Vous êtes enthousiasmé par un projet de conversion, mais vous ne savez pas comment vous y prendre avec le système électrique? Vous avez pensé le faire poser par quelqu'un, mais le prix vous rebute?
N'ayez crainte! Bien que la nomenclature puisse sembler compliquée, les principes de bases peuvent s'expliquer simplement avec quelques exemples et analogies.
Vous trouverez ci-bas un ensemble solaire typique bâti avec des produits que vous trouverez sur le site web de Rare Earth Elements.
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La base de la base: C'est quoi dans le fond l'électricité?
Et bien en gros, ce sont des électrons qui passent d'un point à l'autre dans la direction d'une différence de potentielle (le voltage!) et qui, sur leur passage, peuvent fournir de l'énergie à divers appareils (moteurs, lumières, appareils électroniques etc.). La différence de potentielle, en Volts (V), peut être comparée à une pression d'eau. Plus la différence de potentiel est grande, plus la force que subiront les électrons pour passer d'un point à un autre sera grande.
Imaginez un réservoir d'eau de 12 pieds de haut. Si vous faites un trou à la base, l'eau sortira à une certaine vitesse. Imaginez maintenant un réservoir d'eau de 120 pieds de haut. Si vous faites un trou à la base, l'eau sortira avec beaucoup de force que dans le cas précédent. De la même manière, un voltage de 12 Volts entre les pôles d'une batterie représente une force moins importante que le 120 Volts de votre maison (oublions pour l'instant les courants DC et AC). Si vous connectez les deux pôles à l'aide d'un fil conducteur (déconseillé), vous constaterez le même effet qu'en perçant les réservoir d'eau: un relâchement d'énergie incontrôlé et potentiellement dangereux!
Les Volts (V), c'est donc la force ou la tension avec laquelle les électrons sont poussés d'un pôle à l'autre de votre batterie. Les appareils que vous y connecterez utiliseront cette énergie de manière contrôlée pour effectuer leurs diverses tâches: générer de la lumière, fournir de l'énergie à un écran ou même recharger une autre batterie à moins fort voltage (e.g. votre téléphone).
Les Ampères (A), c'est l'analogue du débit d'eau (en litres par minute par exemple) qui sortirait de votre réservoir d'eau. Plus le trou percé dans le réservoir est gros, plus le débit d'eau sera important. De la même manière, si vous branchez 10 lampes sur vos batteries, le débit d'électrons passant d'un pôle à l'autre sera plus grand que si vous n'en branchez qu'une seule.
Les Watts (W), c'est le produit des Volts et des Ampères et c'est une mesure de puissance (ou d'énergie utilisée par seconde). Plus le voltage est grand et plus l'ampérage est grand, plus le wattage sera élevé et est calculé par la relation suivante:
W = V * A
Par exemple, le chargeur de votre téléphone opère à environ 6 watts. Si ce chargeur prend comme source l'électricité de votre maison (120V), le débit sera d'environ 0.05A (6W / 120V = 0.05A). S'il prend pour source votre batterie de voiture (12V), le débit sera alors de 0.5A (6W / 12V = 0.5A).
Les ampères-heure (Ah), c'est l'énergie emmagasinée dans une batterie pour un certain voltage. Une batterie 12V de 100Ah emmagasine deux fois plus d'énergie qu'une batterie 6V de 100Ah. Pour avoir une vraie mesure de l'énergie, on peut utiliser la nomenclature suivante: 100Ah @ 12V (se lit: cent ampères-heure à 12 Volts) ou bien les Watts-heures (Wh), la même mesure qu'Hydro-Québec utilise pour facturer la consommation. Une batterie de 100Ah @ 12V peut par exemple emmagasiner 12V * 100Ah = 1200Wh d'énergie. Fun fact: cela représente environ 0.1$ d'électricité aux tarifs d'Hydro-Québec. Toutes les batteries REE arrivent chez vous chargées avec leur 10¢ d'énergie: vous ne pourrez pas dire qu'on ne vous gâte pas!
Super les cours de physique du Cégep, mais je suis venu ici pour aménager mon van...
Passons maintenant en revue les appareils les plus souvent utilisés:
Les panneaux solaires:
Tout le monde sait à quoi ça ressemble, mais qui sait vraiment ce que ça fait? Pour rester bref, les panneaux solaires utilisent la lumière pour exciter des électrons qui sautes des couches électroniques de différents éléments grâce à l'excitation de la lumière. Ce ne sera pas discuté plus longuement ici mais voici un lien vers un vidéo qui vous en dira plus long. Les panneaux solaires viennent en différentes grandeurs, types des cellules, types de chassis et voltages.
