samedi, 19 janvier 2019
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Charge des batteries par panneau solaire

Document original publié par C. Couderc sur www.voilelec.com

Charge de la batterie moteur par un panneau

Le problème de la charge de la batterie porteur pendant l’hivernage

Les panneaux solaires chargent par défaut la batterie cellule, mais pas la batterie porteur qui s’épuise avec les consommateurs permanents (alarmes et autres).
La batterie cellule est toujours à bloc, la consommation étant nulle quand l’alimentation est coupée, et le peu de soleil d’hiver est surabondant pour compenser l’autodécharge.
Vous constatez une tension de 14 .4 volts, limitée par le régulateur solaire, ce qui correspond à la fin de charge d’une batterie stationnaire au calcium.

La batterie de démarrage, de technologie différente, aura une tension de pleine charge de 13.3 V (mode floating).
Nous allons utiliser ce différentiel pour maintenir compenser la décharge de la batterie moteur.
Commençons par mesurer le courant de décharge permanent de la batterie moteur, une partie du calculateur, l’alarme, et autres consommateurs cachés consomment environ 0.4 A en permanence.

Attention à la sécurité, ce montage ne doit être fait que si vous en comprenez bien les risques.
Un maladroit peut par imprudence mettre le feu à son véhicule.
L'assurance ne couvrira pas ces sabotages.

 

Il n’y a aucun problème à charger en permanence une batterie à C/100, soit pour une batterie de 100 Ah, à 1 ampère.
Pour compenser les pertes, 1.4 A est une valeur optimale.


Considérons la batterie moteur déchargée à 11.5 V, il faut la remonter rapidement pour éviter la dégradation.

Valeurs calculées pour une résistance de 1 ohm (10 W), avec une très banale diode silicium de récupération de 10 A.

Voir Section Energie 

V moteur Vservitude
- Vmoteur
Vdiode Vservitude
- Vmoteur
- Vdiode
I =V /R
11 3.4   2.9
2.9
11.5 2.9 0.7 2.2
2.2
12 2.4   1.7
1.7
12.5 1.9 0.7 1.1
1.1
13 1.4   0.6
0.6
13.3 0.9 0.6 0.1
0.1

 

Il manque sur ce schéma de principe, l'indispensable fusible de 5 A à insérer proprement entre la batterie moteur et la résistance, comme le montre le dernier schéma.

En pratique il est beaucoup plus astucieux de remplacer cette résistance par une ampoule courante de phare de 12 V, 50 W ( 4 A sous 12 V).

L’expérience montre qu’en conditions extrêmes, le filament commencera à peine à rougir, sa non linéarité assurant une excellente limitation, sa tension aux bornes ne pouvant dépasser quelques volts et le courant ne dépassant jamais 1.5 ampère. Cette valeur est très inférieure au courant de floating d’une batterie moteur de très petite capacité.
Le panneau propre (sans fientes de mouettes) compensera l’autodécharge de la batterie moteur en été, en hiver il évitera juste qu’elle ne vide complètement et se détruise, et assurera le démarrage sans problème après quelques mois de non utilisation.

La lampe la plus intéressante est la lampe à iode H7 de 12 V 50 W, c'est l'ampoule classique de phare, qui présente une résistance de 0.21 ohm à 1 V (un quasi court circuit), de 1 ohm à 1 V, de 2 ohms à 5 V. Ce sont les valeurs idéales pour l'application, qui limiteront le courant à 2 A si la batterie moteur est complètement déchargée. De plus elle présente l'avantage d'indiquer par la couleur de son filament le courant précis de compensation en cours.

