moulé, prévoir une aération suffisante autour du boîtier pour une meilleure dissipation de la chaleur produite par l'intensité importante pouvant circuler dans les circuits .
Photo 03 : le coupleur dans le coffre batteries, installé en partie haute pour une meilleure ventilation .
2 . Le coupleur/séparateur Inovtech :
Fonctionnement du coupleur/séparateur :
Grâce à son logiciel intégré, il adapte en temps réel, en fonction de leur état respectif, la tension de charge fournie par l'alternateur du véhicule et/ou une autre source (chargeur, panneau solaire ...) à chacune des batteries auxiliaires .
Les batteries sont ainsi mieux chargées et préservées quelle qu'en soit la puissance (écart de puissance indifférent), l'âge ou le type (électrolyte liquide, gel ...) .
Ce coupleur/séparateur permet d'alimenter vos accessoires en 12V tout en préservant vos batteries des décharges profondes qui leurs seraient néfastes .
De plus , il connecte la batterie du véhicule aux batteries auxiliaires dès lors que la tension à ses bornes est supérieure à 13.6V, et la sépare automatiquement dès que sa tension devient inférieure à 12.6V .
Cela permet à tout instant de tirer le meilleur parti de la capacité batterie disponible pour l'alimentation des divers équipements tout en maintenant, aux bornes de la batterie principale, une tension suffisante pour le démarrage du moteur .
Utilisation :
• En mode utilisation 12V :
Les divers équipements sont branchés sur la batterie auxiliaire « + Sortie 30 A » .
Les consommations 12V (pompe, éclairages, chauffage, ...) se font à partir de la batterie moteur et auxiliaire 1 connectée en parallèle au travers du coupleur . Lorsque la tension commune de ces 2 batteries passe à 12,5V , la batterie du véhicule se déconnecte . La consommation se fait alors uniquement sur la batterie auxiliaire . Celle-ci alimentera les accessoires tant que la tension ne descend pas en dessous de 11,5 V, seuil de décharge profonde de la batterie . Passé ce seuil, l’alimentation des accessoires est coupée .
La sortie « Secours » permet, en cas de sous tension, et de coupure de la sortie principale de 30 A, d’éviter la purge du boiler (ou autre accessoire indispensable) et de conserver l’allumage du réfrigérateur en maintenant leur alimentation électrique .
La sortie repérée « + Frigo 30 A » ne possède pas de sécurité basse tension . Elle est directement reliée à la batterie auxiliaire 2, commandée par l’APC (Positif Après Contact) . En l'absence du 12V sur l'entrée APC, la sortie « + Frigo 30 A » n'est pas activée : ce qui signifie qu'à l'arrêt du véhicule, le 12V sur la sortie APC disparaît coupant ainsi toute tension sur la sortie « + Frigo 30 A » .
La batterie auxiliaire 2 reste disponible pour l’alimentation en « direct batterie » de vos accessoires (démodulateur et antenne satellite, téléviseurs, rafraîchisseurs d’air …) à protéger ensuite par fusibles .
• Charge à partir de l'alternateur :
La batterie du véhicule est rechargée en priorité . Lorsque sa tension est égale à 13,6 volts, les batteries auxiliaires 1 et 2 se couplent automatiquement . La charge s'effectue alors sur les 3 batteries connectées et durera tant que l'alternateur sera en fonctionnement .
Un courant de charge optimisé de type PWM ( voir article Les modes de charge ) est alors fourni à chaque batterie auxiliaire .
• Charge à partir d'un chargeur de batterie ou d'un ensemble solaire :
Afin d'assurer la compatibilité avec les systèmes électriques les plus récents de nos véhicules (multiplexage), et ainsi de nous prémunir contre tout dommage sur ces circuits, la gamme des coupleurs séparateurs INOVTECH ne permet pas la recharge de la batterie moteur par les systèmes de charge dédiés aux batteries auxiliaires . Si vous raccordez le chargeur 220V (ou autre source de courant 12 V DC), le coupleur séparateur chargera tour à tour les batteries auxiliaires 1 et 2 en mode PWM jusqu'à ce que toutes deux aient atteint leurs seuils de charge maximale .
