les batteries.

Une batterie électrique est un composant électrochimique, elle comporte des électrodes positives et négatives composées d’alliages dissemblables plongées dans un électrolyte (acide). L’ensemble est encapsulé dans un bac scellé ou muni d’un bouchon de remplissage et d’un évent. Les réactions

d’oxydoréduction qui gouvernent le fonctionnement d’une batterie sont réversibles, dans la mesure où celle ci n’a pas été longtemps ni complètement déchargée ni trop surchargée. Un fonctionnement prolongé dans l’un ou l’autre de ces états aboutirait à la destruction définitive de la batterie.

Batteries à décharges profondes (stationnaires).

La plupart des systèmes photovoltaïques comportent des batteries spéciales (batteries stationnaires à alliages de Plomb) qui emmagasinent l’énergie générée par les panneaux photovoltaïques en prévision des périodes où il n’y a pas de soleil. Ces batteries sont conçues pour restituer un courant stable pendant de longues périodes en conservant leurs aptitudes à la recharge, et ceci à un grand nombre de reprises (cycles), on parle de batteries stationnaires ou à décharge profonde.

Il existe sur le marché différents types de batteries stationnaires en 2, 6 ou 12 Volts nominal, qu’on distingue principalement par le nombre de cycles que celles-ci peuvent fournir à une profondeur de décharge admissible déterminée, par la géométrie des plaques positives (planes ou tubulaires) et enfin par la forme de l’électrolyte (liquide, gel). Dans le cas des systèmes photovoltaïques, on opte généralement pour des batteries à profondeur de décharge de l’ordre de 60 à 80% pendant au moins 400 cycles. On choisit les batteries à électrolyte liquide si la maintenance du système est aisée, tandis que les batteries à électrolyte gélifié sont adaptées aux situations où le confort de l’utilisateur est souhaité (cas des petites unités) et aux systèmes à maintenance réduite.

Batteries Nickel-Cadmium .

Les batteries à décharge profonde au Nickel-Cadmium sont plus rarement utilisées bien qu’elles qu’ elles soient moins sensibles aux variations de température. Outre leurs caractéristiques électriques particulières et leur

taux d’autodécharge, elles sont aussi plus onéreuses. On les emploie surtout quand les frais d’entretien d’un système crucial sont jugés prohibitifs.

Capacité.

La capacité d’une batterie s’exprime en ampères heures (Ah), c’est la quantité de courant qu’elle peut fournir au cours d’un nombre d’heures précis, à une température de référence. Cette capacité nominale varie dans le même sens que la température de service de la batterie.

La capacité standard est déterminée en déchargeant la batterie à l’aide d’un courant constant pendant 10 heures, sans que la

tension ne descende en dessous de la limite de décharge. On parle alors d’une capacité de batterie à C/10 ou C10 .

Dans le cas particulier des batteries destinées aux applications photovoltaïques, on parle de la capacité de décharge sur 100 heures, soit C100. Cette donnée est utile pour les situations où les batteries doivent couvrir le besoin d’énergie pendant plusieurs jours d’affilée.

Autodécharge..

En raison d’impuretés présentes dans les produits chimiques utilisés pour la fabrication des batteries, des technologies mises en œuvre et des réactions électrochimiques qui y ont lieu, les batteries se déchargent même quand elle ne sont pas utilisées. Cette autodécharge est exprimée en pourcentage de la perte relative de capacité par mois. L’autodécharge des batteries à décharge profonde est très faible par rapport aux autres batteries.

L’autodécharge dépend de la température, de la tension et du vieillissement de la batterie. Elle est plus rapide quand la batterie est complètement chargée, elle

varie très rapidement avec la température (elle double de valeur tous les 10 °c) et son taux augmente aussi avec le vieillissement de la batterie.

Résistance interne.

La résistance interne d’une batterie en bon état est très faible, sa valeur varie selon l’état de charge et la température. Elle augmente avec le vieillissement de la batterie et est très sensible aux conditions d’utilisation, elle peut même devenir gênante et empêcher la recharge de la batterie.

Pourquoi les batteries automobiles ne peuvent pas être utilisées ?.

