La réponse courte : Les cellules solaires au silicium ne produisent qu'environ 0,5 V chacune dans des conditions de fonctionnement ; connecter 32 à 36 cellules en série porte donc la tension du module à environ 16–18 V. Cela fournit une tension suffisante pour charger une batterie nominale de 12 V, dont la tension de charge est supérieure à 12 V et doit également compenser les pertes liées au câblage, au contrôleur, à la température et aux autres pertes du système.
Une batterie de 12 V ne peut pas être chargée de manière fiable par une sortie photovoltaïque de 12 V. La tension supplémentaire provenant d'une chaîne en série de 32 à 36 cellules fournit la marge de charge nécessaire.
Pourquoi les connexions en série sont-elles utilisées ?
Une seule cellule ne fournit pas une tension suffisante
Une cellule solaire au silicium fonctionne généralement près de 0,5 V sous la lumière du soleil. Une seule cellule, ou même un petit groupe de cellules, ne peut pas produire la tension requise pour charger une batterie de 12 V.
La connexion en série additionne la tension de chaque cellule :
[ V_{\text{chaîne}} = N \times V_{\text{cellule}} ]
Par exemple, 36 cellules fonctionnant à environ 0,5 V chacune produisent :
[ 36 \times 0,5 \text{ V} \approx 18 \text{ V} ]
Une batterie « 12 V » a besoin de plus de 12 V pour se charger
La valeur nominale de 12 V décrit la tension nominale de la batterie, et non sa tension de charge requise. Une batterie au plomb typique de 12 V peut nécessiter environ 14–15 V pendant la charge, selon son état de charge et ses conditions de fonctionnement.
Un module solaire ne produisant que 12 V dans des conditions idéales n'aurait donc que peu ou pas de marge de tension pour la charge.
Pourquoi 32 à 36 cellules offrent une marge utile
Le module doit charger dans des conditions réelles
La tension d'une cellule solaire change avec la température et l'éclairage. La tension de la cellule chute généralement à mesure qu'elle chauffe, et la tension de fonctionnement disponible peut également être affectée par un faible ensoleillement et la charge électrique.
Un module conçu pour environ 16–18 V à son point de fonctionnement peut continuer à charger une batterie de 12 V lorsque les conditions ne sont pas idéales.
Les pertes du système réduisent la tension utilisable
La tension atteignant la batterie est inférieure à la tension produite par les cellules en raison des pertes dans :
- Les fils d'interconnexion
- Les connecteurs
- Les composants de blocage ou de dérivation
- Les contrôleurs de charge
- La résistance interne et le comportement de charge de la batterie
Les cellules en série supplémentaires fournissent une marge pratique afin que ces pertes n'empêchent pas la charge.
Le format traditionnel du module à 36 cellules
La configuration à 36 cellules est devenue largement associée aux modules solaires « 12 V nominaux » car sa tension de fonctionnement est généralement d'environ 17–18 V, avec une tension en circuit ouvert encore plus élevée.
Une conception à 32 cellules fournit un peu moins de tension, tandis qu'une conception à 36 cellules offre plus de marge. Le nombre correct dépend des caractéristiques des cellules, de la température de fonctionnement, de la chimie de la batterie, du type de contrôleur et des conditions de charge requises.
Différences entre les connexions en série et en parallèle
Les connexions en série augmentent la tension
Dans une chaîne en série, la tension de chaque cellule s'ajoute tandis que le courant est approximativement celui d'une seule cellule.
C'est pourquoi les cellules sont placées en série lorsque l'exigence principale est d'élever la tension photovoltaïque suffisamment haut pour la charge de la batterie.
Les connexions en parallèle augmentent le courant
Les chaînes en parallèle augmentent le courant disponible tout en maintenant approximativement la même tension.
Un module peut donc utiliser des cellules connectées en série pour atteindre la tension requise et plusieurs chaînes de ce type en parallèle lorsqu'un courant de charge plus important est nécessaire.
Comprendre les compromis
Plus de cellules améliorent la marge de tension mais augmentent la taille du module
L'ajout de cellules augmente la tension disponible pour la charge, mais cela augmente également la taille physique, le coût et le nombre de connexions électriques dans le module.
La conception doit fournir une tension suffisante sans ajouter de cellules inutiles.
La tension de la cellule n'est pas fixe
La valeur approximative de 0,5 V est une estimation de fonctionnement, pas une constante universelle. La tension réelle varie en fonction de :
- La température de la cellule
- L'irradiance solaire
- Le courant tiré du module
- La technologie et la construction de la cellule
- L'âge et l'état du module
Par conséquent, le nombre de cellules doit être sélectionné en utilisant les caractéristiques tension-courant du module plutôt que la tension nominale seule.
La chimie de la batterie est importante
La convention de 32 à 36 cellules est le plus étroitement associée à la charge des batteries au plomb de 12 V via des systèmes de charge traditionnels. D'autres chimies de batterie peuvent nécessiter des tensions de charge différentes et un contrôleur de charge correctement adapté.
Un module à tension plus élevée n'est pas automatiquement meilleur
L'excès de tension doit être régulé. Connecter un module photovoltaïque directement à une batterie sans contrôle de charge approprié peut provoquer une surcharge ou une mauvaise gestion de la batterie.
L'objectif pratique n'est pas simplement de maximiser la tension, mais de fournir la tension et le courant corrects sur la plage de fonctionnement prévue.
Faire le bon choix pour votre objectif
Le nombre de cellules doit être choisi en fonction des exigences de charge de la batterie et des conditions de fonctionnement du système photovoltaïque, et non de l'étiquette nominale de la batterie seule.
- Si votre objectif principal est de charger une batterie nominale de 12 V : Utilisez un module dont la tension de fonctionnement est généralement d'environ 16–18 V, couramment obtenue avec environ 32–36 cellules au silicium en série.
- Si votre objectif principal est une charge fiable dans des conditions chaudes ou de faible ensoleillement : Privilégiez une marge de tension adéquate et tenez compte des pertes liées à la température, au câblage et au contrôleur.
- Si votre objectif principal concerne une tension ou une chimie de batterie différente : Recalculez la tension du module requise et faites-la correspondre aux spécifications de charge du fabricant de la batterie.
- Si votre objectif principal est un courant de charge plus élevé : Utilisez des chaînes photovoltaïques en parallèle après avoir établi la tension en série correcte.
La configuration à 32–36 cellules fonctionne car elle convertit les cellules au silicium basse tension en une source de charge pratique avec une marge de tension suffisante pour une batterie nominale de 12 V.
Tableau récapitulatif :
| Aspect | Explication |
|---|---|
| Tension d'une seule cellule | ~0,5 V, insuffisant seul |
| Connexion en série | Additionne les tensions pour atteindre ~16-18 V |
| Charge de batterie 12V | Nécessite ~14-15 V plus les pertes |
| Marge de tension | Compense les pertes de température, de câblage et de contrôleur |
| Format traditionnel | 36 cellules courantes pour les modules 12V nominaux |
| Série vs parallèle | La série augmente la tension, le parallèle augmente le courant |
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