Pratiques et Techniques en Plaisance  | Imprimer |  Fermer la fenêtre

MPPT, un sigle dont ne sait pas toujours bien ce qu’il veut dire :

En anglais « Maximum Power Point Tracking », autrement dit en français « Suivi du point de puissance maximal ».

Une particularité du panneau solaire, de l’éolienne ou de l’hydro-générateur :

Production d’énergie d’un panneau solaire

On voit que la production d’énergie varie de façon complexe avec l’éclairement et la tension que l’on fait débiter au panneau. Pour chaque éclairement, la production d’énergie a un maximum (de 142 à 290 watts) pour une tension assez précise entre 32 et 35 volts pour ce panneau.

Les panneaux solaire, les éoliennes ou les hydro-générateurs à aimant permanent ont un point commun : la tension et le courant qu’ils débitent sont très variables selon l’ensoleillement, la température, la vitesse du vent ou la vitesse du bateau.

La situation la plus courante est que la tension débitée est -soit trop grande -soit trop petite par rapport à la tension idéale pour charger la batterie.

• si la tension est trop faible, il n’y a tout bonnement aucune charge de la batterie et toute la puissance disponible est perdue.
• si la tension est trop élevée, il y a un excédent de puissance perdue

Il faut donc gérer au mieux cette variabilité imprévisible de production d’énergie de ces 3 générateurs.

Dans le cas d’un panneau solaire dit « 12 volts », la tension de sortie optimale de fonctionnement est de l’ordre de 17 à 18 volts car il contient 36 cellules en série. Les panneaux 12 volts ont été volontairement construits ainsi, car pour charger à fond les batteries classiques 12 volts il faut au moins 14 à 15 volts compte tenu des cycles de charge et des pertes inévitables dans les câbles de connexion.

Pour un panneau « 24 volts » ces chiffres sont à doubler.

Mais quand la batterie est à moitié vide, sa tension de charge n’est que de 12 à 13 volts environ, et une bonne partie de la puissance disponible du panneau est alors perdue puisqu’il débite sa puissance maximale vers 17-18 volts.

La nécessité de réguler le panneau solaire, l’éolienne ou l’hydro-générateur :

Si la tension débitée par le panneau, l’éolienne ou l’hydro-générateur est trop grande, la batterie sera détruite assez rapidement car surchargée au cours du processus de charge. Il y a même des risque sérieux d’explosion et d’écoulements acides dans le cas de surcharges très excessives.

Régulateurs MPPT

On note les diverses apparences que peuvent avoir les régulateurs MPP selon la marque de production.

Il faut donc réguler la charge de la batteries.
 

• Le régulateur « tout ou rien » :
   
  • Le plus simple, le moins coûteux, le moins efficace (mais néanmoins très sûr) est le régulateur « tout ou rien ». Tant que la tension de la batterie est inférieure à un certain seuil on laisse le générateur de courant (panneau,éolienne, hydro) branché et dès que la tension atteint la valeur limite de charge on débranche le générateur. Par exemple, il va couper le générateur quand la tension atteint 14 à 14,6 volts et rebrancher le générateur quand la tension tombe à 13 volts. Il faut un écart assez grand entre la tension de coupure et la tension de connexion pour éviter les oscillations trop rapide de coupure et connexion.
  • Parfois ces régulateurs sont basés sur un relai mécanique. Il reste peu de régulateur aussi rudimentaires sur le marché. L’inconvénient est que beaucoup d’énergie est perdue durant les coupures et qu’il n’adapte pas son fonctionnement aux aléas des variations de production du panneau solaire, éolienne ou hydro-générateur.
  • Cela peut se faire à la main avec un commutateur et en surveillant la tension de la batterie. En cas de panne du régulateur du panneau solaire ou de l’éolienne, c’est ainsi qu’on va procéder en situation d’urgence.
     
