Le lampadaire solaire est plus efficace avec un supercondensateur

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Le journal international des tendances en électricité et en électronique paru en septembre 2013 présente les résultats obtenus par un prototype de lampadaire solaire associé à un supercondensateur et un super relais xLogic.

Les batteries à cycle profond utilisées dans les systèmes électriques solaires, ont généralement de faibles rendements, un temps de charge long, sont sensibles à la température et peuvent supporter une quantité limitée de cycles de charge / décharge.

Ce document a évalué l'effet des supercondensateurs comme source d'énergie pour un lampadaire photovoltaïque en Afrique du Sud.

Un Super relais xLogic ( CLP ) est utilisé pour contrôler les profils de charge et de décharge des supercondensateurs et des batteries à décharge profonde.

Les trois topologies de conception suivantes sont évaluées et présentées :

  • Batteries à décharge profonde comme source d'énergie
  • Supercondensateurs en tant que source d'énergie
  • Batteries à décharge profonde combinées avec des supercondensateurs

Les résultats expérimentaux obtenus montrent qu'il est trop coûteux de remplacer les batteries à cycle profond par des supercondensateurs, mais que la combinaison des deux fournit la solution la plus efficace pour le stockage d'énergie.

Introduction

La plupart des systèmes photovoltaïques utilisent des batteries à cycle profond pour le stockage d'énergie. Celles-ci ont une efficacité d'environ 70 %, alors que les supercondensateurs ont des rendements élevés variant entre 95 et 98%. Les systèmes photovoltaïques pour être optimums nécessitent des batteries ayant une longévité d'environ 3 000 cycles de charge/décharge. Les batteries standard ne peuvent supporter que des centaines, voir un millier de cycles et ont une espérance de vie d'environ 2 - 3 ans. Les supercondensateurs sont en revanche capable de supporter environ 1 million de cycles et ont une espérance de vie d'environ 7 à 10 ans. Il a donc été décidé de concevoir un prototype de lampadaire photovoltaïque à supercondensateur avec un super relais xLogic ( CLP ). Le CLP a été ajouté pour augmenter l'efficacité de l'ensemble du système développé.

Voici les principales composantes d'un lampadaire solaire :

  • Les panneaux solaires : les panneaux solaires produisent et fournissent de l'électricité par conversion de l'énergie provenant du soleil en électricité.
  • L'unité de commande : Il s'agit du circuit qui contrôle le système d'alimentation solaire. Le but d'un régulateur solaire est de prévenir la surcharge des batteries et aussi d'empêcher le flux de courant de remonter des batteries vers les panneaux solaires. La plupart des contrôleurs empêchent également une décharge complète de la batterie. Un régulateur de charge solaire se trouve entre les panneaux solaires et les batteries et doit alimenter les batteries avec la tension et l'intensité requise à partir des panneaux solaires. Un contrôleur logique programmable (CLP) peut également être utilisé à des fins de contrôles spécifiques (influence de l'ombre, azimut solaire...).
  • Le stockage d'énergie : les batteries sont normalement utilisées comme système de stockage d'énergie pour les lampadaires photovoltaïques. Les panneaux solaires chargent les batteries la journée et la nuit les batteries se déchargent en fournissant l'énergie nécessaire pour la lumière du lampadaire. Par mauvais temps, les batteries doivent être en mesure de fournir l'énergie nécessaire à l' éclairage public. L'espérance de vie d'une batterie peut être étendue en plaçant une banque de supercondensateurs en parallèle avec la batterie ou bien l'accumulateur peut être simplement remplacé par une banque de supercondensateurs. Il y a ainsi des exemples de véhicules hybrides électriques et de véhicules électriques où l'on peut trouver des batteries et des supercondensateurs placés en parallèle. Les supercondensateurs sont également utilisés en tant que source d'énergie primaire dans les jouets, les dispositifs d'urgence, les outils sans fil, etc.
    Sang Won Min, Seog Ju Kim et Don Hur ont fournit une nouvelle approche pour l'installation optimisée d'un système de stockage d'énergie pour les énergie renouvelables à base intermittente en associant une batterie et un module de supercondensateurs.
  • Les lampes : les lampes utilisables dans les lampadaires alimentés par l'énergie solaire sont les LED, les lampes fluorescentes compactes (LFC ), les lampes à décharge à haute intensité ou des lampes à halogénures métalliques.

Matériel et méthode

Cette section fournit les matériaux et les méthodes utilisées pour concevoir le lampadaire photovoltaïque à supercondensateur avec CLP.

