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Electrotechnique – Fonction “Alimenter” Les accumulateurs LES ACCUMULATEURS 1.

Electrotechnique – Fonction “Alimenter” Les accumulateurs LES ACCUMULATEURS 1. Généralités. Il y a nécessité de stockage chaque fois que la demande énergétique est décalée dans le temps visàvis de l'apport énergétique solaire. En effet : La demande énergétique est fonction de la charge à alimenter, demande continue ou discontinue des appareils d'utilisation. L'apport énergétique solaire est périodique (alternances jour/nuit, été/hiver) et aléatoire (nuages ou non). Ce décalage entre la demande et l'apport énergétique nécessite un stockage d'électricité. Le système tampon le plus couramment utilisé pour les systèmes photovoltaïques est la batterie d'accumulateurs électrochimiques bien connue dans le domaine automobile. 1.1. Définition. Les accumulateurs électrochimiques sont des générateurs "réversibles" c'estàdire pouvant stocker l'énergie électrique sous forme chimique puis la restituer à tout moment sur demande grâce à la réversibilité de la transformation. 1.2. Différents types De nombreux types d'accumulateurs électrochimiques existent (Pb, CdNi, NiZn, …), toutefois un des plus anciens et des plus couramment utilisés dans l'automobile est l'accumulateur au plomb. Celuici subit des perfectionnements constants pour améliorer ses performances en vue de l'utilisation la mieux adaptée au photovoltaïque 2. Les accumulateurs au plomb. 2.1. Description. Lycée G. BRASSENS – TGE Nom fichier (364015239.doc) Page 1 / 4 Electrotechnique – Fonction “Alimenter” Les accumulateurs L'électrode positive est une plaque rectangulaire en plomb renforcée par des nervures entre lesquelles sont disposées des lamelles ou des tubes constitués par des oxydes de plomb. L'électrode négative est une plaque de plomb à surface gaufrée dont les alvéoles sont garnis de plomb spongieux. L'électrolyte est une solution d'acide sulfurique dont la densité varie en fonction de l'état de charge de la batterie. Organisation : L'énergie qu'on peut emmagasiner dans un accumulateur étant proportionnelle à la surface des électrodes, on a intérêt à augmenter leurs dimensions. Pour éviter un trop grand encombrement, on constitue deux faisceaux de plaques parallèles positives et négatives intercalées. L'ensemble des plaques est immergé dans l'électrolyte contenu dans un bac en matière isolante (verre ou matière plastique). 2.2. Principe de fonctionnement. Pendant la décharge, la concentration de l'acide sulfurique décroît. Inversement de l'acide sulfurique se reforme pendant la charge. Le moyen le plus sûr de vérifier l'état de charge est de mesurer la densité de l'électrolyte, ce qui permet de connaître la concentration en acide. En fin de charge, si on prolonge le passage du courant, l'hydrogène et l'oxygène résultant de la décomposition de l'eau finissent par se dégager à l'état gazeux sur les électrodes (Electrolyse). Si la décharge se produit trop longtemps, ou si on ne surveille pas la concentration d'acide sulfurique, celuici peut attaquer les plaques en donnant du sulfate de plomb qui n'est plus détruit par la suite. L'accumulateur se sulfate, il finit par devenir inutilisable. N.B : On voit qu'il est important de surveiller l'état de charge ou décharge d'une batterie au plomb pour la conserver en bon état car un fonctionnement prolongé dans un sens ou dans l'autre aboutirait à la destruction définitive de l'accumulateur. Lycée G. BRASSENS – TGE Nom fichier (364015239.doc) Page 2 / 4 Electrotechnique – Fonction “Alimenter” Les accumulateurs 2.3. Caractéristiques. 2.3.1. Tension La tension aux bornes d'un élément d'accumulateur au plomb est voisine de 2V. Sa valeur varie entre 1,7 V et 2,4 V suivant l'état de charge en conditions normales de fonctionnement. 2.3.1.1. Charge. Pendant la charge, l'accumulateur est un récepteur. Si on trace graphiquement la différence de potentiel aux bornes en fonction du temps, on constate qu'après un court régime transitoire elle s'établit aux environs de 2,2 V. En fin de charge (point M), on note un accroissement rapide de la tension. Les plaques, complètement polarisées, ne retiennent plus 1 'oxygène et l'hydrogène dégagés. La fin de charge est atteinte à 2,6 V en charge cyclique. En charge flottante (régulation de charge) on se limite entre 2,25 V et 2,35 V par élément. 2.3.1.2. Décharge. Pendant la décharge, la force électromotrice varie, en fonction du temps comme l'indique la figure. Pendant une assez longue durée d'utilisation, elle reste remarquablement constante à la valeur de 2V environ. À partir du point N, elle diminue brusquement (1,8 V), il faut alors recharger l'accumulateur, sous peine de voir apparaître la sulfatation des plaques. En pratique, on ne descend pas en général en dessous de 20 % de la capacité batterie. Sinon, la sulfatation entraîne une perte de capacité et une augmentation de la résistance interne d'où baisse de tension. 