Cours2 Syst PV Batterie [PDF]

Zitiervorschau

Université de Blida 1 Département ENERGIES RENOUVELABLES Master 2 PV

Cours de Systèmes Photovoltaïques

Dr. Abderrezak GUENOUNOU 2019/2020

II. Les Systèmes PV

Installation photovoltaïque en site isolé (système autonome)

Installation photovoltaïque en site isolé (système autonome)

Ce cours est composé des parties suivantes : •Le générateur PV (Champs de modules photovoltaïques) •Les batteries au plomb •Le régulateur de charge •L'onduleur •Dimensionnement d'une installation photovoltaïque autonome

Partie 1: Champs de modules PV (Rappel) Mise en série et en parallèle de modules Association de modules PV identiques en série

Leurs tensions s’ajoutent mais le courant est celui délivré par un seul module.

Association de modules PV en parallèle

Leurs courants s’ajoutent mais la tension est celle produite par un seul module

Partie 1: Champs de modules PV (Rappel) Caractéristiques d’un champ PV comportant des modules en série (S) et des branches parallèles (P)

Partie2: Les Batterie au Plomb Acide Rappel de quelques définitions importantes (voir les définitions dans le support de cours) (Voir le support de cours)

•

Pile électrique

•

Electrolyse

•

Batterie

•

Accumulateur électrique

•

Accumulateur électrochimique

•

Electrolyte

Partie2: Les Batterie au Plomb Acide 2. Les différents types de batteries au Plomb-Acide Batteries ouvertes

Classification selon le domaine d’application: •

Batterie de démarrage

•

Batterie de traction

•

Batterie stationnaire Batteries étanches à recombinaison de gaz

Partie2: Les Batterie au Plomb Acide 2. Les différents types de batteries au Plomb-Acide

Batterie étanche

Batterie ouverte

Avantages

Inconvénients

- Faible coût ; - Dégagement gazeux : nécessite des mesures de - Durée de vie importante (3 000 sécurité du local des batteries. cycles de charges/décharges à 70% - Diminution du niveau de l’électrolyte : nécessite un de profondeur de décharge) ; entretien régulier, environ 1 fois tous les 3 mois. - Capacité élevée : jusqu'à 4 000 Ah.

-Faible coût ; -Pas de dégagement gazeux => moins de contrainte de sécurité. -Recombinaison de gaz => maintenance réduite.

- La durée de vie est moins importante (1 000 cycles de charges/décharges à 70% de profondeur de décharge). - Le coût des équipements annexes (chargeurs) est plus important que celui des produits de batteries ouvertes. - Faible capacité des batteries : 200 Ah maximum -La charge optimisée fait appel à un courant de charge à commande électronique avec un contrôle d’algorithme plus complexe que pour les batteries plomb ouvert.

Principe de fonctionnement : Décharge et Charge d’une batterie au Plomb-Acide

Electrode d'une batterie  acide‐plomb

Photographie d'une batterie  acide‐plomb constituée de  plusieurs électrodes baignant  dans l'électrolyte

Décharge d’un accumulateur au plomb-acide Principe

Cathode: PbO2 + 4 H3O+ + 2 e- → Pb2+ + 6 H2O Anode: Pb → Pb2+ + 2 eRéaction d’oxydoréduction: PbO2 + 4 H3O+ + Pb → 2 Pb2+ + 6 H2O

Décharge d’un accumulateur au plomb-acide Principe

Perte de masses

Décharge profonde & Phénomène de sulfatation d'une batterie acide-plomb

Phénomène de sulfatation Pb2+ + SO42- → PbSO4

Autodécharge des batteries d'une batterie au plomb

A la cathode, production de O2 A l'anode, production de H2

Autodécharge des batteries d'une batterie au plomb

Temps d'autodécharge des batteries au plomb en fonction de la température ambiante. Les batteries au plomb s'auto déchargent d'autant plus vite que la température ambiante est élevée. Le taux d'autodécharge des batteries actuelles, en termes de perte de capacité, est réduit en moyenne entre 2 % et 5 % par mois (à 20°C)

La charge d'une batterie acide-plomb Principe

Anode: Pb2+ + 2 e- → Pb

Cathode: Pb2+ + 6 H2O → PbO2 + 4 H3O+ + 2 e-

Réaction d’oxydoréduction forcée: 2 Pb2+ + 6 H2O → Pb + PbO2 + 4H3O+

Les électrodes retrouvent donc leur masse initiale

Stratification de l'électrolyte & Surcharge Stratification Au fur et à mesure des cycles, la distribution de l'électrolyte devient de moins en moins uniforme. Les ions étant plus lourd que l'eau, ils tendent à s'accumuler dans le fond du bas créant ainsi une stratification de la densité d'acide. Conséquences • Diminution de la conductivité dans les zones à faible densité d'acide, et une très forte accélération du phénomène de corrosion des grilles. • Affaiblissement de la capacité de la batterie, et à un vieillissement précoce. Solution Un moyen pour lutter contre la stratification de l’électrolyte est l’application d’une légère surcharge.