A. Matériaux

  • Panneaux solaires : les panneaux solaires monocristallins sont un peu plus efficaces mais aussi plus coûteux que les panneaux solaires polycristallins.
  • L'unité de commande : Pour ce projet, un xLogic SuperRelay ( PLC ) a été sélectionné à des fins de contrôle.
  • Stockage d'énergie : les batteries plomb-acide scellées et les batteries gel sont actuellement très utilisées. Il est recommandé d'utiliser des batteries à décharge profonde pour les systèmes électriques solaires. Les supercondensateurs sont disponibles dans différentes tailles et auprès de différents fabricants. Un kit a été utilisé pour intégrer les supercondensateurs les uns avec les autres.
  • Lampes : Pour ce projet de prototype, il a été décidé d'utiliser une LED 6 W.

B. Méthode

La première étape dans la conception d'un éclairage public photovoltaïque est de spécifier la puissance de la lampe. Ensuite, à partir de la puissance de la lampe, la taille des batteries et des supercondensateurs peut être calculée. Enfin à partir de la taille des batteries, la taille des modules PV peut être calculée.

La puissance est de 6 W, donc la consommation totale pour un éclairage de 10 heures par jour est de 60 Wh / jour. Une batterie à décharge profonde de 7 A/h a été sélectionnée et va permettre un éclairage pendant environ 5 heures. La demande de charge de 6 W pendant 5 heures sera donc de 30 Wh / jour.

Dimensionnement des super-condensateurs : les supercondensateurs habituellement utilisés pour les installations solaires sont dans la plage de 650 F - 3000 F. Pour ce projet, il a été décidé d'utiliser 6 supercondensateurs 3000 Farads.

Les supercondensateurs fournissent une tension nominale de seulement 2,7 V. Il est donc nécessaire de les mettre en série pour arriver aux 12 V du système photovoltaïque.

Un régulateur solaire avec un courant de charge maximum de 3 A a été sélectionné. Il a été décidé d'utiliser le Steca Solum 6.6 F car il est facile à installer. Le CPL xLogic SuperRelay a été utilisé et a été programmé avec le logiciel xLogic. Le logiciel comprend des blocs de construction logiques pour programmer le dispositif. Le Super relais xLogic était programmé avec les fonctions de base AND, OR et NOT. L'automate est programmé pour charger les supercondensateurs à 12 V et les décharger jusqu'à 6 V, car les lumières s'éteignent à 6 V. Même si les supercondensateurs peuvent encore être déchargés jusqu'à 0 V sans être endommagés. L'automate est programmé pour charger la batterie à 13 V et la décharger à 11 V. Le Super relais xLogic est programmé pour décharger la banque de supercondensateurs en premier, et décharger la batterie ensuite.

Résultats expérimentaux

Cette section présente les résultats expérimentaux obtenus par le lampadaire photovoltaïque à supercondensateur avec CLP. Les résultats expérimentaux ont été enregistrés au cours d'une période sans nuages ​​et sans pluie et le panneau solaire a été positionné pour obtenir le maximum de rayonnement solaire. Le système complet a été simulé dans PVsyst ®, qui a montré que l'angle de montage idéal pour le panneau solaire est de 28° pour la région de Potchefstroom en Afrique du Sud.

A. batterie comme stockage d'énergie

La batterie fournit une tension d'alimentation globalement constante avec une légère diminution de la tension de la batterie au cours du temps jusqu'à ce que l'alimentation par la batterie soit coupée par le régulateur solaire pour protéger la batterie de la décharge profonde. Le régulateur solaire Steca Solum 6,6 F est conçu pour couper une batterie de 12 V entre 11,2 V et 11,6 V lors de la décharge. Ainsi, les mesures ont montré que le régulateur solaire a indiqué une faible tension de la batterie à environ 11,8 V et la lumière s'est arrêtée de briller. La batterie a été en mesure de fournir le luminaire en énergie pendant environ 5,5 heures (330 minutes).

Le courant de charge de décharge de la batterie a été mesuré entre 0,45 A et 0,47 A pendant la période de décharge complète. Par conséquent, cela indique que la batterie fournit un approvisionnement en énergie constant et permet à la lumière de briller avec un léger changement de luminosité tout au long de la période de décharge. La décharge fournit un profil de courbe linéaire avec une pente de -0,05 degrés.

B. Supercondensateur comme stockage d' énergie

La charge de la banque de supercondensateurs se fait en seulement 50 minutes. C'est l'un des plus grands avantages des supercondensateurs, le temps de charge des supercondensateurs est beaucoup plus rapide que pour les batteries.

Les profils de charge et de décharge résultent en deux profils linéaires. C'est une caractéristique normale pour des supercondensateurs. Les supercondensateurs permettent d'alimenter le lampadaire jusqu'à environ 4 V avant que la lumière ne s'éteigne, mais à partir de 6 V l'intensité lumineuse est déjà très faible. Par conséquent, les supercondensateurs permettent d'avoir un éclairage efficace pendant environ 75 minutes avant d'atteindre une tension de 6 V.