• Le régulateur « PWM » (Pulse Width Modulation : modulation en largeur d’impulsion) :
   
  • Celui-ci est un peu plus subtil que le « tout ou rien »  : il module de façon progressive le courant apporté à la batterie en fonction de la tension. Au lieu de couper dès que la tension de 14 à 14,6 volts est atteinte et reconnecter à 13 volts, il va « hacher » (déconnecter-reconnecter) le courant très rapidement , plusieurs milliers de fois par seconde. Cela permet de maintenir la batterie à plus de 14 volts de façon constante, et même dans une certaine mesure si des appareil consomment du courant sur la batterie.
  • C’est le type de régulateur solaire le plus répandu, et très bon marché. Son inconvénient est qu’il n’adapte pas son fonctionnement aux aléas des variations de production du panneau solaire, éolienne ou hydro-générateur.
     
• Le régulateur « MPPT » : à voir
   
  • Ce régulateur est actuellement la meilleure solution. Il contient un microprocesseur et un convertisseur de tension à très faible perte qui permet de tirer toute l’énergie du panneau solaire, éolienne ou hydro-générateur malgré les variations de production de ces générateurs. Ainsi, aussi longtemps que la batterie n’est pas pleine, toute l’énergie que peut produire le générateur est injectée dans la batterie.
  • Le fonctionnement est le suivant dans le cas du panneau solaire : la puissance fournie par le panneau, qui est optimale vers 17 à 18 volts sur les bornes du panneau, est convertie quasiment sans perte en une puissance fournie à la tension qui convient à la batterie, soit entre 12 et 15 volts suivant son état de charge.
  • Ce type de régulateur est encore peu répandu en plaisance, bien que très ancien (datant des années 1960) car son prix était élevé avant la miniaturisation des composants qui a fortement influé le prix de revient du produit. Il n’a pratiquement pas d’autres inconvénients que son prix certes plus élevé qu’un banal régulateur moins sophistiqué. Bien entendu il en existe de plus ou moins performants selon les marques et les modèles.

Les fonctions annexes des régulateurs :

• Charger en 3 étapes
   
  • On sait que la charge idéale d’une batterie ne se fait pas à tension constante (1) , (2) , (3) .
  • Comme pour les chargeurs de quai ou les alternateurs sophistiqués, il faut en plus que le régulateur soit capable d’appliquer à la batterie 3 étapes de charge : à courant constant, à tension élevée constante, puis à tension plus basse constante. Tout cela en fonction de le température et de la technologie de la batterie.
  • Les régulateurs « tout ou rien » ne peuvent pas assumer ces fonctions, mais les « PWM » et les « MPPT » peuvent les assumer en partie ou en totalité selon leur technologie...et leur prix.
     
• Délester en cas de tension basse
   
  Certains régulateur pour panneau solaire ont une sortie annexe que le régulateur « débranche » lorsque la batterie a une tension trop basse et est excessivement vidée. On peut s’en servir pour protéger la batterie contre les décharges excessives. Sur un bateau on se sert peu de cette protection qui pourrait avoir des conséquences dangereuse en cas de panne du régulateur.

Le cas des éoliennes, hydro-générateurs :

En plaisance on parle essentiellement des régulateurs MPPT pour les panneaux solaire. En réalité le problème est similaire pour les éoliennes et les hydro-générateur. Mais dans ce cas il faut des systèmes MPPT spécifiques différents de ceux des panneaux solaires, car ces sources d’énergie n’ont pas du tout le comportement d’un panneau solaire.

Production d’énergie d’une éolienne	Production d’énergie d’un panneau solaire	Avec ou sans MPPT sur l’éolienne
On note que la production a un maximum bien prononcé en fonction du vent et de la vitesse de rotation. Il faut donc un MPPT si on veut bien récupérer le maximum d’énergie	Pour chaque éclairement, la production d’énergie a un maximum (de 12 à 20 watts) pour une tension assez précise entre 17 et 18 volts pour ce panneau.	Pour des vents faibles (entre 3 et 8 noeuds), la différence est considérable avec un MPPT. Or au mouillage on cherche les zones de vents faibles ...

 

• L’éolien nécessite également un freinage en cas de survente ou de batterie pleine.
• Bien que leur usage soit presque inconnu en plaisance en France, on trouve des régulateur MPPT en éolien, avec peut-être encore plus d’avantages qu’en solaire : http://www.schams-solar.de/download...
  • Un petit modèle 10A : http://www.schams-solar.de/download...
  • Coût 160€ht (2012) http://www.schams-solar.de/download...
  • Quelques liens MPPT pour hydro-générateurs et éoliennes
    http://www.richelectric.com.au/file...
    http://aerl.com.au/micro-hydro-wind...
    http://aerl.com.au/micro-hydro-wind...
    http://www.thebackshed.com/forum/fo...

