Comment les panneaux solaires connectés en série augmentent la tension
Comprendre comment les panneaux solaires connectés en série peuvent produire une tension de sortie plus élevée est une partie importante de la conception de tout système solaire. Connaître quelques principes de base lors de la connexion de différents panneaux solaires ensemble facilitera grandement la conception et l’installation d’un système photovoltaïque pour alimenter votre maison.
Les panneaux solaires photovoltaïques sont des dispositifs à semi-conducteurs qui convertissent la lumière du soleil (irradiance) en énergie électrique en courant continu, mais ce sont les cellules solaires individuelles des panneaux PV qui sont responsables de la conversion de la lumière en électricité. Cependant, la puissance de sortie de tout type de panneau PV dépend fortement de l’intensité de la lumière du soleil qui tombe sur sa surface, ainsi que de son orientation, sa température de fonctionnement et la charge connectée.
Les cellules solaires sont fabriquées à partir de silice traitée spécialement et conçues pour absorber le maximum de lumière solaire possible. Les cellules PV solaires sont interconnectées électriquement en séries et en parallèles au sein d’un panneau (module) pour produire les valeurs de tension et/ou de courant souhaitées pour ce panneau. Typiquement, les panneaux PV solaires se composent de 36, 60 ou 72 cellules solaires interconnectées.
La plupart des cellules solaires en silicium produisent environ 0,5 à 0,6 volts en courant continu, ce qui est la caractéristique principale d’une jonction pn, lorsqu’aucune charge externe n’est connectée. S’il n’y a aucune charge connectée, ou une demande de courant très faible, une cellule photovoltaïque génère sa tension de sortie maximale, communément appelée sa tension à circuit ouvert, VOC.
À mesure que la demande de courant de la cellule augmente, une lumière plus intense (exprimée en watts par mètre carré, W/m2) est nécessaire pour produire la tension de sortie complète. Cependant, il existe une limite maximale à la quantité de courant qu’une cellule solaire peut générer, peu importe à quel point l’irradiance est brillante et intense.
Tandis que des cellules solaires individuelles peuvent être interconnectées au sein d’un seul panneau PV, les panneaux solaires photovoltaïques peuvent eux-mêmes être connectés ensemble en séries et/ou en parallèles pour former un ensemble, augmentant ainsi le total de la puissance de sortie disponible pour une application solaire particulière par rapport à un panneau unique.
Panneaux solaires connectés en série
Les panneaux photovoltaïques sont évalués par leur puissance totale de sortie, ou watts de pointe, WP. Par exemple, 50 Watts, 100 Watts, 245 Watts, etc. Ainsi, plusieurs de ces panneaux connectés ensemble peuvent produire une quantité considérable d’énergie solaire capable d’alimenter une maison. Par conséquent, connecter des panneaux solaires ensemble est une méthode simple et efficace d’augmenter vos capacités solaires, mais il est important de comprendre comment se comportent les panneaux solaires connectés en série.
Comment connecter des panneaux solaires en série
Tous les panneaux solaires photovoltaïques produisent une tension de sortie lorsqu’ils sont exposés à la lumière du soleil, et nous pouvons augmenter la tension de sortie des panneaux en les connectant en série. Cela signifie que connecter des panneaux solaires en série augmente la tension du système. Ainsi, deux panneaux connectés en série produiront le double de la tension par rapport à un seul panneau. Cependant, bien que les tensions s’additionnent, l’intensité de chaque panneau reste la même, c’est-à-dire que les courants en série ne s’additionnent pas.
Lorsque les panneaux photovoltaïques sont câblés électriquement en série, le terminal négatif (-) du premier panneau est connecté au terminal positif (+) du panneau suivant (deuxième panneau), et le négatif (-) du deuxième panneau est connecté au positif (+) du troisième panneau, et ainsi de suite jusqu’à ce que tous les panneaux soient connectés.
