Les accumulateurs électriques est l'élément pour stocker l’énergie électrique produite par des énergies renouvelables telles que l’énergie solaire.
Dans les installations d’énergie solaire d’un site isolé, il est nécessaire de stocker l’énergie produite par des panneaux photovoltaïques pendant les heures d'ensoleillement afin de pouvoir couvrir l'alimentation pendant les heures où il n'y en a pas (cycle journalier et cycle saisonnier). Pour cela, l'installation d'un accumulateur d'énergie électrique est nécessaire.
Les accumulateurs d'énergie solaire électrique doivent avoir une capacité suffisante pour assurer la fourniture d'électricité pendant les périodes nuageuses (autonomie de l'installation). Ce sont des systèmes électrochimiques basés sur des réactions chimiques réversibles qui se déroulent à l'intérieur de ceux-ci.
Habituellement, les installations photovoltaïques autonomes, en plus des accumulateurs électriques photovoltaïques, sont accompagnées d'accumulateurs de chaleur. Dans ce type d'installation, le réseau électrique n'arrive souvent pas et des panneaux solaires sont également utilisés pour obtenir de l'eau chaude pour l'usage domestique et le chauffage à accumulation.
Dans les installations raccordées au réseau électrique, les accumulateurs solaires peuvent également être utilisés pour économiser de l'énergie et réduire le montant de la facture d'électricité.
Paramètres principaux d'un accumulateur d’énergie solaire
Les principaux paramètres d'un accumulateur d'énergie électrique sont :
1. Capacité de stockage de l'accumulateur
La capacité est la quantité d’énergie électrique maximale que la batterie virtuellement peut stocker. En pratique, et pour éviter des dommages irréversibles à la batterie, celle-ci ne peut fournir qu'une partie de la capacité totale, que nous appelons capacité utile.
La capacité de la batterie est exprimée en ampères heures (Ah). Avec la notation C5, C25, C 100 le temps de décharge est représenté en heures, respectivement 5, 25 ou 100 (C5 = décharge en 5 heures).
Les batteries au lithium (lithium-ion) et les batteries AGM sont parmi celles qui ont les capacités de stockage les plus élevées.
2. Profondeur de décharge
La profondeur de décharge est le pourcentage de la capacité maximale de l'accumulateur qui peut être extraite de la batterie dans des conditions normales. C'est un terme très variable qui dépend beaucoup du type d'accumulateur et qui influence sa durée de vie.
3. Durée de conservation
La durée de vie est généralement mesurée en nombre de cycles (plutôt qu'en années), donc un cycle est un processus de charge-décharge complet (jusqu'à ce que la profondeur de décharge recommandée soit atteinte). En supposant un cycle moyen d'un cycle par jour et un accumulateur bien entretenu, il devrait durer au moins 10 à 20 ans.
4. Auto-décharge
Autodécharge : il s'agit d'un phénomène par lequel une batterie, pour diverses raisons, se décharge lentement mais continuellement même si elle n'est pas connectée à un circuit externe.
Quels sont les types d'accumulateurs électriques ?
On peut différencier différents types d'accumulateurs selon leur utilisation :
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Batteries monoblocs : ces batteries sont couramment utilisées dans les petites installations.
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Batteries fixes : elles se trouvent généralement dans un endroit fixe et fournissent du courant électrique de manière permanente ou sporadique à des fins diverses. A aucun moment, cependant, il ne leur est demandé de donner des valeurs d'intensité élevée dans des temps courts.
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Accumulateurs de démarrage : ils sont chargés de produire de l'énergie électrique avec des valeurs d'intensité de courant élevées pendant de courtes périodes.
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Accumulateurs de traction : ils sont chargés de fournir du courant aux petits véhicules électriques et, par conséquent, des intensités de courant relativement élevées sont nécessaires pendant des périodes de quelques heures.
Pour les installations avec panneaux solaires photovoltaïques, utilisez de préférence des accumulateurs stationnaires.
Concernant les caractéristiques de l'électrolyte, nous avons les types d'accumulateurs électriques suivants:
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Acide (batteries au plomb-acide, Pb-Sb, Pb-Cd).
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Alcalin (nickel-cadmium).
Quelle est la fonction d'un accumulateur électrique ?
Les fonctions de base des accumulateurs d’énergie solaire sont :
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Fournir de l'énergie en l'absence de rayonnement. Pendant les nuits, les jours nuageux, dans le cycle journalier et dans le cycle saisonnier, l'approvisionnement en énergie doit être assuré pour l'utilisation du chauffage électrique, un radiateur électrique à accumulation ou d'autres appareils.
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Maintenir un niveau de tension stable dans l'installation : la tension en sortie des modules varie en fonction du rayonnement incident, ce qui peut ne pas être très bon pour le fonctionnement de certains appareils.
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Fournir une puissance instantanée, ou pour un temps limité, supérieure à ce que le champ de panneaux pourrait générer même dans le meilleur des cas. C'est le cas des moteurs de démarrage comme par exemple le moteur du compresseur d'un réfrigérateur.
