Les composants D’un système photovoltaïque autonome

Comme l’énergie solaire produite par un système photovoltaïque varie au cours du temps, cela implique qu’un tel système va se trouver en permanence en régime transitoire. Ce mode de fonctionnement entraîne des risques permanents de désadaptation de certains composants entre eux, dont il faut tenir compte lors de la conception.

Afin d’assurer un fonctionnement adéquat de l’installation photovoltaïque, une étude descriptive générale des différents composants du système PV est nécessaire. Dont l’un de ces composants est le dispositif de stockage qui est l’un des éléments le plus fragile du système. Pour augmenter la durée de vie de la batterie et assurer sa protection on lui associe un système de régulation.

Les différents systèmes photovoltaïques autonomes 

Il existe différents types de générateurs variant selon le service souhaité et les applications recherchées : autonome et autonome hybride.

Systèmes autonomes: 

Il y a les systèmes autonomes au fil du soleil sans stockage et avec stockage :

Système au fil du soleil sans stockage
Ce sont les systèmes les plus simples puisque l’énergie photovoltaïque est utilisée directement à partir des panneaux. On peut les trouver dans deux cas suivants :

Alimentation directe
L’appareil alimenté ne fonctionnera qu’en présence de la lumière et dés que l’éclairement sera suffisant pour atteindre la puissance demandée. C’est intéressant pour toutes les applications qui n’ont pas besoin de fonctionner dans l’obscurité, et pour les quelles le besoin en énergie coïncide avec la présence de la lumière.

L’inconvénient de ce système, c’est qu’on ne profite pas toujours des éclairements les plus élevés : pas de stockage, donc pas de récupération des surplus des énergies solaires.

Pompage au fil du soleil
Il s’agit de stocker de l’eau dans un réservoir. La pompe solaire est branchée directement aux panneaux solaires par l’intermédiaire d’un régulateur. Le débit d’arrivée d’eau dans le réservoir est donc variable directement en fonction du rayonnement solaire.

Système au fil du soleil avec stockage
Ces installations se composent essentiellement de trois composants : des modules solaires, la batterie, et le régulateur de charge. La batterie d’un tel système se charge le jour, et sert de réservoir d’énergie en permanence ; elle peut sans problème à un instant donné, recevoir un courant de charge et débiter un courant de décharge de valeur différente. Les appareils alimentés sont donc câblés sur la batterie à travers le régulateur de charge, cela pour assurer le chargement optimal de l’accumulateur tel que lorsque la batterie est pleine, ce dernier coupe la charge pour éviter qu’elle ne souffre de surcharge.

Systèmes autonomes hybrides : 

Une des limites d’un système autonome purement photovoltaïque, comme on vient de le décrire, est qu’il fournit une puissance donnée, variable selon la saison, mais que l’on ne peut pas dépasser, au risque de détruire la batterie ; or les consommateurs ont des besoins qui évoluent, et pas forcément en phase avec les saisons. Avoir un système hybride, c’est disposer d’une autre source d’électricité qui vient compléter l’apport photovoltaïque. Cette autre source peut être un groupe électrogène (appelé aussi ″génératrice″) ou une éolienne. De tels systèmes ont habituellement des accumulateurs de stockage d’énergie et donc ils permettent en outre de recharger la batterie lorsque elle est faible. Un tel système photovoltaïque hybride fournit une grande fiabilité du système et peut représenter la solution adéquate pour les sites isolés; il convient aussi lorsque la demande en énergie est élevée (pendant l’hiver ou tout le long de l’année).

Système de stockage 

Dans cette partie le stockage électrochimique à l’aide de batteries d’accumulateurs sera présenté. Le système de stockage est un élément crucial de l’installation photovoltaïque du point de vue technique, mais aussi du point de vue économique; car il représente 40 à 50 % du coût de l’installation [37].

Les batteries 

Parfois, appelée « accumulateur », destinée à emmagasiner de l’électricité (en courant continu). Il existe quatre grandes familles d’accumulateurs :
∗ Accumulateurs de démarrage pour véhicules à moteur à combustion interne.
∗ Accumulateurs de traction pour la commande de véhicules de manutention au sol, les véhicules électriques, les sous-marins, etc.
∗ Accumulateurs stationnaires : ils sont utilisés comme source stationnaire de courant continu de secours en cas de rupture du secteur, ou de courant continu de commande (Usines d’énergie électrique, télécommunications, appareils de signalisation, groupes de secours, éclairage de secours, etc.)
∗ Accumulateurs au Nickel-Cadmium : les accumulateurs étanches et rechargeables au Nickel-Cadmium se présentent sous trois formes : éléments boutons, éléments ronds et éléments prismatiques. Grâce à leur construction d’une grande résistance, ils peuvent être rechargés des centaines de fois, ne réclament pas d’entretien, supportent très longtemps le stockage et peuvent être incorporés dans des appareils dont ils deviennent partie intégrante.

