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En série, ou en parallèle? C’est très certainement la question la plus courante que nous recevons chez REE concernant les panneaux solaires, et de loin. Plusieurs articles qui traitent du sujet sont disponibles sur internet et leur qualité ainsi que leur exactitude est hautement variable. Nous tenterons d’expliquer ici les phénomènes électriques qui régissent la transmission du courant par les panneaux solaires sans sombrer dans les détails, mais en essayant de ne rien oublier. Ces concepts sont les plus importants à considérer lors de cet exercice: l’indépendance des panneaux, la résistance des fils de connexion et le voltage optimal du contrôleur solaire.
L’indépendance des panneaux solaires est la raison pour laquelle une connexion en parallèle peut mieux fonctionner qu’une connexion en série dans un environnement d’ombre partielle. Pour bien saisir ce phénomène, il est important de comprendre le fonctionnement d’un panneau solaire. Un panneau solaire est composé de quelques dizaines de cellules solaires. À l’intérieur d’un panneau, la majorité du temps, toutes ces cellules sont connectées en série. Comme le courant doit passer par toutes les cellules pour compléter son circuit, un panneau solaire n’est qu’aussi fort que sa cellule la moins ensoleillée! Et oui, exactement de la même manière qu’une chaîne n’est qu’aussi forte que son maillon le plus faible. Il ne suffit donc que de bloquer la lumière complètement d’une seule cellule d’un panneau solaire pour qu’il perde environ 90% de sa puissance, même si toutes les autres cellules sont en plein soleil. Autre exemple: si une cellule est bloquée à 50%, c’est tout le panneau qui perd environ 45% de sa puissance.
Si vos panneaux sont connectés en parallèle, une seule cellule peut donc neutraliser un des panneaux de votre système. Quant aux systèmes en série, c’est là que le bât blesse: si une seule cellule du système se retrouve complètement dans l’ombre, c’est l’entièreté de votre système qui sera neutralisé à 90%! À prime abord, les systèmes en série peuvent donc sembler être une mauvaise idée mais, ils restent pourtant le type de connexion le plus courant. En effet, il faut relativiser: quelle est vraiment la fréquence à laquelle un des panneaux se retrouve dans l’ombre, et les autres en plein soleil? De notre expérience, c’est une situation à laquelle nous avons très rarement affaire, mais cela peut varier selon les utilisateurs. Si vous faites souvent du camping dans les bois, et sous les arbres au Québec ou dans l’Ouest canadien, il est possible que cette situation survienne de temps en temps. Si vous êtes toutefois plus souvent sur les plages et dans les montagnes, c’est une situation moins courante. Mais, ne vous arrêtez-pas ici, les autres facteurs sont également importants!
La résistance électrique dans les fils solaires est aussi à prendre en compte. Pour la même quantité de watts, les fils électriques offriront moins de résistance à des plus grands voltages, donc en série. Hydro-Québec comprend bien se phénomène et utilise parfois plus de 750 000 Volts dans ses lignes de transmission pour augmenter leur efficacité. La résistance est aussi proportionnelle à la longueur et à la grosseur des fils. Par souci d’exactitude, nous vous présentons la formule servant à calculer les pertes de voltage ainsi que la puissance perdue pour des fils de cuivre en fonction de leur longueur, diamètre et l’ampérage utilisé. Sentez-vous libre de passer immédiatement à la section suivante!
Résistance dans un fil : R = L* 𝝆 / ((d/2)^2 * 𝛑) où:
R est la résistance du fil (en Ohms)
L est la longueur du fil (en mètres)
𝝆 (rho) est la résistivité du matériau conducteur (0.0171Ohm * mm^2 / mètre pour le cuivre)
d est le diamètre du fil (en mm)
Les pertes de voltage dans un fil: 𝚫V = I * R
𝚫V (delta V) est la perte de voltage engendrée par la résistance dans le fil (en Volts)
I est l’ampérage (en ampères)
R est la résistance du fil (en Ohms)
La perte de puissance engendrée par une résistance: 𝚫W = 𝚫V * I
𝚫W est la perte de puissance (en Watts)
𝚫V est la perte voltage engendrée par le fil (en Volts)
I est l’ampérage utilisé par le fil (en ampères)
En mettant toutes ces formules ensemble, sans oublier de doubler la longueur du fil (fil rouge et fil noir) on obtient ceci:
𝚫W = I^2 * L *2 * (0.0171Ohm *mm^2/m) / ((d/2)^2 * 𝛑)
En prenant l’exemple d’un fil de cuivre de 10 AWG (2.59mm de diamètre) on obtient donc:
𝚫W = I^2 * L * (0.0171Ohm * mm ^2 / m) / ((2.59mm / 2) ^ 2 * 𝛑)
En simplifiant:
𝚫W = I^2 * L * 0.0032
Pour un seul panneau REE de 165W à pleine capacité (165W @ 10A), donc 10 ampères sur 15 pieds de fil double (30 ft = 9.14m):
𝚫W = 10 * 10 * 9.14 * 0.0032 = 2.9W
Pour deux, trois ou quatre panneaux en série (330W, 495W, 660W @ 10A):
𝚫W = 10 * 10 * 9.14 * 0.0032 = 2.9W
Remarquez qu’il n’y a pas de différence: lorsque connectés en série, les panneaux fournissent leur courant au même ampérage qu’un seul panneau. Cela est vrai pour trois et quatre panneaux également: vous n’aurez pas plus de pertes. Ce principe ne peut pas s’échelonner à l’infini car d’autres principes entrent en compte. Ces derniers ne seront pas élaborés ici.