Caractéristiques d'un accumulateur solaire
Pour le choix d'une batterie, il faut au moins savoir :
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Type de batterie avec tension nominale, dimensions, poids...
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Capacités de décharge C20, C50, C100 avec les valeurs correspondantes de contrainte de cisaillement.
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Plage de température de travail.
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Profondeur de décharge maximale.
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valeur d'auto-décharge.
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Cycle journalier maximum autorisé.
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Temps de travail maximum à 50% de charge et avec un cycle de 10%.
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performances de charge.
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Variation de capacité en fonction de la température.
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Tensions finales en fonction du taux de décharge.
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Tension de charge maximale en fonction de la température et du régime de charge.
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Température de congélation.
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Densité en fonction de l'état de charge.
Comportement d'une batterie de stockage dans une installation d'énergie solaire photovoltaïque
La tension aux bornes de la batterie dépend des facteurs suivants :
1. Niveau ou état de charge
La tension aux bornes de la batterie diminue lorsqu'elle est déchargée et augmente lorsqu'elle est chargée jusqu'à ce qu'elle atteigne un maximum. Lorsqu'elle est déchargée, avant qu'elle ne soit complètement déchargée, une valeur de tension limite inférieure est atteinte en dessous de laquelle la batterie peut ne pas récupérer si elle continue à se décharger.
Par contre, il faut veiller à ne pas surcharger la batterie. Si les panneaux solaires continuent d'envoyer du courant à la batterie, des réactions chimiques continuent de se produire qui nuisent et raccourcissent la durée de vie utile de l'accumulateur solaire.
2. Vitesse de chargement ou de téléchargement
Si une batterie est chargée, la tension à ses bornes est supérieure à la chute de la résistance électrique interne. Lorsqu'il est déchargé, cela se produit dans l'autre sens : la faible chute de tension aux bornes de la résistance interne fait que la différence de potentiel aux bornes est quelque peu inférieure à celle mesurée.
3. Température
Les réactions internes qui se produisent dans une batterie étant de nature chimique, la température a une influence déterminante sur ces réactions. Ainsi, la tension finale recommandée pour atteindre l'état de pleine charge doit être d'autant plus élevée que la température est basse, car les réactions chimiques ont plus de difficultés à se produire et, par conséquent, elles ont besoin de plus d'énergie pour que le processus se déroule.
Ce fait est important, car selon l'endroit où se trouve l'installation, la valeur de la tension appliquée doit être corrigée en fonction de la température à laquelle la batterie est soumise. Cela conditionne la salle des batteries, comme nous le verrons plus loin.
Voltage de l’accumulateur d’énergie électrique
Il est important de savoir que lorsque l'accumulateur est connecté aux modules photovoltaïques, la tension de l'accumulateur détermine la tension de fonctionnement des modules. Ainsi, la courbe de fonctionnement des modules aura un point de fonctionnement conditionné par l'accumulateur et non l'inverse, donc la valeur de l'intensité donnée par le module est ajustée en fonction de la tension de l'accumulateur connecté.
Bien que les accumulateurs soient normalement identifiés par leur valeur de tension nominale, en réalité, la tension de chaque cellule ou récipient varie en fonction de l'état de charge. Cette valeur oscille entre environ 1,85 V (non chargé) et 2,4 V (chargé), selon le type et le fabricant.
Dans un accumulateur composé de 6 récipients (12 V nominal), la marge de fluctuation va de 10,5 à 14,4 V.
Il convient de garder à l'esprit que, normalement, dans une installation d'énergie solaire photovoltaïque, la tension des modules sera similaire à celle de la batterie (sauf dans les cas où le régulateur a un suiveur du point de puissance maximale des modules). Ce fait implique que les modules fonctionnent à des tensions inférieures à la puissance maximale et donc à une puissance inférieure à la puissance maximale possible.
Ainsi, lors du choix du bon accumulateur pour une installation solaire photovoltaïque, le choix sera toujours un compromis entre économie et adéquation, respectant une qualité minimale en termes de fiabilité et de durée.
Dans tous les cas, pour la sélection correcte de l'accumulateur approprié, il faudra disposer des caractéristiques avec les courbes de fonctionnement.
Quels autres éléments devraient être pris en compte?
En revanche, il faut prendre en compte du fait que:
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À mesure que la température augmente, les réactions s'accélèrent et, par conséquent, la durée de vie utile diminue.
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En abaissant la température, la durée de vie augmente, mais il existe un risque de gel, qui peut endommager irrémédiablement la batterie. Par conséquent, pour prévoir ce fait, la salle des batteries doit être adaptée à des températures modérées.
Dans une batterie acide normale (Pb-acide sulfurique), la concentration d'acide est de 40% et, dans ces conditions, le point de congélation est de -60 degrés Celsius. Lorsque la batterie est déchargée, lorsque la concentration en électrolyte diminue, le point de congélation augmente, atteignant la limite du point de congélation de 0 ° C lorsque la concentration en électrolyte est nulle (eau).
La batterie peut alors être endommagée de façon permanente (installations en haute montagne). Ce phénomène réaffirme la nécessité de maintenir la salle des batteries aussi isolée que possible du froid.
