Le portail et la motorisation solaire

Un portail solaire ! Oui ! Un portail avec une motorisation alimentée par panneau solaire : ça a l’air d’être une bonne idée. Mais concrètement on en voit peu. Pourquoi ? C’est ce que nous allons tenter de comprendre.

Commençons par analyser les avantages. Il y en a plusieurs :

  • Pas besoin de tirer une ligne d’alimentation en 230V, donc pas de travaux pour cela
  • C’est économique – le soleil n’envoie pas de facture !
  • Pas de panne de secteur
  • C’est écolo

Tout est parfait alors ?!

Eh bien non… Il y a des inconvénients qui viennent contrebalancer ces avantages

  • Le panneau solaire ne fournit pas d’électricité la nuit. Donc il faut une réserve d’énergie, une batterie en somme
  • La batterie ne doit pas exploser par surcharge d’énergie en été, il faut un régulateur de charge
  • L’ensemble panneau solaire + batterie + régulateur représente un surcoût d’investissement à l’achat, de l’ordre de 500€
  • Le panneau solaire n’est pas très esthétique
  • Ce système est-il fiable ?
  • En plus du portail je désire installer un interphone et un digicode. Est-ce que le dispositif solaire est compatible ? Il va falloir rentrer dans les détails et faire un bilan de charge de la batterie.

Aie. Arrivé à ce point il y a beaucoup de monde qui ne va pas plus loin

Pourtant cela peut valoir la peine, mais comme souvent il va falloir rentrer dans les détails et examiner tout ceci de près, ce que peu de gens consentent à faire !

L’accumulateur

Bon. Pour commencer intéressons-nous à la batterie

Une batterie ? C’est quoi une batterie ? Ou un accumulateur électrique.

Un accumulateur électrique est convertit de l’énergie électrique en énergie chimique afin de pouvoir la réutiliser ultérieurement. L’énergie chimique est stockable, généralement sous forme de substances capables de réagir entre elles et de restituer cette énergie. Le ratio entre l’énergie injectée et l’énergie restituée s’appelle le rendement de conversion-accumulation. Ces rendements sont généralement faibles. Il faut beaucoup plus d’énergie initiale pour récupérer une faible quantité d’énergie au final. Les accumulateurs les plus performants ont un rendement qui reste inférieur à 80 %. Ceux qui atteignent cette valeur sont de type industriel et ne sont pas transportables. Par conséquent les accumulateurs courant sont bien moins performants.

Les accumulateurs électrochimiques fonctionnent grâce à une réaction chimique entre leurs électrodes. Il existe diverses substances chimiques capable de produire ce processus de charge / décharge. On désigne les accumulateurs selon ces coups de substances

Batterie au plomb et acide, nickel-cadmium
Batterie au plomb et acide, nickel-cadmium

La tension – en volt – est un paramètre important, déterminée par le potentiel d’oxydo-réduction du couple de substances utilisées. La tension de la batterie  est de l’ordre de un à quelques volts pour un élément. On peut disposer plusieurs  éléments pour obtenir une tension plus élevée. En pratique des tensions plus élevées 12, 24 voire 48 V sont requises.

La charge électrique se mesure en Ah, c’est à dire un courant pendant un certain temps. Elle se mesure en multipliant un courant par le temps de charge/décharge. La capacité de charge électrique, appelée dans le langage courant capacité de l’accumulateur est la charge électrique que peut fournir l’accumulateur complètement chargé pendant un cycle complet de décharge. Sa valeur initiale théorique doit être indiquée par le constructeur, suivant la réglementation actuelle (en Ah ou mAh voir ci-dessus).

Attention : cela dépend de l’intensité de décharge (selon la loi de Peukert)

Elle diminue progressivement avec les cycles de charge/ décharge. La méthode de mesure consiste à mesurer le nombre d’heures durant lesquelles l’accumulateur fournit ce courant, avec une tension supérieure à la tension de seuil (par exemple, 0,9 V pour un accumulateur NiMH). La capacité mesurée est alors le produit du nombre d’heures par le courant fourni.