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3 . Différents modes de charge
I . Les modes de charge PWM et MPPT :
1 . Le mode PWM :
La Modulation de Largeur d' Impulsions (MLI) ou en anglais, Pulse Width Modulation, soit PWM, est une technique couramment utilisée pour synthétiser des signaux continus à l'aide de circuits électroniques à fonctionnement tout ou rien, ou plus généralement à états discrets .
Le principe général est qu'en appliquant une succession d'états discrets pendant des durées bien choisies, on peut obtenir en moyenne sur une certaine durée, n'importe quelle valeur intermédiaire : le graphique ci-dessous en est une illustration .
Photo 01 : suivant la largeur des impulsions et l'espacement temps entre chacune d'elles, la tension moyenne en sortie est plus ou moins importante .
La Modulation de Largeur d’ Impulsions (PWM) est une méthode très rapide et efficace qui permet d’atteindre l’état de pleine charge d’une batterie solaire (ou à décharge lente) .
Contrairement aux contrôleurs plus anciens qui n’agissaient sur le courant de charge que par ON ou OFF (ce qui est suffisant pour restaurer l’état de charge d’une batterie à environ 70 à 80%), le régulateur à technique PWM vérifie constamment l’état de charge de la batterie pour ajuster la durée et la fréquence des impulsions de courant à lui délivrer .
Si la batterie est déchargée, les impulsions de courant sont longues et presque ininterrompues .
Quand la batterie est presque entièrement chargée, les impulsions deviennent de plus en plus brèves et espacées .
Par sa nature même, cette technique achève la dernière portion du processus de la recharge (la plus complexe et certainement la plus importante) et diminue ainsi considérablement la sulfatation des plaques ( voir l'article Recharge incontrôlée ou le dossier Batterie ) car le courant de charge de la batterie est pulsé à haute fréquence : c'est le principe des appareils dits "regénérateurs" .
2 . Le mode MPPT :
Ce mode de charge est issu de l'évolution des régulateurs de charge solaires ou photovoltaïques . (voir article suivant Choix du panneau solaire )
Le Maximum Power Point Tracking (MPPT) en anglais ou Recherche du Point de Puissance Maximum, (RPPM) en français, est un mode de charge plus "pointu" que le précédent PWM ; les prix de ces modules sont sensiblement plus élevés .
Le régulateur MPPT ou tracker MPP, est un principe permettant de suivre, comme son nom l'indique, le point de puissance maximale d'un générateur électrique non linéaire .
Les systèmes MPPT sont généralement associés avec les générateurs photovoltaïques ou encore avec les générateurs éoliens .
Photo 02 : Les systèmes MPPT sont à la recherche permanente de la puissance maximale . Comme la puissance donnée P (en Watts) est le produit de la tension de sortie U (en Volts) par l'intensité du courant I (en Ampères) soit P = U x I , sur le graphique ci-dessus le point de tracking ne sera pas le point A où l'intensité du courant est supérieure ni le point B où la tension est plus élevée mais le point MPP où le produit U x I est le plus important . ( voir aussi l'article 5 . Régulateur pour panneau photovoltaïque )
II . Le mode de charge IUoU :
3 . Le chargeur de batterie sur secteur :
Le chargeur utilisé dans notre fourgon est un chargeur intelligent à microprocesseur du type IUoU, c'est-à-dire à régulation de courant de charge et de tension . Ce type de chargeur contrairement au chargeur standard de batterie de démarrage, augmente la longévité des batteries à décharge lente .
Dans un chargeur de batterie standard, le courant au début de la charge est très important, au-delà des caractéristiques imposées par la batterie, puis décroît légèrement en fonction de la recharge de la batterie mais reste maintenu en permanence quelque soit l'état de charge .
Ce processus est très mauvais pour la régénération des plaques, des électrodes : il en va de même avec les régulateurs de charge des panneaux solaires, il est préférable d'installer des régulateurs PWM (Pulse With Modulation) ou MPPT (Max Power Point Tracking) .
Dans un chargeur IUoU, signifiant à courant constant puis à tension constante, le mode de charge s'effectue en 3 phases (voir Photo 03) .