Pour mieux comprendre l'augmentation de la résistance en fonction de la tension, voici les courbes de deux ampoules moins puissantes, de 25 et de 5 W, dont la trop forte résistance n’est pas applicable pour ce montage.

ampoule

Comportement d'ampoules classiques en fonction de la tension

 

Détail de l'installation

La guirlande diode + ampoule H7 + fusible 5 A, doit être protégée par une grille pour éviter le contact d’objet mobile dans la soute, tout en permettant le refroidissement.
Il faut pour une sécurité maximale bancher les deux fils au bon endroit.
Le plus facile est de se prendre sur le bloc chargeur, car les deux positifs, servitude et moteur arrivent directement.
Sur le Pilote, le  schéma (EBL = elektroblock) Schaudt EBL 267, montre bien les broches des prises reliées aux batteries via les fusibles.

 

Montage plus évolué

Mon montage réel est plus complexe. Il utilise le principe des régulations shunt des panneaux solaires qui consiste à court-circuiter le panneau par impulsions quand la charge est atteinte. Un capteur lit la tension panneau. Quand il détecte une tension supérieure à 16 V, puis la présence d’impulsions à zéro volt, il détermine que la batterie servitude est chargée à bloc, l’énergie en excès est gaspillée en chaleur dans le panneau. Une autre variante exploite les régulateurs à ouverture que l’on trouve aussi.
Un autre capteur lit la tension batterie moteur. Si la charge n’est pas complète, un mosfet est commandé pour mettre en liaison les deux batteries et transférer l’énergie en excès.
La tension de la batterie servitude baisse alors légèrement, la charge solaire reprend et les deux batteries sont isolées, le cycle reprend.
Un petit microcontrôleur gère cela facilement et vérifie que le courant transféré de la batterie servitude à la batterie moteur ne dépasse pas 5 A (soit C/20 batterie moteur).

 

Utilisation d’un panneau à vide

Contrairement à une vielle légende urbaine sans fondement qui circule sur les forums, il n’y a aucun inconvénient à laisser un panneau débranché à vide pour des tests ou pour une raison quelconque.
Il est totalement inutile de le couvrir en cas de non utilisation, sauf pour lui éviter de se salir…
Il supporte aussi les courts circuits accidentels sans problème ainsi que son régulateur associé, mais pas la batterie !

 

Diamètre des fils

Vous trouverez tous les détails ici : Énergie

 

Annexes techniques

Réponse courant / tension d'un panneau

Rendement du panneau en courant fonction de la tension

Rendement du panneau en fonction de la saison et latitude

Courbe montrant le pourcentage du courant maximum (midi, tropiques, perpendiculaire, maintenu à 25°C...) fonction de la tension du panneau 
La valeur "1" (100%) correspond à la puissance commerciale du panneau divisée par la tension de service au rendement maximum de 16.5 V. 
Exemple panneau de 100 W, 12 V, courant I de référence =100/16.5 = 7.2 A et non pas 100/12 = 8.3 A.
Au rendement maximal, le courant espéré sera d'environ 0.7 fois la valeur obtenue en divisant la puissance du panneau par 12, environ 8.3 *0.7 = 5.8 A pour un panneau 100 W (en supposant le panneau bien refroidi à 25°C, en s'échauffant, le rendement s'écroule. 
Sous nos latitudes, comptez dix fois moins au solstice d'hiver. L'énergie maximale est toujours obtenue pour une tension de panneau de 16. 5 V

 

Bilan de l’énergie fournie par un panneau

Les notices commerciales des panneaux suggèrent que l’énergie fournie par un panneau à plat (solstice d’été, conditions optimales…) est de l’ordre de trois fois la puissance catalogue sur la journée, le quart de ce maximum en hiver, quatre fois plis en cas de poursuite du soleil.

Exemple panneau 100 W à plat, énergie maximale espérée 300 Wh (Puissance en watts P=V. I, multipliée par le temps). Cela équivaut à la puissance constrructeur fournie pendant trois heures, valeur réaliste sur une journée d'été nien ensoleillée dans le sud.
En prenant une tension de batterie moyenne de 13 V, capacité chargée 300/13 = 23 A*h 

En lissant la valeur sur 24 h, cela équivaudrait à recharger la batterie avec un courant constant de 1 A en été et de 0.25 A en hiver.
Ces valeurs sont assez réalistes en conditions optimales. En été, cela doit étaler une consommation raisonnable.