L’énergie stockée dans la batterie est sa charge électrique multipliée par la tension moyenne sous laquelle cette charge est déchargée.

Le débit maximum, ou courant de pointe, d’un accumulateur est spécifié en amplitude et en durée et est largement supérieur au débit permanent autorisé.

L’impédance interne, exprimée en ohm, est la résistance interne de l’accumulateur qui provoque une chute de tension avec un courant donné

Le courant maximum supportable pendant la recharge est indiqué en ampère.

L’usure de l’accumulateur sous l’effet des cycles charge décharge entraîne une baisse de la capacité de l’accumulateur batteries avec le temps ou aussi simplement due au vieillissement.  Même sans fonctionner, l’accumulateur vieilli !

Les accumulateurs les plus courants actuels dans notre domaine d’application sont :

  • Accumulateur Plomb-acide,
  • Accumulateur Ni-Cd (nickel-cadmium) et leurs évolutions, Ni-MH (nickel-métal hydrure)

Plomb-acide /  Batterie au plomb :

La tension nominale d’un élément accumulateur de ce type est de 2,1 V. Il s’agit du couple le plus ancien. C’est le dispositif de stockage d’énergie électrique utilisé pour la batterie de démarrage de la plupart des véhicules automobiles.

L’accumulateur au plomb a été inventé en 1859 par Gaston et est composé de deux plaques en  plomb maintenues écartées par un isolant. Pour augmenter la surface d’échange et donc les performances de l’accumulateur, il enroula les bandes de plomb séparées par des intercalaires en caoutchouc, le tout plongé dans un bocal de verre rempli d’eau acide. Pour obtenir une capacité de décharge importante il constata qu’il était utile d’effectuer des cycles charge/décharge. Il appela cela « la formation ».

Le fonctionnement de la batterie ne disperse pas de plomb métal.   Le plomb est un polluant, mais en revanche le recyclage des batteries au plomb est facile. Le transport et le recyclage des batteries sont de plus en plus sévèrement réglementées, ce qui augmente les frais et diminue la rentabilité du recyclage ; mais le taux de recyclage des batteries au plomb atteint de meilleurs résultats de valorisation avec 95 % de collecte et plus 65 % de valorisation en matière première secondaire sèche. Le prix du kilogramme de batteries est deux fois supérieur au prix du kilogramme de ferraille et permet ainsi de financer son recyclage sans devoir demander de soutien financier aux pouvoirs publics ou aux consommateurs.

La durée de vie ainsi que les performances d’une batterie au plomb dépendent fortement de l’utilisation que l’on en fait. Les accumulateurs au plomb  supportent très mal les décharges profondes. Ils nécessitent un système de contrôle poussé pour maintenir les meilleures performances possibles.

  • Respectez les intensités maximales préconisées par le fabriquant.
  • Ne déchargez jamais une batterie à moins de 1.65V par élément (soit 10V pour une batterie 12V)
  • Ne faites démarrer un moteur qu’avec une batterie de démarrage. Une batterie à décharge lente le fera aussi mais elle en gardera des « cicatrices » ineffaçables.
  • Ne court-circuitez jamais même brièvement une batterie. Vous savez l’attouchement rapide avec un bout de fil pour tirer une étincelle. Non seulement vous l’endommagez mais en plus dans certains cas si votre attouchement manque de légèreté elle risque de vous exploser à la figure !
  • Coté température, une batterie fonctionne bien à 20/25°C. Au-dessus, elle fonctionne toujours très bien mais le taux d’auto-décharge augmente et sa durée de vie se réduit de moitié à chaque fois que la température augmente de 10°C.
  • Si le constructeur donne 10 ans à 20°C on tombe à 5 ans à 30°C et 2,5 ans à 40°C et les dégâts sont irréversibles.
  • A froid, en dessous de 20°C, la réaction chimique est de moins en moins active au fur et à mesure que la température baisse et donc la batterie pourra fournir moins de courant. Les jours d’hiver obligent souvent les automobilistes possédant une batterie fatiguée à pratiquer une gymnastique matinale
  • Une batterie en bon état fonctionnera dans une large plage de température (-20 à + 45°C voir plus) mais pas avec les mêmes performances qu’à 20°C.
  • Le point important ce sont les tensions lors de la recharge. La longévité de votre batterie en dépend.
  • Les deux causes principales de fatigue d’un accumulateur au plomb sont la décharge profonde et la surcharge.