2.3.2. Résistance interne. La résistance interne d'un accumulateur est toujours très faible (de l'ordre de quelques centièmes d'ohm) et négligeable en général, dans les applications numériques. Cette faible résistance interne présente d'ailleurs un inconvénient : quand les deux bornes sont accidentellement, réunies par un conducteur luimême peu résistant, la résistance totale du circuit reste très faible ; l'intensité du courant débité est considérable, l'accumulateur, mis ainsi en courtcircuit, est rapidement hors d'usage. 2.3.3. Capacité Lycée G. BRASSENS – TGE Nom fichier (364015239.doc) Page 3 / 4 Electrotechnique – Fonction “Alimenter” Les accumulateurs On appelle capacité la quantité d'électricité, évaluée habituellement en ampèresheures (Ah), qu'un accumulateur chargé peut faire circuler pendant la période de décharge. La capacité d'un élément est fonction du régime de décharge, la capacité nominale (Cn) d'une batterie étant donnée, généralement, pour un régime de décharge en. 10 h (C/10). Pour un régime de décharge plus élevé (I> C/10) la capacité diminue. Pour un régime de décharge plus faible (I< C/10) la capacité augmente. Le courant de décharge est évalué en fractions de la capacité exprimée en Ah (ex : C/100). Exemple : Un accumulateur de 100 Ah à C/10 peut fournir un courant de 10 A pendant 10 h. Sa capacité sera réduite à 80 Ah pour un régime de décharge à I = C/5 = 20A tandis que la capacité pourra être augmentée à 140 Ah pour un régime de décharge à I = C/100 = 1 A. La capacité d'un élément est fonction de sa température : ses variations vont dans le même sens que celles de la température. 2.3.4. Rendement. Le rendement en ampèresheures (ou faradique) est le rapport entre la quantité d'électricité débitée à la décharge Q d et la quantité d'électricité fournie lors de la charge Q. q = Qd /Qc Ce rendement est de l'ordre de 90 %. Le rendement en énergie (ou énergétique) est de l'ordre de 70 à 80 %. Ce rendement est plus faible que le précédent car les ampèresheures ne sont pas stockés et restitués à la même tension. 2.3.5. Autodécharge. Le taux d'autodécharge d'un accumulateur représente la perte moyenne relative de capacité par mois et pour une température donnée. L'autodécharge est une caractéristique interne découlant de la technologie utilisée et est généralement donnée pour une température de 20 °C. Elle est de l'ordre de 10 % par mois, pour les plaques au plombantimonieux (cet alliage a pour but d'augmenter la tenue mécanique) Elle est de l'ordre de quelque % par mois pour le plomb doux (à faible teneur d'antimoine) ou le plombcalcium, mais les éléments sont plus fragiles. (T = 20°C) L'autodécharge varie très rapidement avec la température. (Elle double de valeur tous les 10 °C). 2.3.6. Durée de vie. La durée de vie des accumulateurs est directement liée à leurs conditions d'utilisation. Pour une utilisation en stockage tampon, la durée de vie dépend essentiellement du nombre et de l'amplitude des cycles charge décharge En limitant la profondeur de décharge journalière (< 15 % Cn) et la profondeur de décharge saisonnière (< 60 % Cn), on estime la durée de vie des accumulateurs à 6 ou 7 ans, ceuxci étant protégés contre la surcharge. Lycée G. BRASSENS – TGE Nom fichier (364015239.doc) Page 4 / 4 Electrotechnique – Fonction “Alimenter” Les accumulateurs 3. Les accumulateurs cadmium nickel. 3.1. Description. Les accumulateurs cadmium nickel sont réalisés à partir de 2 électrodes (hydroxyde de Nickel et Cadmium) immergés dans une solution de potasse d'où le nom d'accumulateur alcalin. 3.2. Caractéristiques. La tension nominale est de 1,2 V mais elle varie entre 1,15 V et 1,45 V par élément suivant l'état de charge. Les éléments sont, par leur construction, plus robustes et moins lourds que ceux au plomb Ils acceptent plus facilement la surcharge ou décharge profonde Pour les petites capacités, ils se présentent sous forme cylindrique (comme les piles) en version étanche Ils peuvent fonctionner sur une grande plage de température Ils nécessitent un entretien réduit ce qui leur confère une grande durée de vie. Par contre : Le rendement de l'accumulateur est faible (rendement faradique = 70 %) L'autodécharge est plus élevée que celle des accumulateurs au plomb (> 15 %) Les écarts de tension entre charge et décharge sont plus importants Leur coût est élevé. Lycée G. BRASSENS – TGE Nom fichier (364015239.doc) Page 5 / 4 uploads/Litterature/ batterie-ressource 1 .pdf