Au niveau de la grandeur, plus le panneau est grand, plus il produira de watts (vous l'aviez deviné!). Il existe deux types de cellules photovoltaïques: les cellules monocristallines et les cellules polycristallines. Les cellules monocristallines sont composées de cristaux de silice plus purs et plus unis (moins de cristaux par cellule) et ont une plus grande efficacité en générale (moins de surface de panneau nécessaire pour la production d'un Watt) que les cellules polycristallines. Ces dernières peuvent toutefois être produites à moindre coût. Pour des applications de petite échelle comme des campeurs, les panneaux de type monocristallins font l'unanimité. Du côté du chassis, il existe les panneaux rigides à structure d'aluminium, plus lourds et revêtus d'une vitre très résistante et les panneaux flexibles beaucoup plus légers mais revêtus de plastique plutôt que de verre. Notons aussi que le toit est le pire endroit du véhicule pour poser du poids, et ce, surtout sur les vans avec des toits surélevés ou sur les campeurs portés! Pour avoir personnellement testé les deux types de panneaux, nous n'avons pas constaté de faiblesse ou d'égratignures plus importantes sur les panneaux flexibles que sur les panneaux de verre. Aussi, pendant l'hiver, il est beaucoup plus facile d'enlever la glace sur des panneaux qui sont flexibles que sur les panneaux rigides à structure d'aluminium: la glace se décolle presque toute seule à cause de la flexibilité du panneau. Les panneaux rigides sont également beaucoup plus épais que les panneaux flexibles et font un peu augmenter la consommation d'essence/diesel. Nous pensons chez REE que les panneaux flexibles sont beaucoup mieux adaptés à une installation mobile comme les vans ou les bateaux et c'est le seul type de panneau que nous offrons. Dernièrement, le voltage des panneaux communs dans les petites applications sera de 12 ou 24 volts (nominal). Le voltage produit par ces panneaux sera plus grand que leur voltage nominal pour pouvoir charger efficacement des batteries du même voltage nominal: un panneau de 12V produit environ 16V et un panneau de 24V en produit 30 quand ils sont en plein soleil. Si vous utilisez un chargeur PWM de qualité de base, vous devez utiliser des panneaux de 12V pour un système 12V alors que, si vous utilisez un system MPPT, vous pourrez utiliser tous les types de panneaux sur votre système 12 ou 24V. L'avantage des panneaux 24V versus les panneaux 12V c'est qu'ils sont généralement moins cher et plus résistants car ils sont produits dans des applications souvent industrielles. Les panneaux 24V engendrent aussi moins de pertes au niveau du filage vu le voltage plus élevé.
Les panneaux solaires ont beaucoup évolué depuis les dernières années et des efficacité aux alentour de 20% sont devenu le standard alors qu'elles étaient très difficiles à atteindre autrefois. D'autre part, les panneaux solaires ne comportent pas de pièces mobiles et sont généralement couvert par une généreuse garantie. Vous trouverez les panneaux solaires REE ici.
Les contrôleurs solaires:
Vu leur importance dans le système, les contrôleurs solaires sont bizarrement la partie la moins chère du système dans plusieurs cas. Ces appareils sont responsables de la gestion de l'énergie produite par les panneaux solaires. Les panneaux produisent des voltages et des ampérages qui varient beaucoup et qui ne sont pas utiles à la charge d'une batterie tel quel: ils doivent être uniformisés pour charger la batterie de manière contrôlée. Les batteries sont très sensibles au voltage qu'elles reçoivent et brancher des batteries directement sur des panneaux solaires sans utiliser de contrôleur n'a que deux résultats possibles: briser les panneaux ou briser la batterie!
Les contrôleurs solaires n'ont généralement qu'un chiffre affiché: l'ampérage. Cela représente l'ampérage maximum que le contrôleur pourra transmettre à la batterie. D'autres valeurs comme l'efficacité du "tracking", l'efficacité maximale de charge, l'ampérage maximale de la sortie de courant et les différentes connectivités (Bluetooth, Wifi) peuvent aussi être à évaluer mais sont généralement assez similaires de compagnie en compagnie. L'ampérage maximal de sortie de courant du contrôleur peut être important si vous comptez utiliser tous vos appareils sur celle-ci. En effet, cela peut être intéressant car cette sortie est monitorée par le contrôleur et vous pourrez savoir à tout moment qu'elle est votre consommation de courant. D'autant plus commode si vous pouvez regarder ces chiffres directement sur votre téléphone!
