1 sur 11
Notions de base sur l’énergie solaire photovoltaïque
I- Présentation
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.
P lumineuse P électrique
pertes
Le rendement d’une cellule photovoltaïque est faible : inférieure à 20%
II- Définitions
1- Cellules, panneaux et champs photovoltaïques
La cellule photovoltaïque est l’unité de base qui permet de convertir l’énergie lumineuse en énergie électrique.
Un panneau photovoltaïque est formé d’un assemblage de cellules photovoltaïques.
Parfois, les panneaux sont aussi appelés modules photovoltaïques.
Lorsqu’on regroupe plusieurs panneaux sur un même site, on obtient un champ photovoltaïque.
cellule panneau champ
2- Puissance lumineuse et éclairement
L’éclairement caractérise 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.
Cellule photovoltaïque
2 sur 11
III- Principe d’une cellule photovoltaïque
Les cellules photovoltaïques sont fabriquées à partir d’une jonction PN au silicium (diode).
Pour obtenir du silicium dopé N, on ajoute du phosphore. Ce type de dopage permet au matériau de libérer facilement des électrons (charge -).
Pour obtenir du silicium dopé P, on ajoute du bore. Dans ce cas, le matériau crée facilement des lacunes électroniques appelées trous (charge +).
La jonction PN est obtenue en dopant les deux faces d’une tranche de silicium. Sous l’action d’un rayonnement solaire, les atomes de la jonction libèrent des charges électriques de signes opposés qui s’accumulent de part et d‘autre de la jonction pour former un générateur
électrique.
IV- Les différents types de générateurs photovoltaïques
1- Silicium monocristallin
Les cellules en silicium monocristallin représentent la première génération des générateurs photovoltaïques.
Pour les fabriquer, on fond du silicium en forme de barreau. Lors d’un refroidissement lent et maîtrisé, le silicium se solidifie en ne formant qu'un seul cristal de grande
dimension. On découpe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont en général d'un bleu uniforme.
Durée de vie : 20 à 30 ans.
• avantages :
bon rendement, de 12% à 18%
bon ratio Wc/m2 (environ 150 Wc/m2) ce qui permet un gain de place si nécessaire
nombre de fabricants élevé
• inconvénients : coût élevé
rendement faible sous un faible éclairement.
3 sur 11 2- Silicium polycristallin (multicristallin)
Pendant le refroidissement du silicium dans une lingotière, il se forme plusieurs cristaux.
La cellule photovoltaïque est d'aspect bleuté, mais pas uniforme, on distingue des motifs créés par les différents cristaux.
• avantages :
cellule carrée (à coins arrondis dans le cas du Si monocristallin) permettant un meilleur foisonnement dans un module moins cher qu’une cellule
monocristalline
• inconvénient :
moins bon rendement qu’un cellule monocristalline : 11 à 15%
ratio Wc/m² moins bon que pour le monocristallin (environ 100 Wc/m2) rendement faible sous un faible
éclairement.
Ce sont les cellules les plus utilisées pour la production électrique (meilleur rapport qualité-prix). Durée de vie : 20 à 30 ans
3- Silicium amorphe
Le silicium lors de sa transformation, produit un gaz, qui est projeté sur une feuille de verre. La cellule est gris très foncé. C'est la cellule des calculatrices et des montres dites
"solaires".
• avantages :
fonctionne avec un éclairement faible ou diffus (même par temps couvert) un peu moins chère que les autres technologies
intégration sur supports souples ou rigides.
• inconvénients :
rendement faible en plein soleil, de 6% à 8%
nécessité de couvrir des surfaces plus importantes que lors de l’utilisation de silicium cristallin (ratio Wc/m² plus faible, environ 60 Wc/m2)
performances qui diminuent avec le temps (environ 7%).
V- Caractéristiques électriques d’une cellule
1- Caractéristiques courant / tension
A température et éclairement fixés, la caractéristique courant / tension d’une cellule a l’allure suivante :
4 sur 11
I point de fonctionnement en court-circuit
Icc Ipm
point de fonctionnement à vide
0 Upm Uv U
Sur cette courbe, on repère :
le point de fonctionnement à vide : Uv pour I = 0A
le point de fonctionnement en court-circuit : Icc pour U = 0V
Pour une cellule monocristalline de 10x10cm, les valeurs caractéristiques sont : Icc = 3A et Uv = 0,57V (G = 1000W/m² et θ = 25°C)
2- Caractéristiques 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 : P
PM
0 Upm Uv U
Cette courbe passe par un maximum de puissance (PM).
A cette puissance correspond, une tension Upm et un courant Ipm que l’on peut aussi repérer sur la courbe I = f(U).
Pour une cellule monocristalline de 10x10cm, les valeurs caractéristiques sont : PM = 1,24W , Upm = 0,45V , Ipm = 2,75A (G = 1000W/m² et θ = 25°C)
I =f(U)
5 sur 11 3- Influence de l’éclairement
A température constante, la caractéristique I = f(U) dépend fortement de l’éclairement :
I
G1 > G2 Icc1
G2 Icc2
0 U Uv2 Uv1
Sur cette courbe, on remarque que le courant de court-circuit augmente avec l’éclairement alors que la tension à vide varie peu.
A partir de ces courbes, on peut tracer les courbes de puissance P = f(U) :
P PM1
G1 > G2
PM2
G2
0 U Uv2 Uv1
Sur ces courbes, on remarque que la puissance maximum délivrée par la cellule augmente avec l’éclairement.
6 sur 11 4- Influence e la température
Pour un éclairement fixé, les caractéristiques I = f(U) et P = f(U) varient avec la température de la cellule photovoltaïque :
I Icc1
Icc2
θ1 θ2<θ1
0 U Uv1 Uv2
P PM2
PM1
θ1 θ2<θ1
0 U Uv1 Uv2
Sur ces courbes, on remarque que la tension à vide et la puissance maximum diminuent lorsque la température augmente.
5- Définition de la puissance de crête
Par définition, la puissance de crête représente la puissance maximum fournie par une cellule lorsque l’éclairement G = 1000W/m², la température θθθθ = 25°C et une répartition spectrale du rayonnement dit AM 1,5.
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.
VI- Groupements de cellules
1- Principe
On peut grouper les cellules en série ou en parallèle.
7 sur 11
• 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.
Exemple : groupement e 3 cellules en série
Is Uc
Uc Us = 3.Uc
Uc
• 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 . I avec I : courant fourni par une cellule Pour ce groupement, la tension est commune à toutes les cellules.
Exemple : groupement de 3 cellules en parallèle
Is = 3. Ic
Us
Pour éviter que les cellules ne débitent les unes sur les autres, on ajoute des diodes anti-retour.
2- Exemple pratique : panneau photovoltaïque
Le panneau PW850 de Photowatt comporte 36 cellules montées en série.
à vide, Usv = 36.0,61V = 22V (1000W/m², 25°C et AM 1,5)
Les caractéristiques I=f(U) pour différents éclairements sont données à la page suivante.
Ic Ic Ic
8 sur 11
Parmi ces courbes, on remarque des courbes en pointillés qui représentent l’évolution de I en fonction de U à puissance constante : I = P/U = constante /U
Ces courbes permettent d’évaluer les puissances maximums pour chaque éclairement.
Exemple : à 1kWc/m², PM = 85 W
VII- Structures d’une installation photovoltaïque
1- Site isolé
En site isolé le champ photovoltaïque peut fournir l’énergie électrique nécessaire pour faire fonctionner les récepteurs (éclairage et équipement domestique). Un système de régulation et une batterie d’accumulateurs permettent de stocker l’énergie électrique en l’absence de soleil.
9 sur 11
Les batteries sont utilisées pour stocker l’énergie électrique sous une forme chimique.