La tension nominale d’un élément accumulateur de ce type est de 1,2 V.

Ce type d’accumulateur possède un effet mémoire. On est obligé de les stocker dans un état déchargé (0,6 V). La fin de charge est marquée par une baisse de la tension de charge (dv/dt). C’est ce seuil qui indique la fin de la charge pour les chargeurs automatiques. Par rapport au Ni-MH, le Ni-Cd peut supporter des courants en décharge plus importante (de l’ordre de 100 fois) mais la décharge naturelle est plus rapide que pour le Ni-MH.

Le cadmium est très polluant. Ce type d’accumulateur permet un nombre de cycles charge/décharge plus important que les accus Li-ion et que les Ni-MH (durée de vie supérieure). Ce couple se démocratise de plus en plus dans les outillages électroportatifs.

La tension nominale d’un élément accumulateur de ce type est de 1,2 V. Ce type d’accumulateur n’incorpore ni cadmium ni plomb et est donc peu polluant. De plus, son énergie massique est supérieure de 40 % à celle des Ni-Cd et son effet mémoire est très faible.

Lorsque la charge est rapide, la fin de charge est marquée par une variation de la tension en charge très faiblement négative.

  • Température de charge : Chargez vos accumulateurs à température ambiante entre 0 et 45 °C, idéalement la température de charge se situe dans une gamme allant de 10 à 30 °C.
  • Température de décharge, entre -20 et + 65 °C
  • Proscrire les décharges trop profondes en dessous de 1 V/éléments. Ne jamais court-circuiter un accu chargé.
  • Attendre au moins une heure avant d’utiliser une batterie qui vient d’être chargée.
  • Après une décharge attendre au moins quatre heures avant de recharger la batterie.
  • Un élément de batterie Ni-Cd doit être stocké Déchargé.
  • Un élément de batterie Ni-MH doit être stocké Chargé

Vos accus stockés doivent être cyclés tous les 6 mois au minimum. Il ne faut pas laisser un élément sans charge

Les éléments stockés vont subir une autodécharge naturelle qui va certainement les amener en dessous de la tension de 1 V, mais cette décharge sera bien naturelle et non pas forcée par un circuit extérieur donc moins dangereuse pour l’accu. On admet une décharge naturelle jusqu’à 0,8V par élément. En dessous il est possible de ne pas pouvoir récupérer l’élément. Une méthode spéciale doit alors être appliquée pour essayer de récupérer l’élément.

Méthode de secours pour récupérer un élément < 0,8 V après un long stockage. Il est possible de restaurer des éléments restés déchargés plus d’un an, reprendre une charge normale au bout de deux ou trois cycles.

Les accumulateurs à base de lithium sont issus d’une technique récemment mise au point et en cours de développement, présentant un très important potentiel électrochimique.

On distingue la technique lithium métal où l’électrode négative est composée de lithium métallique et la technique lithium ion, où le lithium reste à l’état ionique grâce à l’utilisation d’un composé d’insertion aussi bien à l’électrode négative qu’à l’électrode positive.

Des problèmes de sécurité demeurent – prise de feu – en cas de surcharge, de décharge trop rapide ou de court-circuit. Les accumulateurs lithium-ion sont parfois remplacés par leur variante lithium polymère dite Li-Po. Son couple électrochimique est le même, mais un gel (polymère) fige l’électrolyte, ce qui permet de réduire son contenant à une simple enveloppe plastique souple. Le polymère ralentissant le déplacement des ions, l’aptitude à la fourniture de courants importants est réduit et donc sa puissance spécifique (voir définition plus haut) est généralement inférieure à celle des éléments Li-Ion de même capacité.

  • Ne jamais surcharger un élément.
  • Ne pas laisser un accumulateur en charge sans surveillance.
  • Ne pas poser un accumulateur en charge sur une surface conductrice.
  • Ne pas stocker les batteries en vrac.