Les conditions typiques d’utilisation d’une batterie solaire sont très différentes de celles d’une batterie de démarrage. La batterie à décharge profonde oscille lentement entre des niveaux de pleine charge et de décharge maximale admissible tandis que la batterie de démarrage est rechargée immédiatement après utilisation par l’alternateur. Les plaques (électrodes) de la batterie à décharge profonde sont plus épaisses que celles de la batterie de démarrage et sont fabriquées dans un alliage plus dense et plus élaboré. Leur surface sont aussi plus réduites, elles ne peuvent donc pas produire de forts courants instantanément ; ce qui justifie l’interdiction d’utiliser même occasionnellement une batterie stationnaire pour démarrer le moteur d’un véhicule (risque de détérioration dès la première utilisation).
Les plaques (toujours planes et minces) d’une batterie de démarrage se dégradent à une vitesse impressionnante si elles sont soumises à des décharges profondes. Cette batterie subit des dommages dès que la décharge atteint 50% de la capacité nominale, c’est pourquoi elles ne conviennent pas aux systèmes photovoltaïques.

En outre, les batteries de démarrage contiennent des catalyseurs destinés à accélérer les vitesses de réaction, ce qui est indispensable pour que ces batteries puissent fournir les courants élevés nécessaires au démarrage d’un véhicule. Mais, ces catalyseurs accélèrent aussi la sulfatation. Ce n’est pas gênant pour une utilisation sur un véhicule car la batterie est immédiatement rechargée après chaque utilisation. Par contre, utiliser une batterie de démarrage dans une installation solaire s’avère une mauvaise solution malgré le prix avantageux

de ces batteries, puisque les batteries des installations photovoltaïques sont la plupart du temps dans un état partiellement déchargé.

Si malgré tout, une batterie de démarrage est utilisée au sein d’un système photovoltaïque, et même si la profondeur maximale admissible de décharge est limitée à 40% et la profondeur de décharge quotidienne à 20% de celle-ci; elle ne pourra pas présenter plus d'une centaine de cycles.

Particularités des batteries.

Cette tension (de charge maximum) peut être dépassée pendant un temps court à la fin de la charge, car une légère gazéification peut s’avérer utile pour remédier à la stratification et à la sulfatation.

Effet de la température.

La batterie étant un composant électrochimique, la température a des effets importants sur son fonctionnement interne : taux de réactions électrochimiques, tension de gazéification, tension limite de charge, tension limite de décharge, perte d’électrolyte ainsi que ses performances : capacité, autodécharge et durée de vie.
En particulier, la tension de fin de charge et la tension de fin de décharge qui varient en sens inverse de la température doivent être contrôlées. On parle de compensation en température [-30 mV/°c en moyenne pour une batterie 12 volts nominal à électrolyte liquide]. Pour les basses températures, la profondeur de décharge maximale doit être encore plus limitée pour éviter le gel de la batterie.

Etat de charge et tension.

Rendement de charge.

Le rendement de charge d’une batterie est le rapport entre la quantité de charge fournie lors d’une décharge et la quantité de charge nécessaire pour ramener la batterie dans son état initial. Ce rapport est de l’ordre de 90% pour les batteries à décharge profonde.

L’état de charge (SOC ) d’une batterie est la quantité résiduelle de charge pouvant être restituée par rapport à la capacité nominale. L’état de charge est exprimé en pourcentage et il est de 100% quand la batterie est entièrement chargée. C’est la variable véritablement importante de la batterie en technique photovoltaïque.

A une température donnée, la tension aux bornes d’une batterie de 12 V nominal varie selon l’état de charge et de la résistance interne qui elle même varie selon le vieillissement. La relation qui lie les deux quantités SOC et tension est complexe et la seule mesure de la tension n’est pas une information fiable.

Stratification .

La stratification est le mélange non homogène de l’électrolyte. Elle a pour effet de réduire la durée de vie des batteries si elle est prolongée. L’acide a tendance à se concentrer en bas en laissant de l’eau ayant une densité plus faible en haut : il existe alors des risques de congélation, d’oxydation et de corrosion de part et d’autre du plan de séparation. On y remédie par une charge d’égalisation (régénération) qui a pour effet de brasser l’électrolyte liquide.

Sulfatation.

Densité spécifique.

La sulfatation est une réaction électrochimique normale qui a lieu dans les batteries qui ont été fréquemment partiellement déchargées ou exposées à de hautes températures. Elle a pour effet de diminuer la capacité nominale et d’élever la résistance interne de la batterie. De même que pour la stratification, on peut y remédier partiellement par une charge d’égalisation (régénération) périodique qui a pour effet de forcer la réaction électrochimique inverse.