Lorsque la tension de la banque de supercondensateurs diminue, l'intensité de courant augmente jusqu'à ce qu'il n'y ai pas assez d'énergie pour fournir la charge. A ce moment là, l'intensité lumineuse faiblit (entre 6 V et 4 V). Les lumières sont efficaces jusqu'à ce que la banque de supercondensateurs atteint 6 V. L'intensité de courant la plus élevée exigée par la charge de 6 W est de 1 A et est atteinte à 6 V.

C. Batterie et supercondensateurs comme stockage d'énergie

La batterie et la banque de supercondensateurs se chargent en même temps jusqu'à ce que les supercondensateurs soient entièrement chargés. Après environ 50 minutes les supercondensateurs sont rechargés complètement à 12 V et la batterie continue à se recharger pendant encore 90 minutes. Le contrôle est effectué par le super relais xLogic.

La banque de supercondensateurs se décharge juste au-dessus de 6 V en 80 minutes environ, puis l'automate change de source d'énergie en passant de la banque de supercondensateurs à la batterie.

On voit que si lorsque la tension de la banque de supercondensateurs diminue, l'intensité du courant augmente et que la batterie fournit un courant de charge constant. Ce système complet fournit une énergie suffisante pour allumer la lampe pendant environ 5 heures.

D. Evaluation économique

Le plus grand avantage des supercondensateurs est leur longue durée de vie d'environ 1 000 000 de cycles, comparativement à seulement 1 000 cycles pour les batteries. Les supercondensateurs ont aussi une espérance de vie d'environ 10 ans à la tension nominale (2,7 V ) et à une température ambiante d'environ 25°C.

Normalement, les batteries peuvent se décharger à 80% de leur charge et les systèmes photovoltaïques nécessitent des batteries capables de supporter environ 3 000 cycles de recharge. La batterie qui a été utilisé pour ce projet a une espérance de vie d'environ 5 ans.

Compte tenu des cycles de vie de chaque source d'énergie citée ci-dessus, une seule banque de supercondensateurs peut être utilisée pendant que des batteries sont utilisées et remplacées plusieurs fois. Mais utiliser des supercondensateurs comme source d'énergie unique pour ce projet serait très coûteux. La banque de supercondensateurs ne fournit suffisamment d'énergie que pour permettre à la la lumière de briller pendant environ 90 minutes.

CONCLUSION

Pour ce projet, un prototype de lampadaire photovoltaïque avec Super relais xLogic ( CLP ) a été conçu. L'objectif était d'évaluer trois systèmes avec trois différentes sources d'énergie ( batterie et / ou supercondensateurs ). Les systèmes comprennent un module PV 30 W, 12 V / 7 A/h, une batterie à cycle profond, une banque de supercondensateurs 500 F, un régulateur solaire, un Super relais xLogic et une LED 6 W.

Le premier système est le système de la batterie en tant que source d'énergie. Comme prévu, il a fourni une énergie constante pendant une période d'environ 5,5 heures. Le second système est le système des supercondensateurs en série en tant que source d'énergie. Un total de 6 supercondensateurs ont été utilisés en série pour fournir les 12 V nécessaires. Les résultats obtenus montrent que les supercondensateurs sont chargés à 12 V en 50 minutes et permettent un éclairage efficace en se déchargeant pendant 70 à 80 minutes.

Il est démontré que le coût de remplacement des batteries par des supercondensateurs est très élevé. Bien que les supercondensateurs ont une longue durée de vie, le coût d'installation initial d'un tel système serait irréaliste pour un lampadaire photovoltaïque standard. Par ailleurs, il est très important d'inclure une énergie de secours pour les jours pluvieux et nuageux et donc un tel système coûterait encore plus cher.

Lors de l'examen du troisième système ( batterie combinée avec un module de supercondensateurs ), on peut voir que la durée de vie de la batterie peut être prolongée par l'inclusion de supercondensateurs. Les supercondensateurs peuvent alimenter un lampadaire photovoltaïque durant le quart ou la moitié d'une nuit, l'éclairage étant ensuite assuré par la batterie. Si les supercondensateurs alimentent le lampadaire 50% de la nuit, la batterie conserve 96% de charge, et si les supercondensateurs durent 25% de la nuit, la batterie conserve 92% de charge. La batterie peut aussi être utilisée lors de mauvaises conditions météorologiques où il faut pouvoir assurer une longue période de décharge.

Source : International Journal of Emerging Trends in Electrical and Electronics

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