Brevet FR2496352A1 — publié le 19820618

L'invention concerne un procédé et un dispositif pour charger une batterie d'accumulateurs électriques au moyen de panneaux de cellules solaires. Ces panneaux com- prennent plusieurs cellules solaires qui sont montées en série et/ou en parallèle afin que le panneau délivre une tension et un courant convenables. Les générateurs d'énergie actionnés par des cellules solaires comprennent habituellement un panneau solaire duquel le courant produit est transporté vers une batterie pour la charger. Un régulateur de charge permet la circulation d'un courant de charge élevé vers la batterie lorsque la tension aux bornes de cette dernière est faible pendant la charge tandis que, à la tension maximale de la batterie, le courant de charge est très faible et il assume une fonction d'entretien pour compen- ser la décharge en circuit ouvert de la batterie. Une charge est branchée aux bornes de la batterie. Lorsque cette charge est en circuit et que la batterie se décharge, la tension aux bornes de cette dernière chute. Le régula- teur de charge règle alors la tension et le courant prove- nant du panneau solaire à des valeurs appropriées et correspondant à l'état de la batterie. Les générateurs d'énergie à cellules solaires conviennent à des applications multiples comme sources d'énergie. Dans la plupart des applications, les dispositifs commandés ou instruments de mesure sont en général placés dans des lieux éloignés et isolés, o aucune source d'énergie électrique n'est disponible. La dimension des panneaux solaires et des batteries varie évidemment dans de larges limites suivant l'installation nécessaire. Des exemples de telles installations automatiques utilisant l'énergie solaire comprennent les communications télépho- niques dans la bande des hyperfréquences, les stations asservies pour radiophonie à hyperfréquences, les émetteurs radiophoniques d'urgence, les équipements de signalisation et de sécurité pour chemins de fer, les stations météorologiques et d'autres stations de mesure isolées, les auxiliaires de navigation et autres équipements en mer, les dispositifs de protection et d'alarme contre les incendies, les protections catho- diques, les clôtures électriques, etc. On peut compter sur des dispositifs utilisant l'énergie solaire pour qu'ils fonctionnent à des tempéra- tures extrêmes, à la fois hautes et basses. Néanmoins, l'installation doit être d'un fonctionnement assez fiable pour que les intervalles de maintenance atteignent un an ou plus. Un problème important est que la batterie peut être exposée à une surcharge puissante lorsqu'elle a atteint son état de charge complète avec une tension maxi- male aux bornes. Le courant de charge provoque alors une décomposition de l'eau dans l'électrolyte, entraînant l'élimination de l'eau. Dans les régions chaudes, en particulier, ceci-pose un problème, car la température est normalement assez haute pour qu'il se produise une certaine évaporation. Il est donc nécessaire de réguler la tension de charge afin que seule une surcharge négli- geable se produise à la tension maximale aux bornes de la batterie. Il est donc beaucoup demandé à la fiabilité de fonctionnement et à la durée de vie du régulateur de charge. L'invention a pour objet une charge rapide de batteries au moyen d'intensités de courant élevées, tout en minimisant, simultanément, le risque de pertes d'eau et de perturbations de fonctionnement afin que de longs intervalles d'entretien soient possibles. De plus, le procédé et le dispositif selon l'invention, conçus à cet effet, sont d'un coût étonnamment bas. Bien que des intensités de courant élevées puissent être obtenues pendant la charge réalisée selon l'invention, des intensités de courant très faibles peu- vent également être utilisées, dans le même temps, en particulier lorsque la batterie est constituée de cellules nickel-cadmium. Ce résultat est obtenu par le fait que la batterie est chargée-au moyen d'au moins deux panneaux solaires montés dans des branches de charge connectées en parallèle et ayant sensiblement la même puissance, une ou plusieurs diodes étant montées en série entre au moins l'un des panneaux solaires et la batterie de manière qu'au moins l'une des branches de charge puisse charger la batterie d'accumulateurs à une tension supérieure à celle pouvant être atteinte par la ou les autres branches de charge. En conséquence, on obtient une intensité de courant élevée au début de la charge et une faible inten- sité de courant à la fin de la charge, ce qui évite toute décomposition sensible de l'eau. Il est également possible de charger la batterie en utilisant le fait que seule la ou les branches de charge, permettant d'atteindre les tensions les plus hautes, peuvent fournir du courant à la batterie d'accu- mulateurs pendant la charge d'entretien, alors que la batterie d'accumulateurs est en pleine charge. Lorsque la batterie est partiellement déchargée ou bien lorsqu'elle débite, plusieurs branches de charge peuvent fournir du courant à la batterie d'accumulateurs. Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre de façon appropriée au moyen d'un dispositif particulier destiné à charger une batterie d'accumulateurs électriques à l'aide de panneaux solaires contenant des cellules solaires, des branches de chargequi comprnnent au t'cns un panneau de cellules solaires, étant montées en parallèle. Les branches de charge sont conçues pour délivrer du courant de charge à des tensions différentes, au moins l'une des tensions pouvant être supérieure à la ou aux autres tensions. Conformément à une forme de réalisation de l'invention, la branche de charge conçue pour délivrer la tension la plus haute est également conçue pour déli- vrer une tension sensiblement supérieure à la tension de la batterie d'accumulateurs en pleine charge. Conformément à une autre forme de réalisation, toutes les branches de charge sont conçues pour délivrer des tensions de plus en plus élevées. Dans une autre forme de réalisation de l'inven- tion, un commutateur peut être utilisé pour connecter une ou plusieurs diodes en série entre un ou plusieurs panneaux et la batterie ou un élément de commande de chaque commutateur pour la connexion automatique des diodes suivant la tension de charge de la batterie. A l'aide du dispositif selon l'invention, la perte d'eau dans la batterie peut être ramenée à un mini- mum. A titre d'exemple, on peut mentionner qu'une période journalière de rayonnement solaire de 8 heures, pouvant être considérée comme un msximm normal, correspond, avec une certaine capacité du panneau solaire, à une surcharge d'environ 1460 Ah par année et une perte d'eau corres- pondante de 487 ml. Une batterie normale au nickel-cadmium d'une capacité de-200 Ah peut contenir une réserve d'électrolyte de 700 ml. Par conséquent, dans des condi- tions difficiles, une telle batterie peut être utilisée pendant plus d'un an et demi sans nécessiter de remplis- sage. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemples nullement limi- tatifs et sur lequel: - la figure 1 est un schéma simplifié d'un géné- rateur classique utilisant l'énergie solaire; - la figure 2 est un graphique montrant la relation entre la tension et le courant d'un panneau de cellules solaires soumis à un rayonnement solaire constant - la figure 3 est un graphique montrant la tension nécessaire à la charge d'une batterie; - la figure 4 est un schéma du dispositif selon l'invention; et - la figure 5 est un schéma d'une variante du dispositif selon l'invention. La figure 1 représente un panneau solaire 1 comportant des cellules solaires, un régulateur facultatif 2 de charge et une diode 3 d'arrêt. La batterie est indiquée en 4 et la charge ou le dispositif commandé par la batterie et le panneau de cellules solaires est représenté en 5. La figure 2 montre les caractéristiques électri- ques correspondant à la relation entre la tension U et le courant I délivrés par un panneau de cellules solaires soumis à un rayonnement solaire constant. La figure montre des tensions successives V1-V4 et les valeurs des courants associés I11I4. La puissance maximale Pmax est obtenue au point o la courbe commence à décliner et les valeurs correspondantes du courant et de la tension sont Imax et Vmax. Il est évidemment souhaitable que les cellules solaires travaillent à la puissance maximale Pmax* Ceci peut être obtenu par le montage en série et en parallèle, de manière convenable, des éléments individuels des cellules solaires. La figure 3 montre la tension de charge U de la batterie 4 en fonction du temps T de charge. A l'état complètement ou partiellement déchargé, la tension est basse et elle s'élève à une valeur maximale, présente aux bornes de la batterie, à la fin de la charge. A la fin de la charge, la tension de charge s'élève rapidement, puis se stabilise. Pour utiliser de la meilleure manière la puissance fournie par les cellules solaires, le nombre de cellules de la batterie d'accumulateurs devant être chargées doit être choisi de manière que la tension de charge de la batterie soit d'environ Vmax* Si le nombre de cellules de la batterie est choisi de manière que la tension au début de la charge d'une batterie déchargée soit Vmaxy le courant chute notablement en cours de charge, l'énergie des cellules solaires est mal utilisée et la charge de la batterie devient incomplète. Par ailleurs, si le nombre de cellules est choisi de manière que la tension Vmax ne soit atteinte qu'à la fin de la charge, la totalité du courant Imax est appliquée dans une large mesure à la batterie pendant la charge d'entretien, auquel cas la consommation d'eau devient gênante. La figure 4 représente une forme de réalisation - de l'invention. Pour charger la batterie en un temps relativement court sans provoquer une consommation d'eau inacceptable, dans le générateur d'énergie solaire repré- senté, quatre panneaux analogues 11, 12, 13 et 14 de cellules solaires normales sont connectés en-parallèle entre deux conducteurs de sortie 15 et 25. Dans l'exemple représenté, trois diodes normales 21 sont montées en série, en file indienne, dans le circuit de sortie du panneau 11. Le circuit de sortie du panneau 12 de cellules solaires comporte deux diodes normales 22, le panneau 13 est associé à une seule diode 23 et le panneau 14 est relié directement à la batterie. Comme mentionné précédemment, le nombre de cellules de la batterie est choisi