1) En phase 1 : la charge s'effectue en courant constant I . Le courant ne varie pas mais la tension augmente progressivement jusqu'à atteindre les 14 volts, soit 80% de charge .
On appelle cette phase, la phase " bulk ".
2) En phase 2 : la tension reste constante pour terminer les 20% de charge restants et l'intensité du courant décroit progressivement jusqu'à se stabiliser : la batterie est supposée rechargée complètement (100%), le chargeur coupe toute charge et laisse la batterie se stabiliser pour mesurer sa tension de repos .
On appelle cette phase, la phase d'absorption ou la phase " boost ".
3) En phase 3 : le chargeur applique de nouveau une tension constante égale à la valeur de repos de la batterie pleine et ce de façon définitive jusqu'à la prochaine charge .
On appelle cette phase, la phase d'entretien ou floating dont le but est de compenser les pertes d'auto-décharge sans surcharge de la batterie .
Photo 03 : en ordonnée la variation du courant (en rouge) et celle de la tension (en bleu) et en abscisse le temps en heures .
Dans ce mode de charge, il existe une quatrième phase qui est celle de scrutation : elle permet de régler les paramètres de la phase de floating .
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4 . Choix du panneau solaire
1 . Panneau photovoltaïque et régulateur :
Les différents types de panneaux
Le fonctionnement d'un panneau photovoltaïque
Constitution d'une cellule
Composition d'un panneau photovoltaïque
Précautions d'utilisation
Conclusions
Détermination du choix d'un panneau
( voir article Régulateur pour panneau solaire )
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Les différents types de panneaux : On distingue actuellement 3 principaux types de panneaux photovoltaïques, qui sont différenciés par le type de cellules qui les composent . Toutes les cellules sont produites à base de silicium, mais les méthodes de fabrication diffèrent et leur donnent des caractéristiques très différentes, notamment en termes de productivité .
En fonction des matériaux utilisés et de la technique de construction, les panneaux photovoltaïques auront des rendements différents .
Sur le marché grand public on trouve trois familles, mais pour les véhicules de loisirs, seulement le monocristallin et le polycristallin sont proposés en raison de leur rapport prix/rendement :
- monocristallin : c'est la technologie la plus performante en terme de rendement (15 à 22%) car ils sont fabriqués à partir de tranches de cristal pur; facile à reconnaître, les cellules sont octogonales et d'une couleur foncée, grise ou bleu marine .
- polycristallin : dans ce cas les cristaux sont reconstitués à partir de chutes de cristaux . Leur rendement est un plus faible (10 à 15%), les meilleurs disposent d'un rendement de 15% : reconnaissables par leur aspect bleuté scintillant et les cellules sont de forme rectangulaire .
- amorphe : ici ce ne sont pas des cristaux mais des atomes organisés en couche homogène, les cellules sont produites à partir d'un "gaz de silicium" . Le rendement est beaucoup plus faible, de l'ordre de 5 à 10%, c'est la cellule des calculatrices et des montres dites "solaires", reconnaissable par leur teinte grise très foncée .
Un rendement de 10% signifie que pour une puissance de 1000 W (rayonnement solaire) qui arriverait sur le panneau, celui-ci produirait une puissance électrique de 100 Watts .
Concernant le coût, plus le rendement est élevé plus le coût l'est aussi, ceci s'explique par les difficultés de mise en oeuvre de la fabrication.
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Le fonctionnement d'un panneau photovoltaïque :
L’énergie solaire photopile ou photovoltaïque est le résultat de la conversion de la lumière du soleil en électricité par l’intermédiaire de matériaux semi-conducteurs, recouverts d’une mince couche métallique telle que le silicium :
- une couche dopée Positivement (avec un matériau comme le Bore qui possède moins d'électrons que le Silicium),
- une couche dopée Négativement (avec du Phosphore par exemple qui possède plus d'électrons que le Silicium) .
Lorsqu'un photon de la lumière arrive, son énergie crée une rupture entre un atome de silicium et un électron, modifiant les charges électriques . C'est ce qu'on appelle l'effet photovoltaïque . Les atomes, chargés positivement, vont alors dans la zone P et les électrons, chargés négativement, dans la zone N . Une différence de potentiel électrique, c'est-à-dire une tension électrique, est ainsi créée .