En pratique :

• Un calcul simplifié pour fixer les idées :
   
  Par exemple, un panneau solaire est certifié 170 watts en plein soleil, et indique que sa tension optimale est 17 volts. On en conclu que son courant sera de 10A.
  • Si on charge une grosse batterie presque vide en branchant ce panneau directement sur la batterie, elle acceptera ces 10A en montrant à ses bornes une tension de 12.5 volts, soit une puissance absorbée de 12.5 x 10 = 125 watts au lieu des 170 watts du panneau.
  • Si on charge cette batterie en intercalant un régulateur MPPT, celui-ci va convertir ces 170 watt sous 17 volts, et les transformer en 170 watts sous 12.5 volts, soit un courant de charge de 170 / 12.5 = 13.6 ampères. La batterie recevra donc 13.6 A au lieu de 10A. Soit 36% de plus que sans régulateur MPPT
  • Ceci est une estimation très simplifiée. En général le gain est un peu moins grand, car il y a diverses raisons de pertes dans les câbles, et dans le régulateur lui-même.

Les cas pour lesquels le MPPT est efficace dans la vie réelle d’un bateau :   Un régulateur MPPT est toujours efficace lorsque le générateur de courant produit sa puissance maximale à une tension qui est loin au dessus de la tension nécessaire pour charger la batterie. La conséquence immédiate, c’est que le MPPT est surtout efficace quand la tension des batteries est faible, c’est à dire lorsqu’elle est assez déchargée et donc assez loin en dessous des 17 volts de puissance maximale du panneau solaire classique 36 cellules. Le graphique montre le gain théorique maximal lorsqu’on utilise un MPPT avec une batterie 12V et un panneau de 36 cellules. Lorsque la batterie est vide (11 volts) le gain approche 50% Dans la fourchette habituelle d’état de charge entre 12.5 et 14.5 volts, le gain va de 30% à 17% environ

• Un autre cas de figure : avec un MPPT on peut charger très efficacement une batterie de 12V quel que soit le nombre de cellules au dessus des 36 cellules minimum nécessaire. A condition bien entendu que le MPPT soit capable de supporter la tension d’entrée que fournira le panneau. On trouvera des MPPT capables de supporter 18 à 60 volts en entrée pour charger une batterie de 12 volts, donc capable de connecter un panneau de 36 à 120 cellules sur une batterie de 12 volts. | (A noter qu’il n’est pas prudent de dépasser 48-50 volts pour des raisons de sécurité)

• Comment choisir son MPPT
   
  • Un bon régulateur MPPT devrait avoir au moins les qualités d’un bon chargeur de batterie :
    • Une séquence de charge à états ajustables à la technologie de la batterie.
    • Une sonde de température placée sur la batterie
    • Un placement aussi proche que possible de la batterie pour minimiser les erreurs de mesure de la tension de batterie
       
  • Mais il doit aussi avoir deux autres qualités principales :
    • Une méthode de calcul interne performant. Malheureusement cette qualité ne peut pas se voir sur un descriptif technique et on ne peut que se fier aux bancs d’essais.
    • Un excellent rendement de conversion : le MPPT est avant tout un convertisseur DC/DC qui a nécessairement un rendement inférieur à 100%. Ces pertes doivent être au maximum égal à 5% (donc un rendement de 95%) pour ne pas pénaliser le gain global du processus MPPT.

Le marché actuel des MPPT (2012) à vocation marine :   Il est difficile de donner des conseils sur le matériel actuel, on risque d’en oublier, et surtout le marché évolue rapidement. Ci-dessous un extrait des caractéristiques d’un bon régulateur MPPT un excellent rendement de 97% (3% de pertes) des possibilités de réglage détaillées en fonction de la technologie de la batterie une sonde de température sur les batteries une tension acceptable assez élevée en entrée : 28 volts de panneau pour charger une batterie de 12 volts. faible consommation interne 10 mA