Avant de commencer, il faut bien poser le problème. 
 Soit panneau monté à plat, moins d’énergie mais montage très simple, sans entretien.
 Soit installation mécanique de suivi du soleil, rendement trois fois meilleur (surtout quand le soleil est bas), mais grandes difficultés de réalisation, tube de traversée devant tomber dans un placard discret, souvent incompatible avec la position idéale sur le toit encombré, le panneau balayant une grande surface en rotation. La mécanique est fragile, il faut verrouiller efficacement en position de repli, tous ces efforts en valent-ils la peine ?

 

Réalisation d’un dispositif de poursuite

Nous avons évoqué qu'un montage à poursuite solaire donne une quantité d’énergie collectée de trois à quatre fois plus importante qu'un montage à plat, mais au prix d’une bien plus grande complexité mécanique. L"électronique de pilotage est assez simple, mais le montage mécanique demande des compétences certaines.

Approche par calcul

L’électronique se réalise simplement avec une petite carte à microcontrôleur.
Le principe est d’installer deux modules GPS (c’est bien facile que de mettre deux antennes commutées avec les pertes du câble, le modules avec patch coûtent quelques dizaines de dollars). Un GPS est à l’avant du véhicule, l’autre à l’arrière, c’est utilisé couramment sur les bateaux.
Le premier sert de maître et donne la latitude et l’heure solaire, calculée d’après les données extraites de la chaîne GPS. L’heure du midi solaire local est la demi somme du lever et coucher du soleil en GMT. Le calcul de l’azimut et de l’élévation instantanés est trivial. Il faut évidement connaître le cap du véhicule, c’est à cela que sert le deuxième GPS. Il fonctionne en différentiel piloté par le premier, un décalage d’antenne de quelques mètres donne une précision supérieure au degré.
Montage alternatif :
Pour ceux qui ne désirent pas monter le deuxième GPS , il existe une alternative. Des capteurs magnétiques très économiques fournissent un cap magnétique approximatif, on peut espérer une dizaine de degrés de précision en compensant la masse magnétique du véhicule.
Cela suffit pour avoir un azimut approximatif, le positionnement sera affiné grâce à deux capteurs latéraux légèrement décalés (phototransistors montés sans des tubes aluminium), le système cherchera à équilibrer les deux niveaux.

Une erreur d’alignement sur un seul axe produit une perte de puissance correspondant au sinus de l’écart (surface frontale « vue » par le soleil).
S’il y a une double erreur de 45 degrés (élévation + altitude), la surface vue sera moitié, le rendement sera réduit à 50 %.
S’il y a une double erreur de 6 degrés, le rendement sera de 80 %.
S’il y a une double erreur de 3 degrés, le rendement sera de 93 %.
Nous rechercherons donc une précision de quelques degrés.

Le système se déclenche si le contact est coupé depuis plus de cinq minutes, et si le capteur à cellule omnidirectionnel indique qu’il y a assez de lumière extérieure (il serait ridicule de lancer la poursuite dans un hangar). Les GPS sont allumés, il faut patienter quelques minutes pour que le fix soit obtenu. Le calcul se fait alors et les GPS sont coupés. Si le contact n’est pas remis pendant dix minutes le positionnement est lancé sur l’horloge interne. Dès que le contact est mis ou si le panneau ne fournit plus (nuit ou ombre) l’ordre de repli est envoyé.

Approche analogique

Il existe un autre moyen de réaliser une poursuite, sans aucun calcul, uniquement en utilisant quatre cellules divergentes (photopiles ou leds) et des amplificateurs. C’est très simple mais je trouve la méthode par calcul plus précise et élégante.

Sécurité

Le dispositif doit évidement disposer d’une sécurité qui par lors de rafales de vents replie tout en position de repos et bloque définitivement la poursuite (réarmement manuel).

Il reste à adapter la mécanique, mais c’est beaucoup moins simple…

Dernière modification le vendredi, 06 novembre 2015 06:54
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