Le silicium : c'est l'élément le plus abondant sur la Terre après l'oxygène (27,6%) ; il n'existe pas à l'état libre mais sous forme de composés : de dioxyde silice (dans le sable, le quartz, etc ...) ou de silicates (dans les feldspath, la kaolinite, etc...) ,
Le photon : c'est une particule élémentaire qui constitue le rayonnement électromagnétique comme celui de la lumière visible : porteur d'énergie, le photon peut extraire des charges électriques des matériaux semi-conducteurs tels que le silicium .
Ainsi, et contrairement aux capteurs thermiques qui produisent de la chaleur (chauffe-eau, capteur plan, capteur tubulaire…), les panneaux solaires photovoltaïques produisent du courant électrique quand ils sont exposés à la lumière, par cette conversion photovoltaïque.
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Constitution d'une cellule :
Photo 01 : le croquis ci-dessus montre la production d’électricité :
Les cellules photovoltaïques sont composées de plusieurs couches.
La couche supérieure est composée de silicium dopé par un élément contenant plus d'électrons que lui . Cette couche contient donc plus d'électrons qu'une couche de silicium pur, cette couche est appelée semi-conducteur de type N .
La couche inférieure est composée de silicium dopé par un élément contenant moins d'électrons que lui . La couche contient donc moins d'électrons qu'une couche de silicium pur, elle est appelée semi-conducteur de type P .
La mise en contact de ces deux couches met en place une jonction PN qui permet le passage des électrons d'une couche à l'autre . Lorsque le lumière (les photons plus particulièrement) arrive sur le module photovoltaïque, il se crée un apport d'énergie qui vient arracher un électron de la couche N, qui vient ensuite se placer dans la couche P .
Photo 02 : le croquis ci-dessus montre la structure d'une cellule
En conséquence à cela, les charges à l’intérieur de la cellule sont modifiées . Des électrodes sont placées sur les couches, la cathode (pôle positif) est située au dessus de la couche N et l’anode au dessous de la couche P : il y a création d’une différence de potentiel électrique (tension) et formation d’un courant électrique .
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Composition d'un panneau photovoltaïque :
Un panneau photovoltaïque est composé de plusieurs cellules branchées en série et/ou en parallèle, chacune d'elles délivrant une tension de 0.5V à 0.6V . Ces cellules sont soudées les unes aux autres, traditionnellement sur leur face avant (il existe aussi des panneaux dont les soudures sont faites sur la face arrière, ces panneaux sont appelés "back contact", ils offrent en général un rendement supérieur de 10% grâce à la surface économisée sur la face avant) .
Une analogie avec la batterie d'accumulateurs au plomb de 12V peut être faite dans laquelle chaque élément (accumulateur) au nombre de 6 est constitué d'un ensemble de plusieurs plaques soudées en parallèle pour augmenter le courant débité donc la capacité de la batterie; ensuite ces 6 éléments de 2V chacun sont soudés en série pour fournir une batterie de 12 V .
L'analogie s'arrête là car une batterie d'accumulateurs stocke de l'énergie alors qu'un panneau photovoltaïque fournit une énergie à l'instant t fonction de l'ensoleillement, une énergie nulle lorsque le panneau est masqué .
Photo 03 : cellule de forme octogonale d'un panneau monocristallin
Un panneau constitué de 20 cellules photovoltaïques va donc délivrer une tension U de 12V, et cela quelque soit l'ensoleillement . Mais pour faire fonctionner des appareils électriques, c'est la puissance P (en Watt) qui détermine l'énergie électrique . Comme la puissance est égale au produit de cette tension par le courant produit ( P = U × I ) , c'est donc l'intensité du panneau qui déterminera l'énergie électrique et par voie de conséquence c'est l'intensité qui variera en fonction de l'ensoleillement .
L'intensité délivrée par une cellule dépend directement de l'irradiation solaire . Dans les conditions optimales d'irradiation (1000W/m²), un panneau solaire de 100W produira un courant de 6A avec une tension de 16,7V. S'il est peu illuminé, le panneau solaire délivrera un courant de très faible intensité .
L'irradiation : Dans le domaine de la physique, c'est une émission de rayons (notamment lumineux) d'un corps ou une propagation par rayonnement .