Une caractéristique très importante des contrôleurs solaires plus modernes est la capacité de réactiver les batteries au lithium. En effet, si la batterie se met en mode protection pour une quelconque raison (court-circuit, chaleur, froid, batterie vide...) elle dois être réactivée par votre contrôleur solaire. Assurez-vous que le chargeur que vous achetez a bel et bien cette fonction si vous comptez utiliser des batteries au lithium. Les contrôleurs solaires de REE possèdent tous cette fonction. De plus, les contrôleurs solaires REE sont calibrés avec les batteries REE et leur inter-compatibilité est garantie.
Les batteries:
Au centre de tout système électrique, la batterie est la pièce la plus chère et la plus importante du système. Depuis plusieurs années, le prix de ces batteries est toutefois en chute libre. L'amélioration des technologies, l'augmentation de la production et l'innattendue relative stabilité des prix des matériaux ont contribué à des prix plus bas. À moyen et court terme, les batteries au lithium sont maintenant beaucup moins chères que les batteries acide-plomb! Il n'y a donc plus vraiment de raison d'utiliser des batteries acide-plomb dans les systèmes solaires et les batteries à l'acide ne seront pas discutées ici. Ces batteries conservent tout de même leur utilité pour le démarrage du moteur par temps froid: elles restent dominantes pour des très fortes poussées de courant (plusieurs centaines d'ampères) sur quelques secondes et dans les températures sous 0°C.
Les batteries au lithium ne présentent généralement que deux chiffres: le voltage et les ampères-heure. Le voltage est généralement de 6 ou 12 Volts et les ampères-heure varient de 25Ah à plus de 300Ah. La très grande majorité des batteries au lithium est de type 12 Volts afin de faciliter la connection en parallèle de ces dernières: il ne vous reste donc qu'à choisir la quantité d'ampères-heures (Article à venir!).
Parmi les autres caractéristiques importantes des batteries au lithium figurent les types de cellules, le BMS ("Battery Management System"), les connectivités, le chauffage interne et la garantie. Les cellules peuvent être de type cylindrique ou prismatique: les cellules cylindriques sont plus petites et ressemblent à des batteries AA alors que les cellules prismatiques sont beaucoup plus grosses et on n'en compte généralement que 4 par batterie. Les cellules prismatiques sont plus chères et peuvent encaisser plus de cycles de charge et décharge que les batteries cylindriques. C'est aussi le seul type de batterie pouvant être doté d'un système de chauffage interne. Le BMS est un système électronique qui gère la charge et la décharge de la batterie: Il distribue le courant uniformément parmi les cellules, limite la vitesse de la charge et de la décharge, uniformise la charge entre les cellules, protège la batterie contre le froid, la chaleur, les courts circuits, les décharges trop profondes, la surcharge, les voltages de charge trop élevés etc. Une programmation adaptée du BMS pour les conditions d'utilisation sont donc importantes et détermineront la facilité d'utilisation et la durée de vie de la batterie. Au niveau des connectivités, certaines batteries offrent une connection Bluetooth ou Wifi pour pouvoir regarder les informations données par le BMS incluant le niveau de charge et la consommation. Le chauffage interne est contrôlé par le BMS et son utilité principale est d'augmenter la température de la batterie à une température où elle peut sécuritairement être chargée. Les batteries au lithium sont plus sensibles au froid que les batteries à l'acide, spécialement pendant la charge. Les batteries au lithium peuvent être utilisées pour faire fonctionner des appareils jusqu'à -20°C, mais ne peuvent être chargées sécuritairement qu'à partir de 0°C. Quand le BMS détecte un courant de charge et que la batterie est à moins de 10°C, il fait alors chauffer des films de carbones situés entre les cellules prismatiques et fera monter la température de cette dernière à 10°C. Il ne commencera à charger les batteries à partir de 0°C et arrêtera de faire fonctionner les films de carbone à 10°C, une température où la batterie peut être chargée de manière optimale. Ce sont tous des paramètres qui doivent être bien programmés dans le BMS pour assurer l'efficacité et la longévité de la batterie. Au niveau de la garantie, il vaut la peine de bien se renseigner sur les modalités d'échange ou de remboursement. Il va sans dire que plus la garantie est longue et généreuse, plus le fabricant a confiance en son produit et plus vous êtes protégé en cas de défaut de manufacture. Assurez-vous toutefois de ne pas payer trop cher pour une garantie trop longue: payer 500$ de plus aujourd'hui pour avoir un rabais dans 10 ans, ce n'est pas toujours gagnant! Les batteries seront sans doute moins chères qu'aujourd'hui et vous pourriez être perdant au final.