Elles restituent l’énergie électrique selon les besoins de l’utilisateur.
Le régulateur de charge a pour fonction principale de protéger la batterie contre les
surcharges et les décharges profondes. Il est un élément essentiel pour la durée de vie de la batterie.
L’onduleur permet d’alimenter les récepteurs fonctionnant en alternatif.
2- Site connecté au réseau
Pour ce type de site, le champ photovoltaïque est connecté au réseau par l’intermédiaire d’un onduleur.
Le particulier peut revendre tout ou partie de l’électricité qu’il produit. Dans ce cas, il n’est pas nécessaire d’installer de batteries de stockage de l’énergie produite.
10 sur 11
VIII- Energie solaire disponible et optimisation de l’orientation des panneaux photovoltaïques
1- Mouvement apparent du soleil et énergie solaire disponible
La terre fait un tour sur elle-même en 24h et effectue une révolution complète autour du soleil en 365 jours.
Vu de la terre (prise comme référentiel fixe), le mouvement apparent du soleil est un mouvement de rotation.
A ce mouvement, s’ajoute celui de la déclinaison cyclique du soleil. La déclinaison est définie comme l’angle entre l’axe soleil-terre et le plan de l’équateur. Cet angle est noté α sur la figure ci-dessous. Au cours d’une année, la déclinaison du soleil varie entre +23°
(21 juin) et -23° (21 décembre).
mouvement apparent du soleil
soleil N
Terre
plan de l’équateur S
2- Energie solaire disponible
Les variations cycliques du mouvement apparent du soleil se traduisent par des variations de l’énergie solaire disponible au cours de l’année. Par exemple, dans l’hémisphère sud, l’éclairement est le plus faible lorsque la déclinaison du soleil vaut +23°.
A Nouméa, les variations de l’énergie solaire par unité de surface et par mois sont données dans le tableau suivant :
(les valeurs sont données pour des panneaux disposés horizontalement et un ciel sans nuages)
D’après ce tableau, on remarque que l’énergie solaire est minimum au mois de juin et maximum au mois de décembre.
α
11 sur 11
3- Orientation et inclinaison des panneaux photovoltaïques fixes.
Dans l’hémisphère sud, il faut orienter les panneaux fixes vers le nord pour capter les rayons du soleil tout au long de l’année.
Cette orientation générale n’est pas suffisante. Il faut aussi préciser l’inclinaison optimum des panneaux par rapport à la surface du sol. A Nouméa, pour recueillir le maximum d’énergie cumulée sur une année, l’angle optimum est de 18°. Ce cas correspond à un site raccordé au réseau.
Nord
18°
Nouméa, site connecté au réseau
Pour un site isolé, le but est de recueillir le maximum d’énergie en hiver. Dans ce cas, l’inclinaison optimum est de 35° à Nouméa.
En pratique, les toitures qui supportent les panneaux sont rarement orientées plein nord avec une inclinaison optimum. Dans ce cas, l’énergie solaire captée est plus faible.
Les Groupes électrogènes
FONCTION GLOBALE
Contraintes : Energie,Tension, Fréquence, Réglages Système
ENERGIE MECANIQUE D’UN MOTEUR
THERMIQUE
PRODUIRE DU
COURANT ELECTRIQUE EN TOUS LIEUX
ENERGIE ELECTRIQUE DE LA GENERATRICE
SYSTEME DU GROUPE ELECTROGENE
Dos. et photo groupes SDMO,HONDA,
BRIGGS et STRATTON, YAMAHA, JCDebatty
LPJP Combs la Ville
I- Comment produit-on du courant ?
« Un groupe électrogène produit de l’électricité » en accouplant un moteur généralement thermique et un alternateur appelé aussi génératrice.
Rappel des bases électriques : un simple aimant Nord Sud (inducteur) tournant autour (ou
alternativement) d’un enroulement de fil de cuivre (bobine), suffit à produire un courant que l’on peut visualiser sur un oscilloscope. On visualise ainsi une alternance ou période (rotation de l’inducteur sur 360°).
Le « courant domestique » utilisé en France (et en Europe) a une tension de 220 Volt sous 50 périodes par seconde on dit 50 Hz (hertz) *
II- Qu’est-ce qu’un alternateur ?
Comme le montre le schéma ci-contre il suffit de mettre un aimant en « fer à cheval » en rotation autour de la bobine ou enroulement pour produire
« un courant alternatif de base ». L’aimant devient le rotor, la bobine le stator.
Cet alternateur est généralement à autoexcitation et à champs magnétiques tournants (pratiquement peu avec balais). Le courant de sortie doit être régulé pour correspondre le plus possible à 220 volts en 50 Hz.
Pour obtenir la stabilité du courant, la régulation classique est gérée soit par condensateurs soit par des systèmes électroniques comme l’AVR (Honda) L’arrivée massive de l’électronique dans la vie de tous les jours a poussé les constructeurs vers des nouveaux groupes électrogènes « à système inverter)** donc capable de fabriquer un courant très stable et approprié au besoin instantané des appareils électroniques.
*Dans le monde certains pays sont à des voltages et fréquences différentes : ex. USA 110/220/60hz.
**développé plus loin dans ce dossier 2/12
III- Les groupes électrogènes domestiques et semi-industriels.
Il faut les distinguer des gros groupes industriels, capablent de produire des quantités de courant pour alimenter une usine, un hopital, une petite ville….et les groupes domestiques ou semi-industriels.
a)- Généralités de fonctionnement d’un groupe électrogène
Les groupes sont donc constitués d’un moteur thermique 2T, 4T, essence ou diesel qui entraine une génératrice. Les plus petits peuvent délivrer une puissance de moins de 1 kw/h (quelques moteur 2T).
Dés que l’on atteint 4 à 5 Kw/h on ne trouve plus que des moteurs diesels.
Le rapport de puissance MOTEUR devrait-être de 2 pour avoir «un bon groupe électrogène»*
GENERATRICE 1
* c’est à dire un groupe capable de fournir sa puissance électrique annoncée !
On peut dire que pour produire 1 Kw/h de courant il faut un moteur thermique de 2 Kw ou 2,7 cv.
Ce principe permet :
- D’avoir une réserve de couple au niveau du moteur thermique.
- D’assurer le démarrage d’un appareil électrique, qui peut être constitué, cas 1, que de résistances (chauffage, ampoules électriques etc), ou cas 2, constitué de bobines, condensateur (moteur, lampes fluorescentes etc).
Dans le premier cas, il n’y a pas de déphasage entre la tension (V) et l’intensité (A), le facteur de puissance est égal à 1.
Dans le deuxième cas il y a déphasage entre la tension et l’intensité, elles sont donc décalées***, le facteur de puissance devient inférieur à 1.
Ceci signifie que plus le facteur de puissance devient petit, plus la différence entre la puissance apparente (VA) et la puissance réelle (W) devient importante.
On parle donc à ce moment de Volt / Ampère, la puissance nominale du groupe « devrait » alors être indiquée en KVA et non en KW !
*** ce coéfficiant ou cosinus phi, réduit la puissance du moteur. La puissance du moteur électrique à démarrer se définira donc ainsi :
P = U x I x Cosinus phi (cos φ) où P = W, U = V, I = A.
Le groupe électrogène devra fournir la puissance apparente, soit la puissance selon la formule P = U x I car les pertes du moteur ne dépendent pas du groupe.
Si on dispose de la puissance du moteur à démarrer, il faut diviser celle-ci par le cosinus phi, pour connaître la puissance que devra fournir le groupe.
Exemple : Un moteur électrique de 2000W a un cosinus φ = 0,8
La puissance nécessaire du groupe pour le démarrer sera de 2000 : 0,8 = 2500 VA !