de manière que la tension de la batterie à pleine charge soit proche de Vmax (voir figure 2). Si la batterie n'est pas totalement chargée, sa tension se trouve à un niveau suffisant, au- dessous de VMax indiqué sur la figure 2, pour que tous les panneaux produisent sensiblement des courants impor- tants et égaux, de sorte que le courant total de charge de la batterie est fort. Lorsque la batterie approche de sa pleine charge, sa tension approche de Vmax (voir figure 3). Le panneau 14 charge alors la batterie avec la puissance presque optimale, comme montré sur la figure 2. Le panneau 13 comporte une diode 2 montée en série avec la batterie. La chute de tension se produisant dans la diode signifie donc que la tension V3 est supérieure à V4 et, conformé- ment à la figure 2, le courant I3 délivré par le panneau est inférieur à I4. Les courants des panneaux 12 et 11 sont encore plus réduits d'une manière correspondante. Ceci signifie que les panneaux fournissent un faible courant d'entretien qui maintient la charge de la batterie 16 et qui compense la décharge à vide se produisant normalement dans la batterie. Ainsi, on obtient une limitation automatique de courant avec une tension élevée de charge de la batterie. La figure 5 représente une autre forme de réalisation du circuit selon l'invention comportant un montage en série d'un panneau 11 de cellules solaires et de diodes 21. Un nombre arbitraire de diodes 21a, 21b et 21c peut être branché en série ou branché complètement en dérivation au moyen d'un commutateur comportant un contact mobile 31 et quatre contacts fixes 32, 33, 34 et 35. Sur la figure 5, le contact mobile 31 est relié au contact 33, ce qui signifie que les diodes 21a et 21b sont courtcircuitées. Le courant provenant du panneau 11 ne traverse que la diode 21c. Lorsque le contact mobile 31 est relié au contact 32, toutes les diodes 21a à 21c sont mises hors circuit et, lorsqu'il est relié aux contacts 34 et 35, les diodes 21b et 21c, ou 21a, 21b et 21c, respectivement sont en circuit. La figure 5 représente en traits pointillés un élément 39 qui commande le commutateur 30 suivant la tension de charge de la batterie. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et au dispositif décrits et représentés sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé pour charger une batterie d'accumu- lateurs électriques au moyen de panneaux solaires qui contiennent des cellules solaires, caractérisé en ce que la batterie (16) est chargée au moyen d'au moins deux panneaux solaires (11-14) montés dans des branches de charge connectées en parallèle et ayant sensiblement la même puissance, une ou plusieurs diodes étant montées en série entre au'moins l'un des panneaux solaires et la batterie de manière qu'au moins l'une des branches de charge puisse charger la batterie d'accumulateurs sous une tension supérieure à celle de la ou des autres branches de charge. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que seule la ou les branches de charge (14-24) réalisant la charge sous la tension la plus élevée peuvent fournir du courant à la batterie (16) d'accumulateurs lors de la charge d'entretien de cette batterie, alors qu'elle est en pleine charge. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs branches de charge peuvent délivrer du courant à la batterie d'accumulateurs lorsqu'elle est partiellement déchargée. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les panneaux solaires fournissent du courant à la batterie d'accumulateurs lorsqu'elle débite. 5. Dispositif pour charger une batterie (16) d'accumulateurs électriques au moyen de panneaux solaires (11-14) contenant des cellules solaires selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce qu'il comporte des branches de charge (11-21, 12-22, 13-23, 14-24) comprenant au moins un panneau de cellules solaires et montées en parallèle, ces branches de charge comprenant des panneaux de cellules solaires (11-14) ayant sensiblement la même puissance, et une ou plusieurs diodes (21-23) montées en série entre les panneaux solaires (11-14) et la batterie (16), les branches de charge étant conçues pour fournir du courant de charge sous des tensions différentes dont au moins l'une peut être supérieure à l'autre ou aux autres. 6. Dispositif selon la revendication 5, caracté- risé en ce que la branche de charge (14-24) conçue pour appliquer la plus haute tension est destinée à délivrer une tension sensiblement supérieure à la tension de la batterie (16) d'accumulateurs en pleine charge. 7. Dispositif selon l'une des revendications et 6, caractérisé en ce que toutes les branches de charge sont conçues pour délivrer des tensions s'élevant successivement d'une branche à l'autre. 8. Dispositif selon la revendication 5, caracté- risé en ce qu'il comporte un commutateur (30) monté dans une branche de charge (11-21a, 21b, 21c) afin de brancher une ou plusieurs diodes (21a, 21b et 21c) en série entre un panneau solaire (11) et la batterie (16). 9. Dispositif selon la revendication 8, caracté- risé en ce qu'il comporte un élément (39) destiné à commander chaque commutateur (30) pour réaliser la con- nexion automatique des diodes en fonction de la tension de charge de la batterie.