Pour deux panneaux en parallèle: (330W @ 20A):
𝚫W = 20 * 20 * 9.14 * 0.0032 = 11.7W
Pour trois panneaux en parallèle: (495W @ 30A):
𝚫W = 30 * 30 * 9.14 * 0.0032 = 26.5W
Pour quatre panneaux en parallèle: (660W @ 40A):
𝚫W = 40 * 40 * 9.14 * 0.0032 = 47.1W
Pour quatre panneaux en parallèle: (660W @ 40A) avec un fil de 8 AWG:
𝚫W = 40 * 40 * 9.14 * 0.0020 = 29.8W
Si vous voulez faire vos propres calculs, vous pouvez également utiliser notre petit script python où vous pourrez utiliser les unités impériales directement:
Cet aspect est donc également à prendre en compte lors de la pondération entre un système en série et un système en parallèle. Et ce n’est malheureusement pas fini:
Le troisième et dernier argument concerne le voltage optimal du contrôleur solaire. Les contrôleurs MPPT ont une efficacité moyenne de plus de 90%, ce qui est nettement supérieur aux chargeurs de type PWM qui vont souvent utiliser moins de la moitié du courant disponible dans des conditions nuageuses (oui, exactement quand vous voulez qu’il soit justement le plus efficace). Les contrôleurs MPPT sont toutefois plus efficaces à convertir le courant à des plus hauts voltages: vous pouvez facilement passer de 90% à 95% d’efficacité en connectant simplement vos panneaux en série plutôt qu’en parallèle pour cette raison. Toujours pour cette même raison, les panneaux solaires connectés en série seront d'autant plus efficaces lors de lumières basses, par exemple pendant la pénombre, les mois d’hiver ou sous les nuages. Faites toutefois attention à ne pas dépasser le voltage maximum accepté par votre contrôleur. Le voltage maximal pour le contrôleur REE est de 100V: vous pouvez donc y connecter les 4 panneaux de 165W en série sans problème.
Dans les installations solaires permanentes de chalet ou les fermes solaires, il ne fait pas de doute que la manière optimale de pour connecter ses panneaux solaires reste la connexion en série (tout en respectant le voltage maximal accepté par le contrôleur). En effet, l’ombre localisée n’est pas à prendre compte et les nuages uniformes vont majoritairement favoriser les connexions en série. Pour les installations solaires mobiles toutefois, l’ombre créée par les arbres ou les bâtiments peut en effet générer une ombre assez forte pour ralentir de manière importante la charge de vos batteries. Que faire? Gardez tout d'abord en tête qu’une seule cellule ombragée annule la puissance de l’entièreté d’un panneau, qu’il soit connecté en série ou en parallèle. Autrement dit, si une cellule sur chaque panneau ne reçoit pas de lumière, il n’y aura pas de différence entre une connexion en série ou en parallèle. Le seul et unique cas où les panneaux connectés en parallèle produiront plus de puissance que des panneaux connectés en série est celui où certains panneaux sont ombragés et les autres en plein soleil. On parle donc ici d’un seul arbre à la mauvaise place qui ne couvrirait qu’un des panneaux, ou un lampadaire qui ne passe au-dessus d’un seul de vos panneaux, tout en couvrant d’ombre 100% d’une cellule! Les conditions à remplir pour qu’un système connecté en parallèle produise plus de puissance qu’un système connecté en série sont bien précises. C’est maintenant à vous de déterminer si c’est une situation que vous envisagez de rencontrer fréquemment. De notre expérience chez REE, c’est une situation assez peu commune qui ne vaut pas la perte d’efficacité en lumière basse des connexions en parallèle.
TLDR (Too Long, Didn't Read):
Si vous pensez souvent vous retrouver en situation d’ombre partielle et que vous n’utilisez pas beaucoup votre campeur pendant l’hiver ou dans des régions nuageuses, connecter ses panneaux en parallèle peut être une bonne option pour une poignée de gens. Autrement, une connexion en série est probablement plus appropriée pour vous. N'oubliez pas de respecter le voltage maximum accepté par votre contrôleur solaire.