Panneaux solaires photovoltaïques

Panneau solaire

Les panneaux solaires photovoltaïques regroupent des modules photovoltaïques reliées entre eux en série et/ou en parallèle.

Ils peuvent s’installer sur des supports fixes au sol ou sur des systèmes mobiles de poursuite du soleil appelés trackers. Dans ce dernier cas la production électrique augmente d’environ 30 % par rapport à une installation fixe. En France la position fixe optimale est une inclinaison de 30° par rapport à l’horizontale, ou de 60° si l’objectif est de maximiser la production d’électricité en hiver.

  • Le silicium polycristallin (pc-Si) représentant environ 57,0 % du marché mondial ;
  • Le silicium monocristallin (sc-Si) représentant environ 30,9 % du marché mondial ;
  • Le tellurure de cadmium (CdTe) représentant environ 5,5 % du marché mondial ;
  • Le silicium amorphe (a-Si) représentant environ 3,4 % du marché mondial ;
  • Le CIS (cuivre, indium, sélénium), CIGS (cuivre, indium, gallium, sélénium), le CIGSS (cuivre, indium, gallium, disélénide, disulphide) et l’arséniure de gallium (Ga-As) représentant moins de 5 % du marché mondial.

Le rendement des panneaux correspond au ratio entre l’énergie restituée sous forme électrique par le panneau et l’énergie contenue dans la lumière reçue.

La technologie des cellules photovoltaïques utilisées :

  • Cellules photovoltaïques monocristallines : Ces cellules ne sont composées que d’un seul cristal. Elles possèdent le meilleur taux de rendement de l’ordre de 12 à  15%
  • Cellules photovoltaïques poly-cristallines : Il s’agit des cellules les plus courantes. Elles possèdent un taux de rendement de l’ordre de 11 à 13%.
  • Les cellules amorphes : Ces cellules possèdent le plus faible taux de rendement de 6 à  8%.

Régulateur de charge

Régulateur de charge

Le rôle d’un régulateur de charge d’accumulateur pour panneau solaire est de maintenir le niveau de charge à un niveau aussi élevé que possible, de prévenir les phénomènes de surcharge ou une décharge comme ce que l’on vient de voir précédemment.

Pour rappel, une surcharge prolongée d’une batterie Plomb peut provoquer une altération accélérée, un dégazage, un échauffement voire perte d’électrolyte. Une décharge profonde est aussi nocive pour l’état de la batterie.

Les  régulateurs utilisent des programmes de charge en trois étapes :

  • Etape 1 « Bulk » : La charge est inférieure à environ 80%. La tension aux bornes de l’accumulateur est faible. La totalité du courant issu du panneau  photovoltaïque est utilisé pour la charge
  • Etape 2 « Phase d’absorption » : La charge est environ de 80 à 85 %, le courant de charge est  régulé. La puissance injectée dans l’accumulateur diminue. L’état de charge « seuil » est associé à une « tension d’absorption » au-delà de laquelle la fonction de régulation s’active.
  • Etape 3 « Phase de Float » : Quand les accumulateurs sont totalement chargés, le régulateur passe à l’étape 3. La tension de charge est alors maintenue à une tension de « Float ». L’accumulateur est maintenu au maximum de sa charge grâce à un très faible courant du régulateur.

Quelle est la consommation de mon portail ?

Arrivé à ce stade nous comprenons mieux comment un dispositif de panneau peut alimenter un portail solaire pour ce qui est du principe. Il reste à dimensionner le dispositif. Pour déterminer la production d’électricité, il faut calculer la consommation de votre installation. Pour travailler de façon simple on travaille sur une journée

motorisation-portail-solaireImaginions que le portail va travailler 20 fois pendant 2 minutes

Le moteur consomme 1 ampère environ avec 20V

L’énergie consommée en une journée est de l’ordre de 6 à 7 Wh

cellules-photoelectriqueCaractéristiques techniques : FOTO30-A / FOTO30-B

Alimentation : 12-24 Vca/cc

Consommation : 50 mA

L’énergie consommée en une journée est de l’ordre de 15 Wh

carte de contrôle portailCaractéristiques techniques :