Toutes les batteries REE comportent la connectivité Bluetooth, le chauffage interne, des BMS à la fine pointe de la technologie et utilisent uniquement des cellules prismatiques.
Les convertisseurs de courant:
Les convertisseurs de courant se branchent directement sur la batterie et servent à transformer le courant continue de 12V de vos batteries à du courant 120V alternatif à 60Hz comme celui utilisé dans les maisons. Vous pourrez ainsi brancher vos appareils traditionnels comme les chargeurs d'ordinateur, les machines à café (yesss), votre magic-bullet pour vos smoothies etc. Les convertisseurs de courant sont des appareils qui travaillent fort et produisent beaucoup de chaleur: ils doivent utiliser des ventilateurs intégrés pour se refroidir. Deux caractéristiques sont généralement indiquées sur les convertisseurs de courant: la forme de l'onde sinusoïdale et la puissance continue et temporaire (''continuous'' et ''peak'').
La forme de l'onde peut être visualisée sur un graphique présentant le voltage en fonction du temps à la sortie du convertisseur de courant tel qu'illustré dans la figure suivante:
La forme sinusoïdale pure est similaire la celle que vous trouverez chez vous à la maison. Les appareils qui opèrent avec 120V de courant alternatif sont conçus pour utiliser cette forme d'ondulation. Certains appareils moins précis comme les outils électriques peuvent bien fonctionner avec les deux formes d'ondes mais seront plus efficaces quand ils utilisent la forme sinusoïdale pure. Le seul avantage des appareils à onde modifiée est leur prix plus bas, mais nous les déconseillons généralement pour les applications mobiles ou de chalet où des appareils plus sensibles peuvent être utilisés. Les puissances continues et temporaires représente le wattage maximale que le convertisseur peut fournir en continue et pendant quelques secondes. Vous verrez souvent des descriptions de ce genre: 2000W (4000W Peak). Cela signifie que l'appareil peut fournir 2000W en continue et 4000W pendant quelques secondes (moins de 10 en général). Vous devez donc choisir un convertisseur qui peut subvenir à vos besoin en watt en continue ("continuous") et non en puissance maximale ("peak"). Les appareil communs ne peuvent pas utiliser plus de 15 ampères au voltage de votre maison car les "breakers" de maison sont généralement de 15 ampères. Comme nous en avons discuté plus haut, 15 ampères à 120 Volts donne 15A*120V = 1600W. C'est la puissance maximale des appareils comme les grille-pain, micro-ondes etc. À moins que vous ne comptiez emmener votre ensemble laveuse-sécheuse dans votre campeur, 2000W en continu sera fort probablement suffisant pour tous vos appareils.
Les convertisseurs REE sont tous de type sinusoïdal pur et viennent avec une garantie de 2 ans, deux fois plus que la compétition!
Les chargeurs DC-DC:
Les chargeurs DC-DC servent à utiliser l'alternateur de votre moteur pour charger vos batteries solaires. Assurez-vous que votre alternateur est capable de prendre la demande additionnelle en ampérage que génère cet appareil: il n'est pas rare de voir des alternateurs se faire changer à chaque année suite à l'addition d'un chargeur DC-DC! Heureusement, il existe souvent plusieurs modèles d'alternateurs pour un même véhicule et vous trouverez sans doute un alternateur plus puissant en cherchant un peu. Les véhicules plus commerciaux comme les Sprinter et les camionnettes ont généralement des alternateurs plus robustes et il est possible que vous n'ayez pas à vous soucier de l'alternateur. Un seul chiffre est généralement présenté, l'ampérage. Il représente l'ampérage maximale qui sera transmis à votre batterie solaire et est est peu plus faible que l'ampérage additionnel que votre alternateur devra fournir. Pour un convertisseur de courant de 40A, comptez environ 45 à 50A de charge additionnelle sur votre alternateur.
REE offre un chargeur DC-DC ajustable et adapté aux batteries au lithium.