3/12
b)-La qualité du courant
Le courant produit est proche « du courant EDF », 220/380V sous 50 Hz/s » (Hertz/seconde) mais avec quelques distorsions. Le courant devra donc être régulé.
Si une période correspond à un tour, à raison de 50 périodes par secondes, il faut que le moteur thermique qui entraîne la génératrice, tourne à une vitesse « stabilisée » d’environ 3000 Tr/minute.
Calcul : 50 Hz/s x 60 s = 3000 Tr/mn. (on tolère plus ou moins 100 tr).
Rappel, dans ces conditions, il ne faut pas « titiller » le régulateur du moteur, car la montée en tours du moteur provoque une montée en fréquence importante et peut avoir des conséquences graves :
-pour la génératrice qui peut « griller » par fonte des vernis isolants les fils des enroulements
-pour un appareil qui se trouverait branché à ce moment là et serait obligé de fonctionner sous une tension et fréquence trop élevée, déteriorant ces circuits électriques.
On constate donc que lorsque le groupe électrogène doit alimenter un « moteur série », sa puissance électrique de sortie doit être de 1 à 1,5 la puissance du moteur à alimenter, mais quand le groupe doit alimenter « un moteur shunt », la puissance du groupe doit être de 2,5 à 5 fois supérieure à celle du groupe.
Prenons l’exemple d’un congélateur.
Sa puissance indiquée 500 Watts, on constate qu’il a une une consommation 5 fois plus élevée au démarrage (moteur + compresseur).
Donc ce congélateur demande au démarrage un courant de 500 X 5 = 2500 Watts.
Si le groupe est sous dimentionné l’appareil ne démarre pas, il s’en suit une phase ou
l’appareil « grogne » en ne réussissant pas à prendre sa vitesse de rotation. Puis le moteur électrique chauffe, le groupe électrogène qui est en sur-charge, chauffe. Ces surcharges
« fatiguent » les condensateurs et les diodes et l’alternateur (car les surcharges brèves
n’entraînent pas toujours le déclanchement du thermocontact !)
c)- La régulation des groupes électrogènes 1) la technologie classique :
Le régime du moteur détermine la fréquence du courant, et l’alternateur la qualité du courant.
On corrige ce dernier par le CONDENSATEUR ou l’ AVR .
Le condensateur (ou le transformateur utilisé pour les plus fortes puissances) assure un courant de bonne qualité. Sa distorsion harmonique, représentant l’écart de la courbe produite par rapport à celle d’un courant parfait, est relativement forte, ce qui rend les groupes électrogènes corrigés par condensateur difficilement compatibles avec les matériels à usage audio/vidéo ou informatique par exemple.
L’ AVR est un système de régulation électronique automatique de la tension en fonction de la charge appliquée au groupe électrogène. La qualité de ce courant rend ces groupes électrogènes compatibles avec la plupart des appareils.
2) la technologie « INVERTER » :
Elle ne consiste plus à corriger le courant de la génératrice, mais à retraiter complètement et
électroniquement ce courant de base de l’alternateur pour approcher le courant sinusoïdal parfait.
Ainsi, la fréquence du courant ne dépend plus de la vitesse moteur, mais d’une horloge électronique.
L’ INVERTER (développée par Honda) permet aussi l’asservissement du régime moteur à la
demande de courant. 4/12
IV-Utilisation des groupes électrogènes
« S’assurer que le groupe correspond à l’utilisation prévue » a) L’entretien de base
-Le filtre à air est un point sensible, souvent de grande dimension, ildoit être toujours parfaitement propre, certains sont à bain d’huile pour être plus efficace.
-Le groupe doit démarrer vite, la bougie doit être parfaitement propre et réglée.
-Le réservoir doit être périodiquement nettoyé pour eviter les impuretés qui bouchent les gicleurs.
-Les groupes tournent parfois en continu et consomment beaucoup d’huile, la plupart des fabricants ont choisi des moteurs munis d’un système de surveillance du niveau d’huile (il coupe le moteur en cas d’alerte de niveau trop bas).
-Ne jamais laver un groupe à grande eau (d’autant plus s’il est en marche !) -Aucun élément de sécurité ne doit être absent ou déterioré
-De plus, les câbles se comportant comme des résistances, il faut vérifier si leur longueur et leur section vont permettre de bien transmettre la puissance fournie.
b) Exemple de « groupe électrogène domestique »
C’est généralement un petit groupe de 1 à 2 KVA, capable de satisfaire à la fourniture d’énergie d’un petit pavillon ou d’un commerce ambulant. Il est portable et en général insonnorisé.
5/12
c) Les « groupes semi-industriels »
Leur puissance est généralement supérieure à 2 KWA et peut aller jusqu’à 10 KWA. Ils sont encore faciles à déplacer, le moteur et la génératrice sont insérés dans un cadre porteur, certains sont aussi insonnorisés (ce qui augmentent leur prix !). Cette architecture permet une visualisation de tous les éléments et rend l’entretien plus facile.
Exemples ci-dessous de groupes communément appelés « groupe de chantier »
6/12
V- Technologie des groupes
a) exemples de génératrices avec balais
1) type à bobinage rapporté 2) type à noyau bobiné
b) Exemple génératrice sans balais
L’éclaté ci-dessous montre une génératrice sans balais, donc à induction magnétique. Cette technologie est la plus employée aujourd’hui.
Dans « le bas de gamme » on utilise encore des génératrices à balais et charbons.
Ici on voit que la régulation sera assurée par condensateur, actuellement c’est le système à boitier électronique « de type AVR » qui est le plus employé.
Le principe de montage est pratiquement toujours le même, l’ensemble carter de la génératrice est fixée au carter du moteur. Le rotor de la génératrice se monte sur un cône en bout du vilebrequin du moteur, une grande vis (serrée au couple) le traverse pour venir le serrer sur le cône.
L’ensemble repose dans un cadre support, qui sera totalement fermé pour les groupes insonorisés et partiellement ouvert pour les autres groupes.
Le pont de diodes situé dans l’unité AVR redresse le courant venant de la bobine d’amoçage. Ce courant DC (direct continu) est appliqué à la bobine de champ par l’intermédiaire du porte balai et du charbon. Le rotor se magnétise.
La circulation du flux magnétique dans le rotor, induit une tension dans les bobines du stator.
Le courant induit dans la bobine d’excitation est redressé par un pont de diodes situé dans l’AVR. Ce courant DC est appliqué à la bobine de champ, parallèlement avec le courant redressé de la bobine d’amorçage.
Lorsque l’alternateur atteint sa vitesse normale de rotation, la tension induite dans la bobine principale atteint sa valeur d’utilisation
Le rotor est fortement magnétisé
Lorsque le volant magnétique du moteur tourne, un courant est induit dans la bobine d’amorçage et va à
l’unité AVR Lorsque le moteur tourne, les aimants du rotor induisent
un courant dans la bobine d’excitation
Après avoir été redressé par un pont de diodes situé dans le bloc AVR, le courant provenant de la bobine
d’excitation alimente la bobine de champ qui magnétise le rotor
Le flux magnétique du rotor excite la bobine principale et la bobine d’ecxitation
Le courant de nouveau induit dans la bobine d’excitation est appliqué à l’AVR et redressé par un pont de diodes Ce courant redressé passe dans la bobine de champ et le rotor se trouve fortement magnétisé
Lorsque le moteur a atteint sa vitesse normale de rotation, la tension induite dans l’enroulement principal atteint sa valeur d’utilisation
7/12
Principe de fonctionnement d'un alternateur sans balai (exemple)
1-Quand le rotor commence de tourner, le flux magnétique produit par les aimants permanents du rotor engendre une tension induite dans la bobine du condensateur. Cette tension est stockée dans le condensateur.
