Informations techniques : choisir le bon module

Ci-dessous se trouvent les considérations et suggestions pour choisir la taille du module solaire nécessaire en fonction de son application. Les explications sont réparties en 2 parties principales :

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Concepts clés

• Le courant délivré augmente de manière quasi linéaire avec l'intensité lumineuse.
• La tension de fonctionnement du module est relativement intense selon l'intensité lumineuse, chute d'environ 5% à 10% par rapport à un soleil parfait.

Définitions utiles

• Point de Puissance - L'intensité et la tension d'exploitation qui produisent le maximum de puissance pour la module. (Forcer la panneau à évoluer avec une tension plus forte ou plus faible revient à abaisser son efficacité).
• Le rapport cyclique - Pourcentage du temps pendant lequel une application fonctionne réellement.
• AM1, AM1.5 - Nécessaire à tout objectif et toute intension - Intensité de pleine exposition par temps claire à midi.
  
  

Calculs pour des systèmes sans batteries

Les paramètres de tension

La tension du module doit être choisie de telle manière que la tension au Point de Puissance soit proche de la tension de fonctionnement requise par l'application. Par une grossière approximation, vous pouvez voir que la tension au Point de Puissance est d'environ 75% la tension en circuit ouvert.

Les paramètres d'intensité

1. Trouvez le courant minimum nécessaire à l'application : I_min

2. Déterminez l'intensité lumineuse minimum (seuil d'intensité) sous laquelle l'application fonctionne : L_min (La tableau ci-dessous donne un aperçu de l'intensité lumineuse selon différentes conditions). L'intensité est indiquée comme un pourcentage de l'intensité de pleine exposition (appelée AM1.5)

3. Calculez le courant caractéristique de pleine exposition du panneau solaire : I_mod

I_mod = I_min x 100% / L_min

4. Choissez un module qui correspond à la tension requise et à l'intensité, I_mod calculée.

Note : La performance d'un module est souvent spécifiée en terme de courant à une tension spécifique (i.e. 50mA@3V) qui correspond à la performance à un certain point de fonctionnement. Ce point de fonctionnement est souvent lié au Point de Puissance. Certains panneaux sont spécifiés au plein ensoleillement et d'autres à des intensités plus basses telles que 1/4 d'ensoleillement. Ceci permet de simplifier la sélection. Le 1/4 d'ensoleillement est une intensité plus courante, utilisée par les appareils électroniques portables, et souvent choisie comme une intensité de seuil.

Exemples de Calculs pour des applications Utilisant directement la puissance délivrée

Exemple 1: Une radio à alimenter par pile solaire requière 9 mA à 3 Volts pour fonctionner. Vous avez besoin pour que la radio marche, d'une intensité lumineuse supérieure à 20% de la pleine exposition.

I_mod = I_min x 100% / L_min

I_mod = 9mA x 100% / 20%

I_mod = 45mA

Vous avez besoin d'un module solaire qui produira 45mA à 3V sous une illumination de plein soleil.

Exemple 2: Pareil que l'Exemple 1, mais la lumière de fonctionnement donnée est une lumière de bureau. L_min = 0.4%.

I_mod = I_min x 100% / L_min

I_mod = 9mA x 100% / 0.4%

I_mod = 2250mA

Vous avez besoin d'un module solaire qui produira 2250mA à 3V sous une illumination de plein soleil. C'est un très grand module pour une radio. Une meilleure solution serait d'utiliser un plus petit module couplé avec une batterie qu'il recharge quand il est à côté d'une fenêtre.

Exemple 3: Vous voulez une LED clignotante pour l'affichage de prix qui marche sous l'éclairage d'un magasin. Le circuit de clignotement utilise une moyenne de 0.1mA à 2.4 Volts pour alimenter 5 LEDs. Sur le schéma au dessus on voit que l'éclairage de magasin donne L_min = 1.3%

I_mod = I_min x 100% / L_min

I_mod = 0.1mA x 100% / 1.3%

I_mod = 7.7mA

Vous avez besoin d'un module solaire qui produira 7.7mA à 2.4V sous une illumination de plein soleil. Sinon, vous pouvez regarder le libellé des faibles lumières où la performance est donnée à 0.4% du plein soleil (environ 400 Lux). Ceci peut être normalisé au niveau 1.3%.