Les fusibles et les "breakers":
Plusieurs écoles de pensée existent sur les breakers: certains en mettent partout et d'autres n'en utilisent pas. Comme pour bien des choses, un entre-deux est souvent l'option la plus sensée. Chez REE, nous recommandons un breaker sur les panneaux solaires pour pouvoir les déconnecter rapidement lors des phases d'installation et de modification du système de batterie. Ce breaker peu être placé près du contrôleur solaire pour l'opérer facilement. Un breaker additionnel peut être employé juste à la sortie des batteries, surtout si les autres appareils connectés à votre batterie sont loin (Chargeur DC-DC, contrôleur solaire, convertisseur de courant...). La solution idéale est de tout placer ces appareils près les uns des autres pour limiter les risques liés au bris des fils qui utilisent des fortes charges.
Intéressant, et comment est-ce que je choisis la taille des appareils?
C'est là que vous avez quelques devoirs à faire. Plusieurs aspects sont à considérer: vos "besoins" entre guillemets, vos besoins (les vrais), votre type de véhicule et l'utilisation que vous en ferez. Il est plus simple de ne pas réinventer la roue lorsque l'on planifie son système solaire: il est suggéré de commencer avec un plan déjà élaboré et d'y apporter les modifications nécessaires pour arriver à vos besoins. Nous décrirons ici comment employer le plan solaire REE qui est présenté dans la permière image disponible sur cette page.
La plupart des utilisateurs se satisferont du système de base décrit dans l'image. Il comporte deux panneaux solaires de 185 Watts: assurez-vous que le toit de votre véhicule est suffisamment grand pour les accommoder. Les Sprinters, Promaster, Transit et campeurs portés peuvent accueillir deux de ces panneaux accolés sur la largeur, mais pas les Dodge Caravan et autre véhicule de taille similaire. Le contrôleur solaire et le chargeur DC-DC sont adaptés à la grosseur du système et la batterie de 100Ah contient suffisamment d'énergie pour une grande partie des utilisations.
Quelques options s'offrent à vous si cet ensemble ne vous convient pas. La première amélioration disponible (indiquée par un [ 1 ] en rouge) consiste à augmenter la taille de la batterie de 100Ah à 200Ah. Vous pouvez également connecter plusieurs batteries de 200Ah en parallèle, selon vos besoins. 100Ah peut s'avérer être trop peu dans plusieurs cas: caravaning d'hiver utilisant plus que les appareils minimaux, peu d'ensoleillement, accumulation de neige sur les panneaux, peu de kilomètres parcouru à faire fonctionner le chargeur DC-DC etc. Cette amélioration est nécessaire avant de passer aux suivantes: la batterie de 100Ah n'est pas suffisante pour alimenter un convertisseur de 2000W et atteindra sa capacité très rapidement avec des panneaux solaires additionnels et leur ajout ne sera pas rentabilisé.
Si vous voulez utiliser des appareils plus demandants qui se branchent sur le 120 Volts, vous pouvez passer à l'amélioration [ 2a ]: l'installation d'un convertisseur de 2000W au lieu de 1000W. Cela vous permettra notamment d'utiliser des micro-ondes, plaques à induction, sèche-cheveux, grille pain etc. ou d'utiliser plusieurs petits appareils en même temps. Par exemple, si vous voulez installer un espace de travail mobile avec plusieurs ordinateurs, des chargeurs de batteries de caméra, des écrans additionnels que vous serez souvent fonctionner en même temps, calculez bien l'usage cumulatif de ces appareils et assurez vous que vous avez un convertisseur assez puissant!
Si vous utilisez beaucoup d'énergie pendant le jour (outils électriques, compresseurs etc.) il peut être utile d'implémenter l'amélioration [ 2b ]: l'ajout de panneaux solaires et d'un plus gros contrôleur solaire. Cette option ne requiert pas l'amélioration 2a, bien qu'elles aillent souvent ensemble.
Rappelez-vous que ces conseils ne sont que des lignes directrices et que vous êtes biensûr libres de planifier votre système comme il vous chante! Il sera peut-être plus difficile d'obtenir de l'aide si vous rencontrez des problèmes lors de l'installation, mais le service à la clientèle de REE sera évidemment là pour répondre à vos questions même si vous ne suivez pas nos suggestions!
Nous espérons que cet article vous a aidé à mieux comprendre les principes importants autour des systèmes électriques basés sur les batteries au lithium. Si vous avez des questions ou des commentaires, n'hésitez pas à nous envoyer un courriel au info@rareearthelements.ca ou sur notre page Facebook (lien en bas de page).
Bon succès!!!