2-La tension stockée passe dans la bobine du condensateur, celle-ci crée un champ
magnétique, qui à son tour va engendrer une tension induite dans la bobine de champ
(rotor). la circulation du courant dans la bobine de champ se fait dans un
seul sens. Celui-ci est déterminé par la diode. Le flux magnétique produit par la bobine de champ s'ajoute à celui des aimants permanents, ainsi le rotor est magnétisé.
3-le rotor continu de tourner, une tension plus élevée est induite dans la bobine du
condensateur et le charge. Quand le
condensateur se décharge dans sqa bobine, le champ magnétique devient plus important, le rotor devient un aimant plus puissant!
4-En résumé le rotor produit un champ magnétique qui engendre une tension induite dans la bobine principale. Ce phénomène répété, est à l'origine de la tension induite dans la bobine principale, elle augmente donc graduellement. Quand le moteur atteint sa vitesse normale, la tension se stabilise à la tension d'utilisation
Lorsqu'on connecte un consommateur aux bornes, la tension va chuter proportionnellement à la valeur de la charge. Un flux magnétique est crée par la bobine principale.
A Noter que la plupart des groupes sont capables de fournir du courant continu, ce qui permet de recharger des batteries par exemple. Le « tableau de bord » est généralement muni de deux prises électriques normalisées et une prise spécifique à deux broches pour déliver du courant continu.
NE JAMAIS PRENDRE L’INITIATIVE DE RELIER LE GROUPE AU RESEAU EDF Il peut y avoir un réel DANGER DE MORT : Seul un électricien confirmé peut le faire sous certaines conditions
8/12
c) Génératrices avec la technologie INVERTER :
1- Cette technologie récente a permis de faire des groupes beaucoup plus compacts et légers (rapport / puissance).
La taille de la génératrice est réduite, elle peut tenir dans le volant
magnétique, elle est multipôles, le courant triphasé qu’elle fabrique est complètement « remixé ».
Ainsi, la fréquence du courant ne dépend plus de la vitesse moteur, mais d’une horloge électronique. Cette horloge retraite le courant fabriqué pour
« approcher le courant sinusoïdal parfait ». Comme on l’a vu ce système correspond plus à la fourniture de courant aux systèmes électroniques de toutes sortes.
2- La technologie Inverter apporte aussi l'asservissement du régime du moteur du groupe en fonction de la puissance électrique absorbée. ( par l’appareil raccordé à la prise électrique du groupe). La fréquence du courant généré ne dépend plus du régime moteur. Le moteur peut donc adapter sa vitesse et il ne tourne plus en permanence à plein régime. Un moteur « pas à pas » est installé sur le volet d’admission du carburateur.
La vitesse de rotation du moteur ne sera donc plus à régler en fonction de la fréquence du courant. Le moteur thermique de ce groupe tourne à une vitesse normale.
Ceci fait réaliser des économies de carburant et donne une plus grande autonomie.
3- Principe schématique de fonctionnement de l’Inverter, les différents composants.
9/12
Fonction de l’inverseur PWM : modulation d’impulsion (la fréquence de commutation est de 200000 fois par seconde !)
Durant la rotation du rotor, l’alimentation en courant alternatif (triphasé) est produite dans le principal enroulement CA, puis redressée en courant continu dans le circuit de redressement et de stabilisation.
Dans ce circuit la tension est stabilisée en même temps.
L’inverseur PWM donne une onde de courant alternatif carrée (monophasée) à fréquence très élevée.
L’onde carrée produite par l’inverseur est remise en forme par le filtre de manière à obtenir une onde sinusoïdale de 50 Hz pratiquement parfaite
Annexe 1
Bien choisir son groupe électrogène : « c’est d’abord bien déterminer son (ses) besoin(s) de puissance » Pour alimenter un appareil, il faut fournir la puissance indispensable au démarrage, toujours
supérieure à celle indiquée (nominale).
De plus, les câbles se comportant comme des résistances, il faut vérifier si leur longueur et leur section vont permettre de bien transmettre la puissance fournie.
Annexe 2
Les Groupes électrogènes et la sécurité
Les groupes font partie d’appareils classés en « énergie / chauffage » 506.01 à 506.06 groupes électrogènes
Ils sont soumis à l’autocertification directive machine 98 / 37 CE Normes européennes générales.
EN 292-1-2, EN294
Mesure du niveau sonore de pression et puissance acoustique selon les directives CEE 79 / 133, CEE 81 / 1051.
Les résultats sont transmis au Ministère de l’Environnement qui donne l’homologation.
Dans la nouvelle directive machine 2009, les groupes de moins de 400 Kw ne devraient être soumis qu’au marquage.
10/12
Annexe 3
Glosaire courant et groupes électrogène
Courant alternatif (AC)
Courant qui varie, allant de zéro jusqu'à un maximum positif, revient à zéro et varie jusqu'à un maximum négatif un certain nombre de fois par seconde. Ce nombre est exprimé en cycles par seconde de Hertz (HZ).
Alternateur
Dispositif qui transforme l'énergie mécanique en énergie électrique.
Ampérage
Puissance ou intensité d'un courant électrique, mesurée en ampères (A).
Balai
Élément conducteur, d'habitude fait en graphite et/ou en cuivre, qui maintient un contact électrique glissant entre un élément fixe et un élément mobile.
Bobine d'allumage
Dispositif qui sert à fournir une tension continue aux bougies d'allumage.
Conducteur
Fil ou câble conçu pour laisser passer le courant électrique.
Contacteur
En général, un contacteur est un commutateur à fonctionnement électrique utilisé d'habitude dans des circuits de commande et dont les contacts sont considérés de forte intensité comparativement à un relais.
Courant
Débit de l'électricité.
Cycle
Inversion complète de la tension du courant alternatif, de zéro à un maximum positif et de ce maximum positif à zéro, puis de zéro à un maximum négatif avant de revenir à zéro. Le nombre de cycles par seconde, c'est la fréquence, exprimée en Hertz (HZ).
Diode
Dispositif à semi-conducteur qui permet au courant de circuler dans un seul sens. Vu qu'elle ne permet qu'une moitié du cycle de courant alternatif, il en résulte un courant unidirectionnel. Donc, on peut la considérer un élément de redressement.
Pont de diodes
Ensemble de diodes disposées de façon à redresser les deux alternances d’un courant et donc en faire un courant continu
Commande de ralenti
Dispositif de régulation de la vitesse de ralenti du moteur ayant un lien direct avec la charge électrique.
Courant continu (CC)
Courant électrique qui ne circule que dans un seul sens. Le courant continu est produit par une action chimique (c.-à-d. batterie d'accumulateurs) ou par induction électromagnétique.
Dynamo
Machine qui transforme l'énergie mécanique en énergie électrique par induction électromagnétique - génératrice.
Enroulement
L'ensemble de bobines d'une génératrice. L'enroulement du stator consiste en plusieurs bobines de stator, avec leurs interconnexions.
L'enroulement du rotor est formé de l'ensemble d'enroulements et de connexions situées sur les axes du
Force électromotrice (FEM)
La force qui fait circuler le courant dans un conducteur. En d'autres mots, tension ou potentiel.
Génératrice
Nom général donné à un appareil qui transforme l'énergie mécanique en énergie électrique. L'énergie électrique peut être le courant continu (CC) ou le courant alternatif (CA).
NE JAMAIS PRENDRE L’INITIATIVE DE RELIER LE GROUPE AU RESEAU EDF
Il peut y avoir un réel DANGER DE MORT : Seul un électricien confirmé peut le faire sous certaines conditions.
11/12
Mise à la terre
Connexion intentionnelle ou accidentelle entre un circuit électrique et la terre ou un dispositif conducteur qui remplace la terre.
