Cours - Stockage D'énergie Et Panneaux Solaires - 23 [PDF]

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I. Introduction 1- Pourquoi stocker de l’énergie ?

Le stockage de l’énergie est utilisé pour répondre aux besoins suivants :  Le besoin d’autonomie, le besoin de se déplacer avec sa propre source d’énergie. C’est l’obstacle rencontré par tous les véhicules et parmi eux les véhicules électriques. C’est également la difficulté pour tous les appareils électriques portatifs autonomes (téléphones, etc.)  Le besoin d’alimenter des sites isolés où on alimente des dispositifs demandant une énergie réduite.  Le besoin d’assurer la continuité de service en cas de coupure de l’alimentation.  Le besoin de compenser le décalage temporel entre la demande en énergie et la possibilité de production. C’est le problème lorsqu’on utilise des énergies renouvelables qui ne produisent jamais en quantité suffisante au moment où on en a besoin.  Le besoin d’apport de puissance ou d’énergie : Dans les systèmes hybrides où le stockage joue un rôle en termes d’apport de puissance ou d’énergie selon l’application (ex : phases d’accélération ou de freinage). 2- Comment stocker de l’énergie ? Les solutions de stockage d’énergie se divisent en quatre catégories principales : a) L’énergie mécanique (potentielle ou cinétique) : centrale hydroélectrique, Station de Transfert d’Energie par Pompage (STEP), stockage d’énergie par air comprimé (CAES), volants d’inertie ;

Le stockage d'énergie par volant d'inertie est utile pour la régulation et l'optimisation énergétique d'un système. Il ne permet pas d'obtenir une durée d'autonomie importante comme les batteries électrochimiques ou le stockage d'énergie par pompage / turbinage. b) L’énergie thermique : (chaleur latente ou sensible) dans le domaine du chauffage, de la climatisation et de la production d’ECS (Eau Chaude Sanitaire). c) L’énergie chimique : (filière hydrogène) dans les chaudières et les piles à combustible (PAC) d) L’énergie électrochimique ou électrostatique : (accumulateurs, batteries, condensateurs). Dans ce qui suit, nous développerons uniquement la solution de stockage d’énergie sous forme d’une énergie électrochimique (piles, accumulateurs, batteries) et électrostatique (Condensateurs). CPGE - 1ère année TSI - GE

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II. Stockage électrochimique 1. Principe Les termes piles, accumulateurs, batteries, désignent des dispositifs dont la fonction est de transformer directement, c’est-à-dire sans passage par une forme intermédiaire, l’énergie libérée par une réaction chimique en énergie électrique. Ces générateurs électrochimiques sont constitués d’un conducteur ionique, appelé électrolyte sous forme liquide ou gel, dans lequel baignent deux électrodes : l’anode et la cathode. Lors de la décharge, les électrons quittent l'anode vers le circuit extérieur et retournent au générateur par la cathode. L’anode subit une oxydation (perte d’ ) alors que la cathode subit une réduction (gain d’ ). On parle d’oxydoréduction. Exemple : batterie plomb - acide sulfurique

On empêche le court-circuit entre électrodes avec un séparateur qui ne conduit pas les électrons (isolant) mais qui permet le passage des ions par des trous dans sa structure (papier, plastique finement perforé, fibre de verre, …). 2. Différents types

Les accumulateurs produisent du courant continu avec une différence de potentiel ou tension relativement faible (1à 3 V en général). Pour obtenir une tension plus élevée, il faut les associer (on parle de batteries). Ils sont rechargeables par opposition aux piles qui ne le sont pas.

Une batterie désigne un ensemble d’accumulateurs électriques raccordés en :  Série pour augmenter la tension ;  Parallèle pour avoir une plus grande capacité ou plus de courant qu'avec un élément seul.