Calculs pour des Systèmes avec Batteries

Les paramètres de tension

Pour des applications de chargement de batterie, la tension de fonctionnement du module solaire doit être au moins aussi haute que la tension de chargement de la batterie. Elle est plus haute que la tension en sortie de la batterie. Une simple batterie NiCd a une tension typique en sortie de 1.2 volts, mais requière 1.4 Volts pour être rechargée. Une pile au plomb-acide de 12 Volt nécessite une tension de charge entre 14 et 15 Volts. Dans les cas où une diode est requise en prévention de la décharge dans le module solaire quand il fait sombre, une tension ajoutée de 0.6 V est requise. Par exemple, une batterie composée de 3 piles NiCd, qui fonctionne à 3.6 Volts, nécessite un module solaire de 4.2V ou 4.8 V selon qu'une diode est utlisée ou pas.

Quand utiliser une diode blocante?

Quand le module solaire est à l'ombre et encore connecté à la batterie, il s'agit simplement d'une diode polarisée en direct qui peut évacuer le courant de la batterie. C'est moins un problème pour les modules en sillicium amorphe que pour les modules à cristallin simple, mais ça peut l'être si le module se retrouve dans l'obscurité pendant un long pourcentage de temps. Le taux de pertes chute alors de manière significative si la tension de circuit ouvert du module est bien plus élevée que la tension de sortie. Pour les applications qui reçoivent du soleil quotidiennement, l'utilisation de diodes n'est pas forcément nécessaire si le panneau est dimensionné correctement. Si le système est destiné à rester un certain temps enfermé dans un étui ou un tiroir, l'utilisation d'une diode polarisée serait alors recommandé. Chaque application doit être traitée individualement pour faire ce choix.

Les paramètres d'intensité

Exemple de calculs pour des applications avec batteries

Exemple 1: une lampe de jardin demande 20mA et vous voulez qu'elle fonctionne 8 heures par nuit. Vous estimez que vous recevez l'équivalent de 4 heures de plein soleil par jour.

I_avg = I_app x rapport cyclique

I_avg = 20mA x 8hr / 24hr

I_avg = 6.67mA

L_avg = 100% x 4hr/24hr

L_avg = 16.67%

I_mod = I_avg x 100% / L_avg

I_mod = 6.67mA x 100% / 16.67%

I_mod = 40mA

Exemple 2: un téléphone portable demande 3mA en mode veille et 300mA pendant une communication. On suppose que le téléphone est utilisé en communication pendant 10 minutes par jour en moyenne, alors qu'il reste en veille pendant 23 heures et 50 minutes. Le téléphone doit recevoir l'équivalent de 2 heures de lumière du soleil par jour. Trouvez la taille convenable du module pour garder le téléphone chargé.

I_avg = I_app x rapport cyclique

I_avg = {3mA x [(23hr 50 min)/24hr]} + [300mA x (10min/24hr)]

I_avg = {3mA x [(23hr x 60min) + 50 min]/(24hr x 60min)] + {300mA x [10min / (24hr x 60min)]}

I_avg = [3mA x .993] + [300mA x .0069]

I_avg = 5.05mA

L_avg = 100% x 2hr/24hr

L_avg = 8.33%

I_mod = I_avg x 100% / L_avg

I_mod = 5.05mA x 100% / 8.33%

I_mod = 60mA

Si la tension de charge du téléphone est 6V, vous aurez besoin d'un module 6V, 60mA au minimum pour assurer l'alimentation du système.

Exemple 3: Un bateau de pêche a un système de batterie 12 volts qui alimente un moteur et un équipement de détection de profondeur. Le bateau est utilisé 4 jours tous les mois et requière une moyenne de 2A pendant 6 heures d'utilisation par jour. Le bateau devra recevoir une moyenne de 4.5 heures de luminosité de soleil par jour. Calculez la taille convenable du module en considérant un cycle mensuel.

I_avg = I_app x rapport cyclique

I_avg = 2A x [(4 x 6hr)/30 days]

I_avg = (2A x 1000mA/1A) x (24hr / 720hr)

I_avg = 2,000mA x 0.0315

I_avg = 63mA

L_avg = 100% x 4.5hr/24hr

L_avg = 18.75%

I_mod = I_avg x 100% / L_avg

I_mod = 63mA x 100% / 18.75%

I_mod = 336mA

Si le bateau est utilisé 4 jours par mois avec les jours séparés par intervalles réguliers, un module 14V, 400mA devrait être suffisant pour stocker suffisament d'énergie pour assurer le fonctionnement du bateau. Cependant, si le bateau est utilisé 2 jours consecutifs, il n'y aurait pas assez de temps pour recharger complètement la batterie entre les 2 jours d'utilisation. Si la capacité de la batterie est suffisante, ce ne sera pas un problème mais si la capacité de la batterie est telle que une seule journée en énergie peut y être stockée, il sera nécessaire de prévoir une plus grande capacité de charge et de revoir les calculs avec les cycles journaliers.