Stratification de l'électrolyte & Surcharge Surcharge des batteries Lorsque la charge de la batterie est terminée, la concentration des ions Pb2+ au sein de l'électrolyte devient insuffisante. Ainsi, le générateur électrique ne contribue plus à charger la batterie (de toute façon, celle-ci est complètement chargée) mais à forcer la seule réaction susceptible de se produire, à savoir l’électrolyse de l’eau avec un dégagement gazeux important et dangereux d’hydrogène et d’oxygène. En dégageant de l’hydrogène gazeux et de l’oxygène gazeux, la réaction d’électrolyse de l’eau permet de brasser l’électrolyte et d’éviter le phénomène de stratification de l’acide sulfurique. Ce phénomène est volontairement amplifié mais contrôler par le régulateur en fin de charge H2O → ½ O2 + H2

Stratification de l'électrolyte & Surcharge

Illustration du dégagement gazeux lors du processus de surcharge permettant une homogénéisation de l'acide sulfurique au sein de l'électrolyte.

L'évacuation des gaz (oxygène et hydrogène) s'effectue par des orifices situés en partie supérieure de l'élément de la batterie.

Vitesse de charge des batteries acide-plomb Procédé IoVoV

Procédé de charge d'une batterie acide-plomb "IoVoV" couramment utilisé par les régulateurs de charge (exemple : batterie de 12 V).

Propriétés électrique des batteries Tension / Caractéristique courant-tension Lors de la décharge de la batterie Lors de la décharge, la batterie se comporte comme un générateur avec une résistance interne r˜10 mΩ. Par exemple, pour une batterie de tension à vide 6 V, voici sa caractéristique courant-tension :

• La tension aux V aux bornes de la batterie dépend du courant la traversant par la relation V=E - r×I • Du fait de la présence de la résistance interne des batteries, il apparaît que la tension de la batterie diminue lorsque le courant qu'elle débite augmente. Il convient alors de clarifier ce qu'on appelle communément la « tension » d'une batterie. • Ce qu'on appelle la tension d'une batterie correspond à la tension à vide, c'est-àdire lorsque le courant traversant la batterie est nul.

Propriétés électrique des batteries Tension / Caractéristique courant-tension Lors de la charge de la batterie

• Lorsque la batterie est en train d'être chargée, elle ne se comporte plus comme un générateur de tension, mais plutôt comme un récepteur au même titre qu'une résistance. • Sa caractéristique courant-tension est différente et indiquée ci-après, pour un élément de 2 V. • Ainsi, lors de la charge, lorsqu'on impose une tension aux bornes de l'accumulateur, 2 cas peuvent se produire :

Propriétés électrique des batteries Tension / Caractéristique courant-tension Lors de la charge de la batterie Lorsque la tension imposée aux bornes de l'accumulateur est inférieure à 2V: • Aucun courant de charge n'apparaît. En effet, la réaction d'oxydoréduction liée à la charge ne peut pas se produire sous une tension aussi faible. • Par contre, d'autres réactions secondaires inutiles à la charge peuvent apparaître (électrolyse de l'eau), mais présentent des cinétiques de réaction relativement lentes.

Propriétés électrique des batteries Tension / Caractéristique courant-tension Lors de la charge de la batterie

En imposant une tension supérieure à 2 V: • On obtient un courant de charge nonnul. La charge est donc effective. • Les fabricants de batteries préconisent de charger les batteries sous une tension de charge maximum de 2.28 V (pour un élément de 2 V). Au delà de cette valeur, le courant de charge devient trop fort (pouvant endommager la batterie), et l'électrolyse de l'eau devient substantielle.