Principe général de fonctionnement d’une batterie
Deux électrodes, l’une positive et l’autre négative, sont séparées par un électrolyte. Aux deux interfaces électrode-électrolyte interviennent des réactions électrochimiques .

Caractéristiques du stockage par accumulateurs
∗ Tension aux bornes de l’élément : Elle est fonction de la charge ou de la décharge de l’élément et dépend de la technologie utilisée par le constructeur.
∗ Taux de décharge : Il est normalisé par la capacité estimée de la batterie, pour des durées de décharge indiquées
∗ Profondeur de décharge : C’est la quantité d’Ampère heure extraite d’une batterie pleinement chargée. Elle est exprimée en pourcents de la capacité estimée.
∗ Taux de charge : Comme le taux de décharge, il est normalisé par rapport à la capacité estimée et la durée de charge. Le taux de charge est le rapport du courant consommé par la durée de temps nécessaire pour retrouver la charge complète de l’élément de batterie.
∗ Etat de charge : C’est une grandeur qui caractérise la disponibilité énergétique d’un accumulateur. Il peut être exprimé en pourcents de la capacité estimée.
∗ Capacité de la batterie : Lorsque l’on désire connaître l’autonomie d’un accumulateur, c’est-à-dire, le temps durant lequel il peut débiter, on se rend rapidement compte que cette grandeur varie suivant le courant débité: on parle alors de régime de décharge.
∗ Capacité estimée: c’est une estimation faite par le constructeur quant à la quantité d’Ampère heure (Ah) que l’on pourrait extraire de la batterie.
∗ Rendement : Deux types de rendement peuvent être exprimés:
-Rendement faradique: rapport des ampères-heures déchargés aux ampères- heures chargés
-Rendement énergétique: rapport des wattheures déchargés aux wattheures chargés.

Accumulateurs au plomb

La batterie la plus simple et la moins coûteuse.

Bref historique
L’histoire de l’accumulateur au plomb est plus que centenaire et remonte à la découverte du premier générateur électrochimique non réversible (pile) en 1800.
∗ La réversibilité (cas de l’accumulateur), a été observée pour la première fois en 1801 par le physicien Gautherot.
∗ En 1859, Gaston Plante reconnaît l’intérêt du plomb pour la construction de l’accumulateur.
∗ En 1881, l’accumulateur connaît un perfectionnement très important en constituant les matières actives par des oxydes de plomb, rapportés sur des grilles supports.
∗ Nombreux furent les techniciens qui apporteront ensuite leur contribution pour aboutir à l’accumulateur actuel.

Composition d’une batterie solaire Plomb- Acide
Ces batteries sont composées de plusieurs plaques de Plomb dans une solution d’acide sulfurique. La plaque consiste en une grille d’alliage de Plomb avec une pâte d’oxyde de plomb marquetée sur la grille. La solution acide sulfurique et l’eau est appelée électrolyte.

Les caractéristiques d’une batterie au Plomb
∗ La tension
La tension nominale d’un élément au Plomb est de 2V, et varie en fonction de l’état de charge. Un élément chargé présente une tension de 2,1V et peut être déchargé jusqu’à une tension de 1,9V sans risque, le minimum absolu étant fixé à 1,65V [3].

Une batterie est constituée de plusieurs cellules reliés en série afin d’assure un niveau de tension convenable aux applications électriques.
∗ La capacité
La capacité des batteries au Plomb peut aller de 1Ah à plus de 1000 Ah pour les batteries à électrolyte stabilisé et de 2Ah jusqu’à 4000Ah pour les batteries à électrolyte liquide .
∗ La résistance interne
La résistance des accumulateurs au Plomb est négligeable dans le cas des fortes capacités. Ces derniers sont capables de fournir des courants très importants >2000A sous12V. Ce sont presque des générateurs parfaits d’où leur résistance interne très faible (inférieure au milli Ohm) .
∗ L’autonomie
C’est la durée pendant laquelle le récepteur reste correctement alimenté par la batterie. Elle dépend de la capacité de l’accumulateur et de l’énergie requise par le récepteur, indépendamment du photo générateur .