Alimentation : 12-24 Vca/cc

Consommation : 300 mA

L’énergie consommée en une journée est de l’ordre de 96 Wh

Digicode portailCaractéristiques techniques :

Alimentation : 12-24 Vcc/ac

Consommation : 145 mA avec rétro-éclairage

L’énergie consommée en une journée est de l’ordre de 40 Wh

Avec un interphone en plus on va avoir approximativement la même chose

Donc pour résumer :

Moteur 7
Cellules 15
Carte de contrôle 96
Digicode 40
Interphone 50
Total 208

Soit 208WHeure à alimenter. Comme vous pouvez le voir, les moteurs représentent une faible part. Cela simplement du faible temps de consommation par rapport aux autres éléments.

Quelle est l’énergie produite par mon panneau ?

Dernier point qui va déterminer votre choix : les conditions climatiques et météorologiques de votre lieu d’habitation.

Vous habitez en province dans des zones ventées ou avec des températures souvent inférieures à 0°C ? Vous allez préférer la motorisation de portail en 24V pour permettre à votre moteur de ne pas peiner quand le vent freine l’ouverture ou la fermeture de votre portail. De même, le grand froid peut bloquer un moteur. Choisissez une installation de moteur de portail avec fin de course mécanique ou électrique : vous limitez ainsi les contraintes sur le portail.

L’irradiation solaire annuelle globale horizontale (IGH) en France est en moyenne de 1 274 kWh/m²

Cette moyenne annuelle varie de :

1 645 kWh/m² en Provence-Alpes-Côte d’Azur à 1 089 kWh/m² en Nord-Pas-de-Calais

l’irradiation mensuelle moyenne est importante sur la période avril-septembre, maximale en juin-juillet et minimale de novembre à février ; l’irradiation de juillet (183,9 kWh/m²) est 6,26 fois supérieure à celle de décembre (29,4 kWh/m²) ; la volatilité interannuelle de cette irradiation, mesurée par son écart-type sur 2004-2012, est de 2,2 % en moyenne, avec un maximum en Alsace et Franche-Comté (3,6 %) et un minimum en Ile-de-France à 1,8 % ; les régions méditerranéennes ont également de faibles volatilités.

carte france L'irradiation solaire annuelle globale horizontale

répartition mensuelle irradiation annuelle globale horizontale en France

Données techniques
Model de module SA150-M
Type cellules Monocristalline
Numéro Cellule 36
Tension nominale 12V
Courant nominal Imp (A) 8.06A
Courant de court-circuit ISC (A) 9.10A
Type module Rigide
Taille Cellule 156 x 156 mm
Surface cellule totale 0,87 m²
Puissance nominale (Pmax) 150W
Tension Vmpp (Vmpp) 18.61V
Tension de circuit ouvert VOC (V) 22.33V
Rendement du module 17%

Sur Lille on aura pour 1m²  1 089 kWh/m² à 2% pour le mois de janvier disons 30,5 jours. Au mois de Janvier ou de décembre 2% de cette valeur en moyenne. Soit en moyenne 714 Wh d’énergie solaire par jour. Le panneau fait à 0,87m² – on peut capter 621Wh. Son rendement est de 17% – soit 105 Wh disponible en sortie de panneau. Le coefficient de rendement solaire dû à la position – disons 50%. Il va rester 52Wh. La consommation était de 208Wh. La production d’un panneau est de 52Wh. Avec 4 panneaux ou en optimisant l’orientation on peut faire quelque chose. Mais vous voyez que dès que l’on prend en compte tous les aspects, avec les accessoires et l’ensoleillement, cela complique la situation.

Concrètement, lors d’une installation sur le Mans, vous êtes en panne en Décembre ! On peut s’en est tirer en mettant deux panneaux et en mettant les accessoires sur piles (digicodes, interphone…)

Conclusion

Une motorisation solaire c’est possible. Mais attention à la consommation installée avec les accessoires !

C’est pour cette raison que les automatismes spécifiquement solaires proposent des appareils qui n’ont pas de consommation de veille. Il faut les réveiller à chaque usage de la télécommande.

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