Magnéto
Alternateur muni d'aimants permanents qui sert à générer du courant pour l'allumage à l'intérieur d'un moteur à combustion interne.
Monophasé
Charge de courant alternatif ou source d'alimentation en énergie ayant normalement seulement deux bornes d'entrée s'il s'agit d'une charge ou deux bornes de sortie s'il s'agit d'une source.
Montage antivibratile
Dispositif en caoutchouc placé entre le moteur ou la génératrice et le châssis pour réduire au minimum la vibration.
Noyau
Tôles contenues dans la génératrice qui en forment la structure magnétique.
Ohm
Unité de mesure de la résistance électrique. Un volt produira un courant d'un ampère entre deux points d'un conducteur ayant une résistance d'un ohm.
Phase
Variation périodique uniforme de l'amplitude ou de la magnitude du courant alternatif. Le courant alternatif triphasé consiste en trois ondes sinusoïdales entre lesquelles il y a un décalage de 120 degrés.
Redresseur
Dispositif qui transforme le courant alternatif en courant continu.
Redresseur du chargeur de batterie
Composante qui transforme la tension alternative provenant de l'enroulement de chargement de batterie (situé à l'intérieur du STATOR) en tension continue. Cette tension pourrait servir au chargement d'une batterie.
Régulateur de tension
Composante qui maintient automatiquement la bonne tension de la génératrice en exerçant un contrôle sur la quantité de courant continu d'excitation vers le rotor.
Relais
En général, un relais est un commutateur à fonctionnement électrique utilisé d'habitude dans des circuits de commande et dont les contacts sont considérés de faible intensité comparativement à un contacteur.
Résistance
Opposition à la circulation du courant.
Rotor
Élément rotatif d'une génératrice.
Stator
Partie fixe d'une génératrice
Système de transfert d'énergie
Système qui permet le branchement sécuritaire d'une génératrice au circuit électrique d'une maison.
Tension
Différence de potentiel électrique, exprimée en volts.
Tension nominale
La tension nominale d'un groupe électrogène d'un moteur, c'est la tension prévue à laquelle il doit fonctionner.
Vitesse nominale
Régime de fonctionnement prévu du groupe électrogène.
Volt
Unité de mesure de la force électromotrice. La force électromotrice qui, uniformément appliquée à un conducteur ayant une résistance d'un ohm, produira un courant d'un ampère.
Watt
Unité de mesure de la puissance électrique. En courant continu, c'est l'équivalent du nombre de volts multiplié par le nombre d'ampères. En courant alternatif, c'est l'équivalent du nombre de volts de tension effective multiplié par le nombre d'ampères d'intensité effective multiplié par un facteur de puissance multiplié par le nombre de phases. 1 kilowatt - 1 000 watts.
12/12
1
LES ACCUMULATEURS
2 A. GÉNÉRALITÉS ... 4 B. LES GRANDEURS ÉLECTRIQUES DES ACCUS ... 5 1. La capacité... 5 2. La tension ... 5 3. La résistance interne ... 5 C. LE FONCTIONNEMENT D´UN ACCU ... 6 4. La charge. ... 6 5. La surcharge. ... 6 6. La décharge. ... 6 7. L'auto décharge. ... 6 D. LES DIFFERENTS TYPES D'ACCUS AU PLOMB. ... 7 8. Qu'est-ce qu'une batterie ouverte? Qu'est-ce qu'une batterie étanche? ... 7 9. Les accus à électrolyte liquide : ... 7 10. Les accus à électrolyte stabilisé : ... 8 11. Avantages : ... 8 12. Inconvénients : ... 8 E. LA CHARGE DES BATTERIES AU PLOMB ... 9 13. A retenir : ... 9 14. Tension nominale : ... 9 15. Tension de floating : ... 9 16. Tension de recharge : ... 9 17. Intensité de charge : ... 9 18. La procédure : ... 9 19. Le premier mode ... 9 20. Le deuxième mode ... 10 21. Un point important sur les chargeurs ... 10 F. LA DÉCHARGE DES BATTERIES AU PLOMB ... 10 22. Tension d'arrêt : ... 10 23. Intensité de décharge : ... 10 24. Capacité restituée : ... 11 G. LES CONDITIONS D´UTILISATION DES BATTERIES AU PLOMB... 11 25. En régime de décharge : ... 11 26. En régime de charge : ... 11 H. LES PRÉCAUTIONS AVEC LES ACCUS AU PLOMB ... 12 I. CHOISIR UN ACCU ... 13 J. Application aux panneaux photovoltaïques. ... 15
3 Caractéristiques ... 15 Acide plomb liquide ... 15 Acide plomb liquide stationnaire ... 15 Acide plomb AGM ... 16 Acide plomb GEL ... 16 K. POURQUOI LES BATTERIES AUTOMOBILES NE PEUVENT PAS ÊTRE UTILISÉES ? ... 16 L. AUTONOMIE... 17 27. REGIME DE RECHARGE STANDARD IOU(IUU). ... 17 28. REGIME DE RECHARGE STANDARD IU. ... 17 29. REGIME DE RECHARGE EN TECHNIQUE PHOTOVOLTAÏQUE. ... 18 M. Le régulateur de charge photovoltaïque ... 18 30. SHUNT ET SERIE. ... 18 31. COMPENSATION DE TEMPERATURE. ... 19 32. MODULATION DE LARGEUR D’IMPULSION (PWM). ... 19 33. LOGICIEL. ... 20 34. GESTION DE LA CHARGE DE REGENERATION. ... 20 35. REGIMES ET TENSIONS DE RECHARGE EN TECHNIQUE PHOTOVOLTAÏQUE. ... 20 N. LA BATTERIE LI-ION BOULEVERSE L'AUTOMOBILE ... 22 Une encre secrète ... 22 Durée de vie ... 23 O. LA THÉORIE DES SUPER CONDENSATEURS ... 24
25/01/08 : La production de supercondensateurs en France est opérationnelle ... 24
16/04/07 : Un supercondensateur stockant presque aussi bien que le plomb ... 24
06/11/06 : Les ventes de supercondensateurs décollent ... 24
27/10/06 : Des accus rechargeables en quelques secondes : la revanche de Faraday sur Volta 24
15/06/06 : Un supercondensateur à forte capacité ... 24
23/02/06 : Cap-XX: des supercapas extraplates : jusqu'à 2,8 farads... 24 P. LA THÉORIE DES PILES À COMBUSTIBLES ... 25
24/06/08 : La pile à combustible française portable pour 2010 ? ... 25
04/06/08 : Lancement du programme européen de R&D sur la pile à combustible ... 25
23/05/08 : La pile à combustible française portable pour 2010 ? ... 25
16/03/08 : La pile à combustible prête pour les appareils photos? ... 25
16/01/08 : Angstrom Power valide une pile à combustible avec un téléphone portable ... 25
27/11/07 : Un polymère conducteur pour les piles à combustibles ... 25
4
LES ACCUMULATEURS A. GÉNÉRALITÉS
Une pile est un élément non rechargeable.
Contrairement à la langue anglaise qui n'a qu'un seul mot " battery " pour englober les éléments rechargeables et non rechargeables, la langue française fait la distinction.
Pour des éléments rechargeables on utilise les termes d'accumulateurs et de batteries.
"Accumulateur" désigne plutôt un élément seul.
"Batterie" désignera un groupe d'éléments assemblés constituant une "batterie d'accumulateurs".
Dans votre voiture vous avez une batterie 12V qui est en fait constituée de 6 accumulateurs au plomb de 2V chacun.