Il est important de noter que le profil de la caractéristique courant-tension de la batterie lors de la charge évolue en fonction de son état de charge:

Evolution de la caractéristique courant-tension en fonction de l’état de charge de la batterie (en %)

Par conséquent, au fur et à mesure que la batterie se charge, le courant de charge diminue également (pour une tension de charge constante). Lorsque l’état de charge atteint 100%, le courant de charge est nul, quelque soit la tension qu’on applique aux bornes de la batterie. Cela est normal puisque les électrodes sont entièrement reconstituées : on ne peut pas charger davantage la batterie.

Évolution de la tension pendant la décharge Au fur et à mesure que la batterie se décharge, la tension à vide diminue.

Variation de la tension de la batterie lors de la décharge, pour différents courant de décharge Exemple d'une batterie de 12 V

La décharge s’effectue donc en 2 étapes : • D’abord, la tension de la batterie est constante. • Puis la tension de la batterie chute.

Propriétés électrique des batteries Effet de la température sur la tension  La tension de la batterie varie en fonction de la température.  Cette variation se quantifie par un coefficient de température KT(U) de l’ordre de 0.2 mV/°C pour un accumulateur de 2V.  Lorsque la température de la batterie augmente de 1°C, la tension de l’accumulateur augmente de 0.2 mV.

Nombre d’éléments en série de la batterie

 

Tension de la batterie (en V) dans Coefficient de température de les conditions de référence la batterie (en mV/°C) (température de 20°C)

1

2V

0.2 mV/°C

3

6V

0.6 mV/°C

6

12 V

1.2 mV/°C

12

24 V

2.4 mV/°C

24

48 V

4.8 mV/°C

Propriétés électrique des batteries Capacité des batteries Définition  La capacité d'une batterie est la quantité d'énergie électrique qu'elle est capable de restituer après avoir reçue une charge complète, pour un courant de décharge donné, une température et une tension d'arrêt définies.  La capacité de la batterie dépend du courant de décharge : la capacité diminue lorsque le courant de décharge augmente. Unité Ampère heure (Ah). Notation  CTd (exemples: C10, C60, C122,…).  CTd = X signifie que la batterie peut délivrer un courant d’intensité X/Td (en ampère) pendant une durée Td (en heure). • Td : l'autonomie de la batterie (son temps de décharge). • CTd : la capacité de la batterie associée à l’autonomie Td. • ITd : le courant de décharge de la batterie associée à l’autonomie Td. ITd = CTd / Td, ou encore : CTd = ITd × Td

Propriétés électrique des batteries Capacité des batteries Exemples 1) C6 = 66 Ah signifie que la batterie peut fournir un courant de 66/6=11 A pendant 6 heures avant décharge complète. Attention : cela ne signifie pas que la batterie peut fournir 22 A pendant 3 heures, ou bien 5.5 A pendant 12 heures. Il n’y a pas de relation de linéarité. 2) C20 = 200 Ah signifie que la batterie peut fournir un courant de 200/20=10 A pendant 20 heures avant décharge complète. Attention : cela ne signifie pas que la batterie peut fournir 20 A pendant 10 heures, ou bien 5 A pendant 40 heures. Il n’y a pas de relation de linéarité.

Propriétés électrique des batteries Capacité des batteries Capacité nominale Afin de comparer les batteries entre elles, la profession a décidé de définir une capacité nominale, noté CN. Selon le domaine d'application de la batterie, une valeur nominale est clairement définie. Cette capacité nominale, CN est indiqué sur les fiches techniques des batteries. Les valeurs utilisées habituellement par les constructeurs sont les suivantes : Domaine d'application

Capacité nominale courante

Batteries de traction

CN = C5 Pour les voitures électriques, CN = C1

Batteries stationnaires

CN = C10 Pour les applications photovoltaïques, CN = C120

Batteries de démarrage

CN = C20

Propriétés électrique des batteries Capacité des batteries Effet de la température sur la capacité L’augmentation de la température permet une amélioration de la capacité de la batterie. Coefficient de température KT(C) Température

-20 °C

-10 °C

0 °C

10 °C

20 °C

30 °C

40 °C

50 °C

C20

0.63

0.74

0.85

0.94

1

1.05

1.1

1.15

C10

0.58

0.68

0.81

0.91

1

1.04

1.09

1.13

C4

0.55

0.67

0.80

0.90

1

1.07

1.15

1.22

Exemple de lecture du tableau

C20, T=-10°C = 0.74 × C20, T=20°C

Remarque Attention cependant, si l’augmentation de la température favorise la capacité de la batterie, la rapidité d’autodécharge est également accrue.

Entretien des batteries acide-plomb Mise à niveau du volume d'eau

Nettoyage des batteries (à cause de la sulfatation)