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3. Grandeurs caractéristiques a) Tension nominale La tension nominale U (Unité : Volt) est la tension moyenne aux bornes d’une batterie ou d’un accumulateur observé sur la plus grande partie de sa courbe de décharge. La courbe ci-contre, donnée à titre indicatif, est valable pour les accumulateurs Ni-Cd et Ni-MH. La tension nominale par élément est de 1,2 V. La tension de la batterie est un multiple de la tension de l’élément de base. b) Capacité La capacité C (notée parfois Q) est la quantité d'électricité que la batterie ou l’accumulateur chargé peut restituer au cours d'une décharge complète. On l’exprime en Ah ou mAh: N.B: La capacité réelle n’est pas une valeur constante. Elle dépend principalement du courant de décharge. On définit la capacité nominale C10, C20 et C100 : Capacité C10 : La batterie décharge avec un courant constant I10 à 25 °C pendant 10 heures Capacité C20 : La batterie décharge avec un courant constant I20 à 25 °C pendant 20 heures - Pour un régime de décharge plus élevé (I > I10) la capacité diminue. - Pour un régime de décharge plus faible (I < I10) la capacité augmente. Exemple pour une batterie de capacité C100=1000 Ah :

c) Densité énergétique : L’énergie stockée s’écrit : Il est également intéressant d'avoir l'ordre de grandeur de la densité énergétique d’une batterie. C’est la quantité d’énergie stockée par unité de masse (Unités : Wh/kg). Exemple : Calcul de l’énergie massique d'un accumulateur Ni-MH Tension 1,2 V - capacité 1500 mAh - masse 25 grammes. CPGE - 1ère année TSI - GE

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L’énergie totale fournie est : W=1.2*1.5=1.8 Wh  Soit une énergie massique : 1.8/0.025 = 72 Wh/kg d) Résistance interne : Le modèle le plus simple de générateur électrochimique est le modèle statique (E0, R) à paramètres constants, qui implémente l’équation U = E0– RI.

E0 est la fém. à vide (force électromotrice) du générateur. R est sa résistance interne en Ω. e) Autodécharge : En raison d’impuretés présentes dans les produits chimiques utilisés pour leur fabrication, des technologies mises en œuvre et des réactions électrochimiques qui y ont lieu, les batteries se déchargent même quand elles ne sont pas utilisées. f) Cyclabilité (durée de vie) Elle caractérise la durée de vie de l’accumulateur, c’est à dire le nombre de fois où il peut restituer le même niveau d’énergie après chaque nouvelle recharge. Exemple : Batterie type « batterie de traction » à électrolyte gélifié « DRYFIT » Utilisation : chariot de golf électrique, chariot électrique pour handicapé, …

Comparaison des différentes technologies utilisées dans les batteries.

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III. Stockage électrostatique (Supercondensateurs) 1. Généralités : Les batteries ont une forte densité énergétique mais une faible densité de puissance. Leur durée de vie en nombre de cycles charge – décharge est relativement limitée. Le développement technologique et la maîtrise de fabrication de nouveaux matériaux ont permis la réalisation d'autres systèmes modernes de stockage d'énergie électrique comme les supercondensateurs. Ils peuvent être utilisés de façon complémentaire aux batteries ou à la pile à combustible. 2. Principe : Le supercondensateur est constitué de deux électrodes poreuses, généralement en charbon actif et imprégnées d'électrolyte, qui sont séparées par une membrane isolante et poreuse pour assurer la conduction ionique (séparateur). Le principe de fonctionnement est basé sur le stockage de l’énergie par distribution des ions provenant de l’électrolyte au voisinage de la surface des deux électrodes.

3. La capacité d’un supercondensateur La capacité d’un supercondensateur comme le cas d’un condensateur est déterminée essentiellement par la géométrie des armatures et la nature de l’isolant (diélectrique) les séparant.

Figure : condensateur

Figure : supercondensateur

La valeur de sa capacité C (en Farad) est donnée par la relation simplifiée :

-

S: surface des armatures e: épaisseur du diélectrique ε: permittivité du diélectrique

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L’épaisseur d’isolant e (distance d’approche) est très faible (inférieur au nanomètre) On peut ainsi obtenir des valeurs très élevées de capacités (1 à 5000 F). L’énergie stockée dans un supercondensateur est donnée par la relation suivante :

Avec U est la tension aux bornes de supercondensateur et C sa capacité. IV. Comparaison des différents systèmes de stockage :



Les supercondensateurs se positionnent entre les batteries et les condensateurs. Leur densité d’énergie est bien plus élevée que celle des condensateurs. Par contre, l’énergie stockée est 10 fois plus faible que l’énergie stockée dans une batterie.