A 25°c, la densité spécifique de l’électrolyte (solution diluée d’acide sulfurique) est typiquement dans la gamme de 1,25 à 1,28. Dans une batterie entièrement chargée, l’électrolyte est composé approximativement de 36 % d’acide sulfurique en Poids ou de 25 % en volume, le reste étant de l’eau distillée. Quand la batterie est déchargée, la densité spécifique de l’électrolyte est typiquement dans la gamme de 1,150. Si la batterie est entièrement déchargée, L’électrolyte est essentiellement de l’eau avec une densité spécifique de 1. Le coefficient de réajustement de la densité spécifique est de –0,0007 par °c par rapport à la température de référence (25°c).

Tension de gazéification.

Lors de la charge d’une batterie, sa tension s’élève. Lorsque l’on atteint une tension suffisamment élevée, les réactions électrochimiques deviennent très rapides et donnent lieu à un dégagement de gaz (oxygène et hydrogène) à l’intérieur de la batterie. C’est la tension de gazéification. On définit donc une tension de charge maximum qui doit toujours être inférieure à la tension de gazéification.

Ventilation.

La concentration maximale d’hydrogène recommandée pour un local batteries est de 4%. Il est nécessaire de maintenir un certain degré de ventilation car une plus grande concentration d’hydrogène produites dans l’air peut présenter des dangers.

Les batteries dans les systèmes photovoltaïques.

Associations 12, 24 et 48 Volts .

On associe les batteries en série pour obtenir des tensions multiples de 12 Volts (24V, 48V) et en parallèle pour augmenter la capacité.

Autonomie.

Lors du dimensionnement d’un système photovoltaïque, une durée d’autonomie est indiquée. Il s’agit de la période comptée en jours durant laquelle les besoins énergétiques peuvent être couverts même par mauvais temps. L’apparente simplicité de la définition de cette période d’autonomie peut cependant engendrer quelques écarts. Une autonomie excessive non justifiée par les conditions météorologiques aboutit typiquement

à la préconisation soit d’un parc batteries, soit d’un champ photovoltaïque surdimensionné. Avec dans le premier cas, le risque que l’état de pleine charge ne soit jamais atteint (sulfatation rapide des batteries) et dans le deuxième cas la certitude que le parc batteries soit toujours à l’état de pleine charge, ce qui limite l’intérêt des batteries à décharge profonde.

Régime de recharge standard IOU (IUU).

constant car la batterie est de plus en plus chargée. On nomme cette étape « charge de finition » parce qu’elle compense l’autodécharge des batteries des systèmes électriques de secours (UPS).

Ce régime est une succession de trois étapes nommées bulk, absorption et floating.

- 1 : Charge normale (bulk) : On applique par exemple à une batterie à électrolyte liquide de 12 Volts nominal déchargée un courant constant (typiquement égal à 0,05xC10) jusqu’à ce que la tension de la batterie atteigne environ 14,4 Volts. A ce moment, quelque 80% de l’état de charge de la batterie a été restauré.

- 2 : Charge d’absorption : Durant cette étape à tension constante limitée à quelques heures, la tension est maintenue égale à 14,4 Volts, alors que le courant baisse car la batterie est de plus en plus chargée. La fin de cette étape marque le « presque » plein état de charge

- 3 : Charge de finition (floating) : durant cette dernière étape, la tension est baissée à environ 13 Volts tandis que le courant de charge, devenue très faible, est presque constant ; c’est l’état de pleine charge.

Régime de recharge en technique photovoltaïque.

Régime de recharge standard IU.

Ce régime est une succession de deux étapes nommées boost, et floating.

- 1 : charge normale (boost)

On applique par exemple à une batterie à électrolyte liquide de 12 Volts nominal déchargée un courant constant (typiquement égal à 0,05xC10) jusqu’à ce que la tension de la batterie atteigne environ 14 Volts. A ce moment, quelque 70% de l’état de charge de la batterie a été restauré.

- 2 : charge de finition (floating)

Durant cette étape (plusieurs heures), la tension est maintenue égale à 14 Volts, alors que le courant baisse et devient presque

Les constructeurs de batteries et de chargeurs de batteries se réfèrent généralement au régimes classiques IOU (à trois étapes) ou au régime IU (à deux étapes) irréalisables strictement en pratique photovoltaïque.

Cependant, certains traits restent communs selon le degré de sophistication du régulateur de charge/décharge photovoltaïque. On parlera de régime IU modifié car au cours de durées changeantes, le courant disponible généré par les panneaux photovoltaïques est variable, la tension de la batterie étant elle fixée par la vigueur du régime de recharge.