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Batteries Fabricants de batteries solaires: Akku Solar, Cellstrom, Claas, Exide, Hoppecke, Maguysama, Moll, Power Battery, Prudent Energy, PT Century, Rolls, Saft, Surrette, Trojan, Varta, Victron Energy,... Charactéristiques souhaitées d'une batterie "solaire": - durée de vie très longue (20 ans) Comme la batterie solaire idéale n'existe pas, il faut trouver un compromis entre les exigences pré-citées. Plusieurs technologies sont utilisées : 1) Batteries au plomb Les batteries au plomb sont les plus anciennes. Elles ont été développées par le physicien Français Gaston Planté (1834-1889) au milieu du 19e siècle. Aujourd'hui, c'est le type de batteries le plus utilisé pour des applications solaires en site isolé. Deux électrodes de plomb et d'oxyde de plomb sont plongées dans un électrolyte composé d'acide sulfurique dilué. Les deux électrodes sont reliées à un récepteur externe consommant du courant. Elles se transforment en sulfate de plomb et l'acide se dilue. Ce phénomène permet d'évaluer l'état de charge de la batterie en mesurant la densité d'acide. En fournissant un courant opposé au système, l'acide se concentre et les deux électrodes retournent à leurs états initiaux. Batteries à électrolyte liquide (acide sulfurique) : Batteries à électrolyte gélifié :
Les caractéristiques des batteries : a) Tension (en volt V): b) Capacité (en ampères heures Ah) : Si on multiplie la tension par la capacité, on obtient la quantité d’électricité emmagasinée en kWh. Exemple : Une batterie de 12 V – 100 Ah, chargée à bloc, contient théoriquement 10x 100 = 1 200 Wh, soit 1,2 kWh. On ne peut utiliser qu’une partie de cette énergie car la décharge ne doit pas dépasser 10 – 15 % de la capacité. Sinon on risque une sulfatation des plaques et donc une dégration rapide de la performance de la batterie. c) Auto-décharge : d) Charge d’égalisation e) Profondeur de décharge La vitesse de la décharge est également importante : le courant de décharge ne doit pas dépasser le dixième de la capacité. Pour une capacité de 100 Ah, c’est un courant de 10 A, donc une consommation de 12x10= 120 W. Si on « tire » des courants plus forts, la capacité réelle est inférieure. f) Tenue de cycles g) Durée de vie La durée de vie d’une batterie dépend surtout de la manière dont elle chargée. h) Autonomie i) Rendement en Ah Le rendement en Ah d'un accumulateur désigne le rapport entre la quantité de charge prélevée et la quantité chargée.
2) Accumulateurs au nickel Accumulateur nickel-cadmium (Ni-Cd) Un accumulateur nickel-cadmium Ni-Cd peut stocker 50% plus d'énergie qu'un accu au plomb de même poids. Les accus nickel-cadmium doivent être déchargés totalement une fois par mois environ, afin d'éviter la croissance de cristaux sur les électrodes, ce qui réduit graduellement leurs performances. Cette dégradation de l'accu lorsque les décharges sont peu profondes constitue ce qu'on appelle l'effet mémoire. Accumulateurs nickel-métal hydrure (Ni-MH) Les accus nickel-métal hydride Ni-MH peuvent stocker deux fois plus d'électricité que les accus au plomb et 35% de plus que les accus Ni-Cd. Leur effet mémoire est moins prononcé que pour les accus Ni-Cd. Une décharge profonde à tous les deux ou trois mois est suffisante pour assurer leur bon fonctionnement. Ils peuvent être rechargés jusqu'à 500 fois et atteindre une durée de vie de 10 ans. De plus, les accus Ni-MH sont sécuritaires pour l'environnement. En revanche, leur taux d'auto-décharge est le plus élevé de tous les accus, soit de 30% par mois. Leur plage de température d'utilisation s'étale de -20°C à 60°C. Les accumulateurs Nickel Cadmium (NiCd), Nickel métal Hydrures (NiMH) et Nickel- Hydrures (NiH) sont adaptés aux plus petites puissances : les petites alarmes, les barrières lumineuses anti-effraction, les numéros de maison éclairés, les mécanismes de commande électriques de stores, les électrovannes destinés à l’arrosage des serres ou du jardin, l’éclairage de tonnelles,...