Le problème des batteries classiques réside dans leur faible densité de puissance. Dans ce domaine, les condensateurs restent indétrônables avec une densité de puissance pouvant atteindre 100 kW/kg ce qui représente dix fois la densité de puissance d’un supercondensateur.



Les condensateurs et supercondensateurs ont une durée de vie importante (> 5.105cycles)

Le diagramme ci-dessous (diagramme de Ragone) représente la densité de puissance en fonction de la densité d'énergie fournies par le matériau.

Figure : Diagramme de Ragone CPGE - 1ère année TSI - GE

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V. Les panneaux solaires L’énergie solaire photovoltaïque est une forme d’énergie renouvelable. Elle permet de produire de l’électricité par transformation d’une partie du rayonnement solaire grâce à une cellule photovoltaïque.

1. Définitions 

La cellule photovoltaïque : est l’unité de base qui permet de convertir l’énergie lumineuse en énergie électrique.



Le panneau/modules photovoltaïque : est formé d’un assemblage de cellules photovoltaïques.



Le champ photovoltaïque : c’est lorsqu’on regroupe plusieurs panneaux sur un même site



L’éclairement : c’est la puissance lumineuse reçue par unité de surface. Il s’exprime en W/m². La grandeur associée à l’éclairement est notée G Parfois, cette grandeur est aussi appelée irradiance.

2. Caractéristiques électriques d’une cellule  Caractéristique courant / tension : A température et éclairement fixés, la caractéristique courant / tension d’une cellule a l’allure suivante :

Uv : tension circuit ouvert indique la tension présente aux bornes du panneau quand il n’est pas branché. Icc : courant de court-circuit indique le courant max que peut délivrer le panneau. CPGE - 1ère année TSI - GE

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

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Caractéristique puissance / tension

La puissance délivrée par la cellule a pour expression P = U.I. Pour chaque point de la courbe précédente, on peut calculer la puissance P et tracer la courbe P = f(U). Cette courbe a l’allure suivante :

Le Point de Puissance Maximum (PPM ou MPP en anglais) sur cette courbe correspond au produit de 2 valeurs particulières qui sont :  Le courant de puissance maximale noté Ipm  La tension de puissance maximale notée Upm 

La puissance de crête

Par définition, la puissance de crête représente la puissance maximum fournie par une cellule lorsque l’éclairement G = 1000W/m² et la température θ = 25°C. L’unité de cette puissance est le Watt crête, noté Wc. Les constructeurs spécifient toujours la puissance de crête d’un panneau photovoltaïque. Cependant, cette puissance est rarement atteinte car l’éclairement est souvent inférieur à 1000W/m² et la température des panneaux en plein soleil dépasse largement les 25°C. 

Influence de l’éclairement G

A température constante :

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Influence e la température

3. Groupements de cellules On peut grouper les cellules en série ou en parallèle : 

Le groupement série permet d‘augmenter la tension de sortie. Pour un groupement de n cellules montées en série la tension de sortie Us a pour expression générale : Us = n.Uc . Avec Uc : tension fournie par une cellule Pour ce groupement, le courant est commun à toutes les cellules.



Le groupement en parallèle permet d’augmenter le courant de sortie. Pour un groupement de n cellules montées en parallèle, le courant de sortie Is a pour expression générale : Is=n.Ic Avec Ic : courant fourni par une cellule Pour ce groupement, la tension est commune à toutes les cellules.

Remarque : Pour éviter que les cellules parallèles ne débitent les unes sur les autres, on ajoute des diodes anti-retours.

Groupement des cellules en série

Groupement des cellules en parallèle

4. Le rendement des panneaux photovoltaïques Le rendement d’un panneau photovoltaïque est défini par :

ou: : L’éclair m nt n w/m2 est la puissance thermique du rayonnement solaire reçu par la terre sur un surfac d’un m2. la uissanc él ctri u déli ré la surfac

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Le rendement absolu d’un module photovoltaïque varie de 5% à 18 % selon sa composition. CPGE - 1ère année TSI - GE

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