Les panneaux solaires connectés en série sont appelés une chaîne, donc le terme « chaîne » signifie que les panneaux sont connectés en série. Notez que des chaînes de panneaux PV peuvent être connectées en parallèle pour augmenter le courant total et donc la puissance de sortie.
Panneaux solaires connectés en série du même type
Ici, TOUS les panneaux PV solaires sont du même type et de la même puissance. La tension de sortie totale est la somme des tensions de sortie de chaque panneau, mais le courant de la chaîne est égal aux courants des panneaux comme indiqué.
En utilisant les trois panneaux PV de 12 volts et 5,0 ampères illustrés ci-dessus, on peut voir que lorsqu’ils sont clairement connectés ensemble en une chaîne série, la chaîne combinée produit un total de 36 volts (12 + 12 + 12) à 5,0 ampères, donnant un wattage total de 180 watts (volts x ampères), par rapport aux 60 watts d’un seul panneau.
Ainsi, si la chaîne était composée de “n” panneaux PV solaires ayant exactement les mêmes caractéristiques, alors la tension de la chaîne serait V1 fois “n” (V*n) volts, avec le courant de sortie égal à I1. Ainsi, la puissance de sortie totale de la chaîne sera égale à V*I*n watts.
Examinons maintenant la connexion de panneaux solaires en série avec différentes tensions nominales mais avec des courant identiques.
Panneaux solaires connectés en série de différentes tensions
Dans cette méthode, tous les panneaux solaires sont de types différents et donc avec des puissances différentes, mais ont une intensité de courant commune. Lorsque les panneaux sont connectés ensemble en série, les tensions s’ajoutent toujours de la même manière qu’auparavant, donc la chaîne produit 36 volts DC à 5,0 ampères, produisant 180 watts. Encore une fois, la tension de sortie dépendra du nombre de panneaux connectés, mais l’intensité de la chaîne reste la même à 5,0 ampères.
Notez que bien que les fabricants déclarent une tension standard de panneau (6, 12, 24, 48 volts, etc.) qui change très peu avec l’irradiance, la tension à circuit ouvert, VOC (c’est-à-dire la tension mesurée lorsque I = 0) d’un panneau pourrait cependant être jusqu’à 25 % plus élevée que la tension nominale du panneau, ce qui entraîne un excès de tension pour de longues chaînes.
Alors que notre exemple simple a une tension nominale de 36 volts, elle pourrait potentiellement être plus élevée à 45 volts (36*1.25). Ce niveau de tension doit être pris en considération lorsque l’on connecte des chaînes en série à des régulateurs de charge de batterie, des onduleurs, des convertisseurs de tension ou des charges en courant continu, etc.
Voyons maintenant la connexion de panneaux solaires en série avec les mêmes tensions mais avec des intensités de courant différentes.
Panneaux solaires connectés en série avec des courants différents
Dans cette méthode, tous les panneaux solaires ont des intensités de courant différentes mais ont la même tension nominale. Les tensions de chaque panneau s’ajoutent toujours comme avant, mais cette fois, l’intensité sera limitée à la valeur du panneau ayant le plus faible courant de la chaîne, dans ce cas, 1 ampère. La chaîne produira donc 36 volts à 1,0 ampere seulement.
Peu importe la puissance maximale des panneaux connectés, c’est le panneau PV avec la plus faible intensité qui décidera de la puissance de sortie totale de la chaîne. Par exemple, nos trois panneaux ci-dessus ont des puissances individuelles de :
La puissance totale attendue des trois panneaux PV s’élève donc à 108 watts, mais la puissance disponible pour la charge connectée est seulement de 36 watts (36 volts multiplié par 1 ampère), réduisant clairement l’énergie réelle de la chaîne à environ 33 % du maximum, gaspillant ainsi de l’argent sur l’achat de panneaux solaires plus puissants. La connexion de panneaux solaires en série avec des intensités de courant différentes ne devrait être utilisée que de manière provisoire, car comme nous l’avons vu, le panneau PV ayant la plus faible intensité est celui qui détermine la sortie de courant de l’ensemble de l’armoire.