Les termes "batterie" et "accumulateur" désignent donc des (petits) réservoirs qui peuvent emmagasiner de l'énergie pour la restituer ultérieurement. L'énergie est stockée sous forme chimique. C'est la modification chimique d'un mélange appelé électrolyte qui permet d'accumuler ou de restituer cette énergie.
Il existe différents types de mélanges chimiques qui possèdent cette capacité d'accumuler et de restituer de l'énergie.
Les plus utilisés actuellement sont :
- Le Plomb (mélange plomb-acide). Les batteries au plomb sont par exemple celles qui équipent nos voitures et qui donnent l'énergie nécessaire au démarrage.
Les batteries au plomb sont robustes et puissantes. Elles sont souvent utilisées dans les applications où le poids et le volume ne sont pas trop pénalisants ou quand il y a besoin d'une grande quantité d'énergie.
- Le Nickel (mélange Nickel-Cadmium 'Ni-Cd' ou Nickel Hydrure-Métallique 'Ni-MH'). Les accus au nickel sont aujourd'hui les plus répandus dans tous les appareils transportables.
Les accus à base de Nickel sont eux plus souples d'utilisation. Ils sont très utilisés pour les outillages portatifs sans fil, les caméscopes, les lecteurs audio divers, les GSM, les PC portables, dans le monde des radios-modélistes et bien sûr dans les Appareils Photo Numériques.
- Le Lithium sous forme ionique (mélange Lithium-Ion 'Li-ion' ou Lithium-polymère 'Li-po'). C'est la dernière génération plus légère et plus chère. On retrouve les accus au lithium dans les téléphones portables haut de gamme et dans les PC portables.
Les accus au lithium sont très variés, très complexes et nécessitent systématiquement un chargeur spécialisé généralement fourni avec l'accu. Il ne faut pas « jouer » avec les accus au Lithium car il y a de très grands risques d'explosion en cas d'erreur de charge.
5
B. LES GRANDEURS ÉLECTRIQUES DES ACCUS
Ce sont les paramètres principaux qu'on détaillera ensuite pour chaque technologie. Ce sont eux qui permettent de comparer les accus entre eux.
1. La capacité.
Toutes technologies confondues, la caractéristique principale d'un accumulateur, c'est la capacité.
La capacité d'un accu c'est la quantité d'énergie qu'il est à même d'emmagasiner, et donc celle qu'il est capable de restituer.
Cette capacité s'exprime en Ampères-heures, symbole Ah.
Un accumulateur de 2Ah est capable de restituer 2A pendant 1h ou 1A pendant 2h ou 0,5A pendant 4h etc.
Un sous multiple couramment utilisé le milliampère-heure (symbole mAh). 1Ah = 1000 mAh.
La capacité se confond significativement avec l'autonomie de l'accu.
Cette capacité varie en fonction des technologies, de quelques dizaines de mAh pour des accus bouton Ni-Cd à plus de 4000Ah pour des batteries au plomb.
Il faut savoir que la capacité restituée par un accu n'est pas constante, même à charge égale. La capacité restituée dépend des conditions de décharge.
Plus il fera froid et plus vous demanderez un courant important, plus la capacité de l'accu sera faible, et inversement.
Pour une même technologie la capacité d'un élément est proportionnelle à son volume.
Par contre pour deux technologies différentes, à même capacité, les volumes ne sont pas du tout les mêmes. Ce rapport capacité / volume poids est caractérisé par la densité d'énergie exprimée en Wh/kg aussi appelé facteur de mérite.
On parlera souvent dans le texte de la capacité nominale d'un accu (notée C ou Cn).
C'est tout simplement la capacité indiquée sur le boîtier de l'élément. Elle est donnée par le fabricant et elle est normalement calculée conformément à une norme.
2. La tension
La tension d'un accumulateur varie en fonction de la technologie. On parle là aussi de tension nominale.
C'est une valeur moyenne de la tension de l'accu en phase de décharge. Mais il faut savoir qu’en fonctionnement la valeur de cette tension varie au cours du temps et de l'utilisation. Ces variations dépendant de chaque technologie, elles seront abordées un peu plus loin dans ce document.
Tensions nominales d'un élément pour les technologies principales : Plomb : 2V
Nickel : 1,2V Lithium : 3,6V
Alcaline rechargeable : 1,3V
Les variations de cette tension sont en partie dues aux conséquences de la résistance interne de l'accu.
3. La résistance interne
La résistance interne est une caractéristique pénalisante de l'élément accumulateur. C'est elle qui provoque la chute de la tension de l'accu lorsqu'on augmente le courant consommé.
La résistance interne est due en partie aux connexions internes, à l'inertie de la réaction chimique, aux circuits de protection intégrés dans l'élément pour certains accus. La valeur de cette résistance est généralement de quelques centaines de milliohms (mΩ).
6
C. LE FONCTIONNEMENT D´UN ACCU
Quelque soit la technologie,
les accumulateurs passent par deux phases obligatoires : La charge et la décharge.
C'est le principe même de ces matériels. On stocke de l'énergie dedans (charge) pour pouvoir l'utiliser ultérieurement (décharge).
4. La charge.
La charge est donc la phase de stockage d'énergie dans l'accu : On remplit le réservoir.
La phase de charge consiste à convertir de l'énergie électrique en énergie chimique stockée dans un récipient.
Généralement on utilise un appareil spécialisé, le chargeur, pour effectuer ce remplissage.
Les modes de charges sont différents d'une technologie à l'autre. Il n'est donc pas possible d'utiliser un chargeur construit pour une technologie particulière pour recharger un accu d'une autre technologie.
La charge comme toute phase de conversion d'énergie ne se fait pas sans pertes. Le rendement de la charge n'est donc pas de 1 mais il oscille plutôt entre 0,5 et 0,75 en fonction des technologies et du mode de charge. Il faut donc plus d'énergie pour charger un accu qu'il ne sera capable d'en restituer.
5. La surcharge.
Lorsque la charge est terminée, si elle n'est pas arrêtée, l'accu passe en surcharge.
Quand le réservoir est plein il déborde...
Les effets produits par la surcharge sont divers et variés, ils dépendent de la technologie mise en œuvre et du mode de charge. Cela peut aller d'une simple élévation de température sans conséquence, à la destruction partielle de l'accu, voire à une explosion de l'élément.
C'est la surcharge qui est notamment à l'origine des fameux problèmes " d'effet mémoire " en Ni-Cd.
6. La décharge.
Une fois que la charge est terminée, que l'accu est plein, on peut utiliser l'énergie qui y est stockée.
On entre en phase de décharge.
L'énergie chimique latente se transforme alors en énergie électrique. L'élément fourni de l'électricité tant qu'on lui en demande et qu'il lui reste de l'énergie chimique. Mais cela pose un problème. En effet si on laisse un accu branché trop longtemps en décharge sur un circuit, il va trop se décharger. Il va " s'éteindre
" et il ne sera plus possible de le recharger.
Si vous l'oubliez trop longtemps en décharge vous allez désamorcer le système chimique d'échange d'électricité mis en œuvre lors de la décharge et de charge. L'accu est mort...
Donc dans tous les cas n'oubliez pas vos accus, et ne faites pas des décharges trop " profondes ", car même si vous n'allez pas jusqu'à la mort de l'accu, vous le ferez vieillir prématurément.
Pendant la phase de décharge l'accu se comporte comme tout générateur électrique. La tension disponible à ses bornes évolue en fonction du courant consommé du fait de sa résistance interne.
A la fin de la décharge, quand l'accumulateur est vide, on constate une chute brutale de la tension.
7. L'auto décharge.
Souvent lorsqu'on utilise des accumulateurs, on prend la précaution de les charger à l'avance dans le but de les utiliser plus tard.