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Que signifie le terme « kilowatt crête » (kWc) ?
Les fabricants de panneaux photovoltaïques utilisent souvent ce terme pour désigner la puissance maximale donnée par leurs panneaux solaires . Le kilowatt crête ou Watt crête (Wc) correspond à la puissance de pointe (terme anglais « Kilowatt Peak » formé à partir du mot « peak » signifiant point culminant/pic) . Cette valeur indique la puissance atteinte par un panneau solaire exposé à un rayonnement solaire maximal (dans des conditions de test standard prédéfinies) . Une de ces conditions standard est un rayonnement solaire optimal de 1 000 watts par mètre carré, ce qui, en France, correspond aux heures autour de midi d'une belle journée d'été .
La « puissance crête » est désignée par la plupart des fabricants par le terme de « valeur nominale » ou « puissance nominale » . Puisqu’elle est basée sur des mesures effectuées dans des conditions optimales, la puissance crête ne correspond pas à la puissance enregistrée dans des conditions réelles de rayonnement . Elle est inférieure d’environ 15 à 20% en raison du fort échauffement des cellules solaires enregistré dans la pratique .
Précautions d'utilisation :
L'énergie produite dans des conditions réelles sera en général nettement inférieure à celle qui aurait été produite dans des conditions standards. Elle dépendra essentiellement de 3 facteurs :
- l'état du panneau, propreté et ombrage,
- le rayonnement global journalier, c'est-à-dire l'ensoleillement,
- la température du panneau .
a) L'état des panneaux :
Des pertes énergétiques peuvent survenir sur les panneaux solaires photovoltaïques, ce qui peut affecter leur rendement . Ces pertes énergétiques peuvent par exemple être des pertes par ombrage si l’environnement du panneau solaire photovoltaïque inclut des bâtiments, des arbres ou des murs qui produisent des ombres sur le panneau, affectant ainsi directement l’énergie collectée . De même, les dépôts de poussière ou de saleté sur les panneaux solaires photovoltaïques peuvent occasionner une réduction de la tension et du courant produit par le générateur photovoltaïque .
Il est important de maintenir un état d'extrême grande propreté pour un rendement maximal du panneau sachant que le rendement maximal sera atteint lorsque le soleil se trouve au zénith c'est-à-dire un rayonnement perpendiculaire à la surface du panneau : l'angle d'incidence optimal est donc de 90° .
b) Le rayonnement :
Le rendement des panneaux solaires dépend donc de leur orientation : l'angle d'incidence des rayons du soleil détermine le rendement du panneau solaire .
Photo 04 : suivant l'angle d'incidence, la quantité de lumière reçue au m² varie .
a) le soleil est au zénith, perpendiculaire au panneau photovoltaïque, la réception est maximale à 100%,
b) un faible angle d'incidence et la réception n'est plus que 90% de la lumière émise,
c) un grand angle d'incidence et la réception est de 33% .
C'est ce qui explique qu'il fait plus chaud en été parce que la surface chauffée par un même faisceau de lumière est moins grande (mais pas que ...) . Le sol reçoit donc jusqu'à trois fois plus de chaleur en été qu'en hiver .
Les journées étant jusqu'à deux fois plus longues, cela fait jusqu'à cinq fois plus d'énergie reçue au solstice d'été par rapport au solstice d'hiver . (voir photo 05 et 06)
(a) (b)
Photos 05 et 06 : (a) en rouge, déplacement du soleil au 21 juin (été), en vert le déplacement au 21 décembre (hiver) et en bleu lors de l'équinoxe . (b) représentation du soleil, sa position sa hauteur en fonction des périodes de l'année .
Quand la somme de l'angle d'inclinaison du panneau photovoltaïque et de l'angle zénithal est égale à 90° le panneau solaire est en orientation optimale sur le plan vertical .
Si l'angle d'incidence est de 90 ° : ................. le rendement est de 100%
Si l'angle d'incidence est de 55 ° : ................. le rendement est de 82%
Si l'angle d'incidence est de 30 ° : ................. le rendement est de 50%
Mais malheureusement le 100% nos camping-cars ne l'obtiennent qu'en été car nos panneaux solaires ne sont pas orientables et inclinables comme les paraboles de nos réceptions satellites !