Panneaux solaires en série de différentes puissances
Supposons que nous ayons trois panneaux PV de 40 watts, 100 watts et 180 watts chacun connectés ensemble dans une chaîne en série. Vous pourriez penser que la puissance totale, PT, serait de 320 watts (40 + 100 + 180), mais ce ne serait pas le cas. Comme nous connaissons la tension nominale de chaque panneau, nous pouvons utiliser la loi d’Ohm pour déterminer l’intensité de chaque panneau et trouver la véritable puissance de sortie de la chaîne.
Évaluations des courants des panneaux solaires
Ainsi pour le Panneau 1.
P1 = 40 watts, V1 = 6 volts, I1 = 6.67 ampères
et pour le Panneau 2.
P2 = 100 watts, V2 = 12 volts, I2 = 8.33 ampères
et pour le Panneau 3.
P3 = 180 watts, V3 = 24 volts, I3 = 7.50 ampères
Comme nous l’avons précédemment constaté, les tensions s’additionnent donc la tension de sortie totale, VT sera de 42 volts (6 + 12 + 24). Cependant, le courant de sortie est limité par le panneau ayant la plus faible sortie de courant, qui est le panneau N°1 à 6.67 ampères. La chaîne produira donc une puissance de sortie maximale de seulement 280 watts (42 x 6.67), soit 12.5 % de moins que les 320 watts attendus, de sorte que l’arrière-plan PV ne fonctionne qu’à 87.5 % d’efficacité en plein soleil.
Connexion finale de la chaîne
Résumé des panneaux solaires connectés en série
Nous avons vu ici que les panneaux solaires connectés en série augmentent la tension d’une chaîne. Ainsi, “les panneaux solaires connectés en série concernent la tension” puisque VT = V1 + V2 + V3 + V4, etc. Par conséquent, le câblage en série = plus de tension. Le nombre de panneaux PV que vous connectez par chaîne dépend de la tension que vous souhaitez atteindre ou du nombre de panneaux solaires dont vous disposez, mais vous DEVEZ prendre en compte la valeur possible de la tension à circuit ouvert de la chaîne, VOC, à tout moment lorsque vous vous connectez à des régulateurs et contrôleurs de batteries.
Bien que la tension puisse augmenter, l’intensité de la chaîne sera égale à l’intensité du panneau le plus faible. Si tous les panneaux solaires ont les mêmes caractéristiques électriques, alors la chaîne produira 100 % de la puissance disponible en plein soleil (1000 W/m2).
Si les panneaux photovoltaïques connectés en série sont de wattages et de classifications différentes, alors le courant de la chaîne est limité à l’intensité du panneau le plus faible, réduisant l’efficacité de la chaîne même en cas d’irradiance maximale.
Les panneaux de types différents, monocristallins ou polycristallins, ou avec des valeurs WP différentes, par exemple, 40 watts associés à 50 watts ne devraient pas être connectés en série car ils ne produiraient pas la puissance de sortie attendue de 90 watts (40 + 50), car le panneau le plus faible contrôlerait la chaîne, gaspillant ainsi votre argent sur le panneau de 50 watts plus grand.
Les panneaux solaires photovoltaïques sont un excellent moyen de produire de l’énergie électrique gratuitement et sont disponibles dans une gamme de valeurs de puissance allant de moins de 10 watts à plus de 200 watts pour s’adapter à de nombreuses applications solaires. Mais pour atteindre la meilleure efficacité de votre chaîne en série, le positionnement, l’angle du soleil et la quantité d’irradiance sont aussi importants que d’utiliser le même modèle de panneau solaire. C’est que ce soit qu’ils soient connectés ensemble en série ou des panneaux solaires connectés en parallèle. Un peu de réflexion vous fera économiser de l’argent.
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