7 Attention, c'est sans compter avec un phénomène là encore inhérent aux accus : l'auto décharge.
Là c'est facile à comprendre, c'est exactement comme si l'accu avait une fuite. Il se vide petit à petit même si on ne s'en sert pas.
Le taux de perte de capacité (par mois, ci-dessous) varie en fonction de la technologie.
- Plomb : 5%
- Lithium : 10%
- Ni-Cd : 20%
- Ni-MH : 30%
Il faut savoir en plus que l'auto décharge est plus élevée au cours des premières 24h qui suivent la charge et diminue par la suite. L'auto décharge augmente avec l'âge de l'accu et avec la température.
D. LES DIFFERENTS TYPES D'ACCUS AU PLOMB.
Il y a en gros deux types d'accus au plomb :
Les accus à électrolyte liquide
les accus à électrolyte stabilisé, souvent improprement nommés : ' au gel '.
8. Qu'est-ce qu'une batterie ouverte? Qu'est-ce qu'une batterie étanche?
Les batteries "ouvertes" contiennent de l'électrolyte liquide alors que dans les batteries étanches, l'électrolyte peut être gélifié ou absorbé en matière microporeuse (AGM). Dans une batterie AGM, les porteurs de charge se déplacent plus facilement entre les plaques que dans une batterie gel. C'est pourquoi une batterie AGM est plus adaptée pour fournir un courant très élevé de courte durée qu'une batterie gel.
Il est normal qu'un bouillonnement apparaisse en fin de charge d'une batterie "ouverte". Il s'agit d'oxygène et d'hydrogène qui se dégagent.
Pour les batteries étanches, l'oxygène qui se forme sur les plaques positives se déplace vers les plaques négatives où, après une réaction chimique, il se combine à nouveau à l'hydrogène pour reformer de l'eau.
On peut parler de recombinaison de gaz.
Il ne doit y avoir pratiquement aucun dégagement gazeux d'une batterie étanche. Si cependant cela se produit, l'explication se trouve dans un courant de charge et une tension trop élevés.
9. Les accus à électrolyte liquide :
Comme leur nom peut le laisser supposer, la solution eau + acide sulfurique est...liquide et chaque élément de batterie est un récipient dans lequel baigne le millefeuille que constitue l'alternance des plaques positives et négatives séparées par des entretoises isolantes.
Comme cette sauce est quelque peu corrosive, on ferme le récipient avec un bouchon et on obtient ce que vous pouvez trouver sous le capot des voitures depuis près d'un siècle !
Ce type d'accu a ses avantages et ses inconvénients : Avantages :
La construction est simple (donc pas chère) ;
les méthodes de recharge et l'entretien peuvent être disons ' rustiques ' (possibilité de rajouter de l'eau) ;
le stockage avant la première utilisation est plus facile car on peut stocker séparément l'électrolyte et les batteries.
8 Inconvénients :
Le principal est qu'elle n'est pas étanche.
Le bouchon doit être percé d'un évent afin de permettre le dégagement des gaz, ce dégagement de gaz est un mélange dans les proportions idéales (2 pour 1) d'Hydrogène et d'Oxygène que la moindre étincelle fera détonner (il suffit de 4% de mélange dans l'atmosphère pour qu'il y ait risque d'explosion).
Cette batterie doit être utilisée à plat, sinon l'électrolyte s'écoule par le trou du bouchon et en prime les plaques ne sont plus immergées.
Méfiez vous de certaines batteries automobiles dites sans entretien où il n'y a pas de bouchon visible ; il existe toujours, sous une autre forme (généralement une plaque sous un adhésif) avec son évent et toutes les conséquences qui s'en suivent.
10. Les accus à électrolyte stabilisé : Et c'est la ou on retrouve une subdivision :
les accus à électrolyte réellement gélifié (Gel Cell)
et les accus à électrolyte stabilisé qui selon les fabricants seront appelés VRLA (Valve Regulated Lead Acid) ou AGM (Absorbant Glass Material).
En Français on parle de batteries à recombinaison de gaz.
Le principe et les critères de fonctionnement sont les mêmes dans les deux cas :
Les batteries gélifiées sont un peu plus anciennes de conception (dans les années 70) mais n'ont que peu évolué depuis.
L'électrolyte est piégé, disons pour simplifier, dans une sorte de papier buvard (ou un gélifiant) qui dans le millefeuille va remplacer les entretoises de la batterie à électrolyte liquide.
La quantité d'électrolyte est dosée de telle façon qu'il n'y ait pas d'excédent de liquide.
Le bouchon n'est plus percé mais il est au contraire étanche ;
en fait c'est une soupape (Valve) qui ne s'ouvrira que s’il y a surpression (environ 500g).
11. Avantages :
Aucun entretien durant toute la durée de vie de la batterie si elle est bien traitée.
Une étanchéité totale : la batterie peut fonctionner dans toutes les positions (évitez tout de même la tête en bas en permanence !) et même en cas de casse du bac l'écoulement d'électrolyte est (devrait être) nul.
Du fait aussi de l'étanchéité il n'y a aucun dégagement de gaz (dans les conditions normales).
Le taux d'autodécharge est relativement faible et la durée de vie peut atteindre 15 ans sur des produits haut de gamme.
12. Inconvénients :
C'est un produit beaucoup plus technique (donc plus cher) et qui de ce fait nécessite une beaucoup plus grande attention à tous les niveaux :
Choix de la batterie en fonction de l'utilisation projetée ;
Respect des critères de charge/décharge tant pour les intensités que pour la température.
Petits points de détail entre le gel et l'AGM : Le gel est généralement plus cher, son taux d'autodécharge est un peu plus important et sa résistance interne aussi un peu plus importante.
9
E. LA CHARGE DES BATTERIES AU PLOMB
13. A retenir :
Avec les accus au plomb, toutes les valeurs de référence (fin de charge et de décharge) sont des tensions.
L'unité de base est l'élément dont on dit toujours que la tension est de 2V. La suite va nous montrer que c'est loin d'être suffisamment précis.
Toutes les valeurs ci dessous même si elles ne sont pas exactement optimisées en fonction des marques peuvent être employées sans risque pour tous les accus au plomb étanche à électrolyte stabilisé qu'ils soient nommés VRLA ou AGM etc....
C'est également valable pour les batteries de démarrage à électrolyte liquide de type sans entretien.
14. Tension nominale :
Tension d'un élément chargé au repos à 25°C : 2.1V/Elt. Soit 12.6V pour la traditionnelle batterie dite de 12V. C'est ce que vous devez lire (à la précision de la mesure près) sur une batterie que vous avez chargée et ensuite débranchée pendant une nuit.
15. Tension de floating :
Tension à laquelle on peut maintenir en permanence un accu pour être sur qu'il soit chargé au moment où en a besoin : 2.25 à 2.28/Elt. à 25°C. Cette valeur devrait être corrigée de 0.005V en plus ou en moins par degré centigrade selon que la température descend ou monte.
A -10°C c'est 2.36V et à +40°C 2.21V.
Vous devez aussi trouver sur les sites constructeurs un abaque résumant ces valeurs.
Soit pour résumer : 14.6V à -10°C 13.6V à +25°C et 13.2V à +40°C.
Le terme floating est employé classiquement mais en bon Français, on devrait dire charge d'entretien.
16. Tension de recharge :
Tension maximum à laquelle on peut charger la batterie (mais pas la laisser en permanence).
2.3 à 2.4V/Elt toujours à 25°C et avec le même coefficient de température de 0.005V/°C.
Soit 13.8 à 14.4V pour un bloc 12V à 25°C.
Attention : cette tension est une valeur maximum et si votre chargeur n'est pas de bonne qualité (voir de qualité moyenne) il aura superposée à la tension continue de sortie une ondulation résiduelle due à un mauvais filtrage. La valeur de crête de cette ondulation résiduelle n'est visible qu'a l'oscilloscope et pas avec un multimètre et pourtant, c'est elle que la batterie 'voit'.