Angle d'incidence : c'est l'angle formé par le plan du panneau solaire et les rayons du soleil, l'angle incident optimal étant de 90° .
Angle d'inclinaison : synonyme du terme "angle d'irradiation", c'est l'angle formé par le plan du panneau solaire et l'horizontale .
Angle zénithal : c'est l'angle formé par les rayons solaires et l'horizontale ; il varie en fonction de la hauteur du soleil au dessus de l'horizon.
c) La température :
Pertes liées à la température : paramètre important et non négligeable pour connaître le rendement réel d'un panneau solaire .
La puissance-crête est donnée pour une température de 25°C . Si la température réelle est très supérieure à cette valeur, il faudra en tenir compte . Les pertes seront alors de 0.4% par degré pour une cellule mono ou polycristalline (les plus courantes) et de 0.3% par degrés pour les autres technologies .
Attention : il s'agit de la température du panneau solaire et non de la température ambiante . La température du panneau est supérieure à la température de l'air (par exemple supérieure de 10°C ), les pertes seraient alors de 4% .
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Photo 07 : fourgon aménagé équipé de 4 panneaux photovoltaïques de 100 watts chacun .Observez les 36 cellules par panneau solaire .
??????? Photo du fourgon (en cours)
Photo 09 : notre fourgon équipé d'un panneau monocristallin de 130 watts .
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Le choix d'un kit solaire dépend donc de la consommation prévisionnelle de nos appareils électriques embarqués dans le camping-car .
La logique de calcul, pour évaluer la consommation électrique quotidienne, est de cumuler les puissances en watts (W) de nos appareils électriques puis de les multiplier par le nombre d'heures (h) d'utilisation estimée par jour (Wh/j) .
En conclusion, il faut calculer son besoin en électricité sachant que 100W de panneau solaire donnent environ +/- 300Wh/jour d’énergie .
Le bilan énergétique détaillé ci-après indique des consommations moyennes évaluées sur la base de puissances moyennes, et non sur des puissances mesurées sur place, sachant que certains jours on consommera plus et d'autres jours moins .
Dans les quatre premières colonnes du tableau ci-dessus, sont listées la quantité d'équipements, leur puissance unitaire (W) ainsi que l'intensité du courant absorbé (A) et l'intensité totale installée (A) .
b) Comment calculer la production électrique nécessaire d’un panneau solaire ?
Un panneau solaire produit de l’électricité de manière intermittente à cause des variations d’éclairement du soleil . La puissance électrique qu’il fournit (exprimée en watts) varie donc suivant les heures de la journée, mais aussi suivant les saisons . Pour pouvoir comparer la puissance entre les panneaux, on utilise le Watts-crête (Wc), (Watts peak en anglais), une mesure qui correspond à la puissance maximale que pourra débiter le panneau dans les conditions d’éclairement optimal STC (Standard Test Conditions) .
Ces conditions sont 1000 W de lumière/m2 (plein soleil à midi en zone tempérée) et pour une température de 25°C, celle du panneau et non la température ambiante .
Ensuite il convient de savoir combien d’heures cet éclairement va durer pour connaître l’énergie produite en Wh (Watts x heures) . Comme cet ensoleillement n’est pas constant lors d’une journée normale, on se sert de l’énergie solaire globale journalière (intégrale de l’ensoleillement sur une journée) . Cela revient à assimiler cette journée à "n" heures de soleil à 1000 W/m².
Par exemple, si l’énergie solaire journalière est de 3.5 kWh/m² = 3500 Wh/m², on considère que le panneau a été exposé pendant 3.5h à un ensoleillement de 1000W/m² (3500Wh/m² = 3.5h x 1000W/m²) .
Dans ce cas un panneau 100 Wc produit théoriquement 3.5h x 100 Wc = 350 Wh par jour .
C’est pourquoi dans le langage courant de la profession, on dit que dans une situation donnée, on a "5 heures de soleil" ou "1/2 h de soleil", à ne pas confondre avec la durée totale du jour, qui est nettement plus longue . Mais une journée de 8 h de jour ne correspond quasiment jamais à 8 h de plein soleil !