3) Batteries au lithium (en Li-métal, Li-ions, Li-polymère) Les batteries au lithium-ion présentent de nombreux avantages: large spectre de domaine d'utilisation, bonne durée de vie et compatibilité avec les exigences des réseaux en matière de la stabilisation de la production, d'absorption des variations de tension et de fréquence et d'amortissement des montées et baisses de puissance. Les batteries au lithium sont intéressantes à cause de leur poids réduit. Leur tension diminue légèrement, mais régulièrement, pendant leur décharge. Cette particularité permet de connaître à tout moment leur état de charge par une simple mesure de tension. De plus, elles n'ont aucun "effet-mémoire". Leur auto-décharge est très faible. Elles ne contiennent pas de composants très polluants. En revanche, elles présente une résistance interne plus grande que les batteries au nickel et leur prix est plus élevé. 4) Supercondensateurs Les supercondensateurs permettent d'obtenir une densité de puissance et une densité d'énergie intermédiaire entre les batteries et les condensateurs électrolytiques classiques. 5) Batteries vanadium redox Le rendement des batteries Vanadium-Redox se situe autour de 80 %, une valeur plutôt faible, étant donnés la dimension importante et le poids élevé des accumulateurs. L’avantage de la batterie Vanadium-Redox réside plutôt dans sa durée de vie élevée (qui peut atteindre jusqu’à 20 ans), et son insensibilité aux décharges profondes.
6) Air comprimé En comprimant l'air, sa pression augmente et on crée un potentiel d'énergie. En revanche, le rendement de cette technologie est assez faible (20 - 30 %) du fait des dégagements de chaleur à la compression. En outre, les batteries sont polluantes à la fabrication et au recyclage et elles ont une durée de vie limitée (au maximum 10 à 15 ans) et leur prix est encore trop élevé. Pour remédier à ces inconvénients, on essaie de remplacer le piston mécanique par un piston "liquide". L'eau récupère alors la chaleur de l'air pendant la phase de compression et réchauffe l'air pendant la phase de détente permettant de réduire les pertes thermiques au minimum. Ainsi, le rendement peut atteindre 60 à 65 %.
Dimensionnement d'une installation photovoltaïque en site isolé a) Evaluation des besoins en électricité b) Modules photovoltaïques c) Accumulateur d) Onduleur e) Les autres éléments de l'installation - Régulateur de charge
Comme les modules photovoltaïques ne délivre ni une tension constante ni un courant constant, un régulateur de charge est connecté entre les modules et les batteries. Il a pour fonction de contrôler les flux d’énergie et d’optimiser le plus possible le chargement de la batterie. Il peut aussi commander la recharge par d’autres sources d’énergie. Fabricants de régulateurs de charge: Atersa, Beijing Hi-Tech, Blue Sky, Energy, BZ Products, Carmanah, Conergy, Digital Solar, Eco Energy, Electro Contact, Epsolar, Flexcharge, Helios, Isofoton, IVT, Leonics, Logic Electronics, Morningstar, Motech, MSTE, OutBack Power Systems, Phocos, Solarc, Solarwatt, Solener, Sollatek, Specialty Concepts, Steca, Sundaya, SunWare, Sunworks, Tenesol, Tranergy Technology, Uhlmann, Western CO, Xantrex
Les régulateurs parallèle (shunt) Le regulateur dissipe l'énergie exedentaire des panneaux solaire. - avec interrupteur - linéaire Les régulateurs série - avec interrupteur - linéaire Le régulateur PWM (Pulse Width Modulation) Le régulateur MPT (Maximum Power Tracking)
Fonctions des régulateurs de charge - Contrôle de charge Il est important que le régulateur de charge soit prévu pour un courant de charge qui est supérieur au courant nominal des modules solaires connectés. - Protection de l'accumulateur contre les décharges profondes
Fonctions accessoires: - Régulation automatique du dégagement gazeux: tous les 15 jours, les batteries sont chargées pendant trois heures avec une tension supérieure à la tension de dégagement gazeux, afin que le gaz dans l'électrolyte de l'accumulateur provoque un mélange de couche. Sinon, une séparation indésirable de l'électrolyte est inévitable au cours de la vie de l'accululateur. - Affichage de l'état de charge ainsi que de la tension et du courant Onduleurs pour sites isolé Fabricants d'onduleurs pour sites isolés: FEG, IVT, Kaco, Mastervolt, Nedap, Outback Power, Ripenergy, SMA, Solon, Steca, Studer Innotec Les systèmes qui fonctionnent exclusivement avec du courant continu ont une utilisation restreinte. Des fonctions telles que l'éclairage, le fonctionnement de télévisuers et de radio, les petits appareils réfrigérateurs et autres en sont pas problématiques à remplir. Comme pour les systèmes reliés au réseau, l'onduleur transforme la tension continue en tension alternative. Toutefois, dans un système autonome, l'onduleur n'utilise pas les grandeurs du réseau comme référence, mais fonctionne de façon autosuffisante. Dans les systèmes photovoltaïques autonomes, les exigences suivantes s'appliquent aux onduleurs: - courant alternatif le plus proche possiblede la forme sinusoïdale La puissance nominale (puissance permanente) de l'onduleur doit être choisie de manière à couvrir à chaque instant le besoin en puissance maximum des appareils électriques.
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