17. Intensité de charge :
Une valeur facile à retenir est 1/5 de la capacité nominale en 20 heures. Donc pour la 12V/7Ah le maximum serait de 1.4A. En fait, si vous prenez la peine de regarder les notices constructeurs c'est un peu plus, de l'ordre de 1.7A pour une 7Ah et par exemple 20A pour une 85Ah au lieu de 17 avec mon calcul des 1/5 de Cn.
18. La procédure :
Vous pouvez facilement déduire de ce qui précède que votre chargeur devra gérer deux paramètres : L'intensité de charge maximum et la tension de fin de charge.
La, vous avez deux modes de charge suivant votre application (et vos moyens).
19. Le premier mode
C'est une recharge en deux temps (Cf. courbe 1)
Dans la première partie de la charge, vous limitez le courant à l'intensité maximum admissible par votre batterie et lorsque vous atteignez un seuil aux environs de 12.7V, vous passez en mode limitation de tension. Là deux solutions, soit votre batterie est destinée à rester toujours connectée au chargeur comme, sur une centrale d'alarme par exemple, et la valeur de tension à imposer sera la tension de floating préconisée par le fabriquant (en gros et
10 sans prendre de risque si on ne les a pas, 13.6V). Dans ce cas, votre batterie ne sera chargée qu'à environ 95% de sa capacité nominale. Soit vous allez utiliser votre batterie rapidement et la valeur de tension à imposer sera la tension de recharge (en gros 14V) et là, votre batterie sera rechargée à fond.
Dans la pratique, n'importe quelle alimentation stabilisée réglable en intensité et en tension fait l'affaire.
20. Le deuxième mode
C’est une recharge en trois temps (Cf. courbe 2).
Dans la première partie de la charge, vous limitez le courant à l'intensité maximum admissible par votre batterie, dans la deuxième partie, vous imposez la tension de recharge et dans la troisième partie vous redescendez à la tension de floating.
Ce mode de recharge permet de recharger la batterie à 100%
de sa capacité nominale dans les meilleurs délais et de la maintenir après en floating. Les chargeurs de ce type sont gérés par des microcontrôleurs pilotant des alimentations à découpage ou par des circuits intégrés spécialisés.
Cette gestion assez sophistiquée est utilisée entre autres sur les onduleurs.
On trouve maintenant dans le commerce des chargeurs entre autres pour la navigation de plaisance utilisant cette technique. C'est beau.... Mais c'est cher !!
21. Un point important sur les chargeurs
Les chargeurs de supermarché à 15 euros, ça sert d'abord à tuer les batteries (et à en vendre) et éventuellement à les charger.
Pour rester sérieux, ces appareils ne sont généralement constitués que d'un transformateur suivi d'un pont de diodes sans aucun filtrage et le réglage du courant de charge s'effectue en commutant des enroulements du transfo. Bilan, les tensions de sortie sont totalement variables et l'ondulation de sortie ne mérite plus le nom de résiduelle tellement elle est présente. Même sur une batterie de démarrage ouverte c'est à déconseiller.
F. LA DÉCHARGE DES BATTERIES AU PLOMB
22. Tension d'arrêt :
Tension en dessous de laquelle il ne faut jamais descendre sous peine d'endommager la batterie de façon irréversible : 1.6 à 1.9V. En gros, plus la décharge est lente moins il faut descendre bas. Tous les constructeurs sérieux (sinon ce ne sont généralement que des revendeurs) publient sur leur site des tableaux permettant de trouver la valeur optimum. Si vous ne cherchez pas à racler les derniers milliampères, pour un bloc de 12V, prenez 11V et de toute façon arrêtez tout à 10V.
23. Intensité de décharge :
Il n'y a bien sur pas de minimum et le maximum est fonction de la capacité nominale de votre batterie et de l'autonomie que vous désirez avant d'atteindre la tension d'arrêt. Souvent les constructeurs donnent une valeur maximum en 10 secondes, associée à une valeur de tension d'arrêt. Par exemple pour un batterie de 12 V 7 Ah, on peut tirer 50 A pendant 10 s pour une tension d'arrêt de 9.6V (1.6V/Elt.) C'est disons violent et peu recommandé.
Ne pas confondre cette valeur avec l'intensité instantanée de court-circuit qui pour la même batterie de 12V/7 Ah est de l'ordre de 200 A !!
11 24. Capacité restituée :
Les batteries au Plomb souffrent d'un problème majeur qui est la perte de capacité en fonction du courant de décharge.
En gros plus le courant fourni par la batterie est important, plus la capacité qu'elle sera capable de fournir sera faible.
C'est principalement dû à la résistance interne de l'accu.
Ce phénomène est connu sous le nom d'effet Peukert.
La conséquence de ceci est la fourniture par le fabricant de l'accu, d'un faisceau de courbe ou l'un abaque décrivant la capacité restituée en fonction du courant de décharge.
La capacité indiquée d'une batterie n'est donc en aucun cas sa capacité réellement utilisable sans détérioration.
Suivant le type de batteries, on pourra utiliser de 80% (batteries stationnaires) à 10% (batteries de démarrage) de cette capacité.
G. LES CONDITIONS D´UTILISATION DES BATTERIES AU PLOMB
Ce qui va suivre est valable pour tous les types d'accus au plomb mais certains points sont particulièrement cruciaux pour les accus étanches.
25. En régime de décharge :
Respectez les intensités maximales préconisées par le fabriquant. Si vous ne le connaissez pas ou si vous n'avez pas trouvé son site, regardez une batterie du même type et d'une capacité équivalente ( à + ou - 10% près) chez le concurrent, vous ne serez pas loin des bonnes valeurs.
Ne jamais décharger une batterie à moins de 1.65V par élément (soit 10V pour une batterie 12V).
A titre d'exemple une simple LED consommant 20mA pendant une ou deux semaines sur une batterie de 36Ah « vide » peut la tuer !
Ne faites démarrer un moteur qu'avec une batterie de démarrage. Une batterie à décharge lente le fera aussi mais elle en gardera des « cicatrices » ineffaçables.
Ne court-circuitez jamais même brièvement une batterie. Vous savez la touche rapide avec un bout de fil pour tirer une étincelle. Non seulement vous l'endommagez mais en plus dans certains cas si votre touche manque de légèreté elle risque de vous exploser à la figure !
Du point de vue climatique, une batterie fonctionne de façon optimale aux environs de 20/25°C. Au dessus, elle fonctionne toujours très bien avec toutefois un taux d'autodécharge plus important mais surtout, sa durée de vie se réduit de moitié à chaque fois que la température augmente de 10°C.
Si le constructeur donne 10 ans à 20°C on tombe à 5 ans à 30°C et 2,5 ans à 40°C et les lésions sont irréversibles.
En dessous de 20°C, la réaction chimique est de moins en moins active au fur et à mesure que la température baisse et donc la batterie pourra fournir moins de courant. Vous comprenez maintenant pourquoi les premiers jours de l'hiver obligent souvent les automobilistes possédant une batterie fatiguée à pratiquer une gymnastique matinale dont ils se passeraient volontiers. Une batterie en bon état fonctionnera dans une large plage de température (-20 à + 45°C voir plus) mais pas avec les mêmes performances qu'à 20°C.
26. En régime de charge :
Même préambule que pour la décharge :
Respectez les intensités maximales préconisées par le fabriquant.
Une bonne approximation du courant maximal de recharge est 1/5 de la capacité nominale de l'accu à recharger soit par exemple 1.4A pour une 7Ah ou 7.2A pour une 36Ah. Ce sont des valeurs maximales, ce