- Si je consomme 500 Wh par jour,
- sachant que 100 W de panneau produisent environ 250 à 300 Wh/j,
- mon panneau solaire de 140 W fournissant entre 350 et 420 Wh/j,
- quelle puissance de panneaux dois-je installer pour être autonome ?
Et pour la capacité des batteries, cela dépend de l'autonomie souhaitée .
- si on prend 2 x 130 Ah 12V de batteries cela fait : 260 Ah disponibles,
- 260 A x 0.35 (décharge sans les usées trop à 35%) = 91 Ah disponibles en 12v,
- soit 1092 Wh (91Ah x 12V) d'autonomie ce qui correspond pour moi à 2 jours d'autonomie sans soleil .
Et les faibles éclairements ?
Le calcul présenté ci-dessus est une approximation, il faut ensuite l’affiner en tenant compte de tous les phénomènes (température, salissures, pertes en ligne..) et en particulier des faibles éclairements (facteur de correction d'ensoleillement, ...) . En effet, il fait une approximation de taille : il suppose que la puissance d’un panneau solaire est proportionnelle à l’éclairement, même lorsqu’il est faible . Ce qui est loin d’être le cas pour toutes les technologies ! Le silicium cristallin voit sa tension en particulier baisser fortement quand l’éclairement baisse et il ne peut guère produire en dessous de 100 W/m² (10000 lux) . Le silicium amorphe, quant à lui, possède un moindre rendement au soleil, mais il est adapté à tous les éclairements, même dans une ambiance intérieure . Or dans ce cas, l’éclairement ne dépasse pas les 1000-3000 lux . Le silcium amorphe est donc bien souvent le meilleur choix pour produire tout au long de l’année, par tous les temps . C’est aujourd’hui prouvé .
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5 . Régulateur pour panneau photovoltaïque
Un générateur photovoltaïque est un générateur dont la caractéristique est fortement non linéaire .
En conséquence, pour un même éclairement, la puissance délivrée sera différente selon la charge .
Un contrôleur MPPT permet donc de piloter le "convertisseur statique" reliant la charge, la batterie de la cellule par exemple, ainsi que le panneau photovoltaïque de manière à fournir en permanence le maximum de puissance à la batterie .
Le régulateur MPPT traque avec une grande rapidité et une grande précision la tension Vmp du panneau solaire . Il balaye une plage de tension en entrée pour déterminer constamment à quel point se trouve la puissance maximale délivrée par le panneau .
Rappel :
la puissance électrique P est fonction de l'intensité I et de la tension U et est égale au produit U x I . Ainsi, on maximise la puissance P si on arrive à maximiser les deux variables I et U . De plus, avec une intensité I donnée, on peut faire varier la tension U en faisant varier la résistance R, selon la Loi d'Ohm où U = R x I .
Dans le cas d'un panneau solaire, l'intensité maximale possible I est dépendante de la puissance lumineuse reçue par la cellule photovoltaïque . Tant que la charge ne dépasse pas la capacité de la cellule, l'intensité I est maximisée par l'ensoleillement reçu . Quand la charge augmente trop, l'intensité I baisse, jusqu'à zéro . Dans ce cas, la puissance de sortie est elle aussi nulle . Pour maximiser la puissance P, on va faire varier la tension U circulant dans la cellule, et atteindre la tension U la plus haute possible sans faire baisser l'intensité I .
On parle d'ailleurs pour les panneaux photovoltaïques de "générateurs non linéaires" .
fig.01 : le graphe ci-dessus représente la recherche du point où la puissance est maximale et les valeurs aux trois points sont les suivantes :
- Point A : I = 2.6A et V = 14.5V ====> P = 37.70 W
- Point B : I = 1.9A et V = 19.0V ====> P = 36.10 W
- Point MPPT : I = 2.5A et V = 18.0V ====> P = 45.00 W
Comme le montre le graphe ci-dessus, le point de tracking ou le point de puissance maximale, ne sera pas le point A où la tension U est plus élevé ni le point B où l'intensité du courant électrique est importante mais le point MPP (point de tracking), meilleur compromis où le produit U x I fournira la puissance maximale à la charge, soit 45,00 watts .
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