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Les différents types de batteries et leurs fonctionnements

La taille du parc de batteries est essentielle dans la conception et la réalisation d’une solution d'alimentation par énergies renouvelables. De nombreux types de batteries avec un très large choix de capacités différentes sont disponibles.
Il est nécessaire pour bien choisir ses batteries de prendre en considération de nombreux facteurs. 
Les batteries spécifiques utilisées dans des systèmes d’alimentation par énergie renouvelable sont conçues pour résister à des cycles nombreux et fréquents de chargement et de déchargement. En général ces batteries n’ont pas besoin d'être entretenues.
           
L’utilisation de ce type de batteries est de plus en plus fréquente dans les domaines technologiques tels que les télécommunications, la télémétrie, la télédétection, l'éclairage, etc.
Les industries oeuvrant dans ces domaines deviennent de plus en plus exigeantes envers les constructeurs de batteries. Ces industries ont besoin de cellules de batterie de plus en plus performantes : c'est-à-dire des cellules de batterie capables de conserver leur charge à la fois dans des environnements très chauds et dans des environnements très froids.
 
Les batteries (ou bateries solaires) utilisées dans les solutions d'alimentation électrique par énergie renouvelable doivent respecter deux paramètres importants :
 
L’autonomie
 
L'énergie fournie par un système photovoltaïque, une éolienne ou une micro-turbine hydroélectrique est emmagasinée dans une batterie de manière à alimenter une charge de façon constante sans interruption pendant une période déterminée. L'accumulateur doit pouvoir fournir assez d'énergie pour couvrir les besoins quotidiens. Il doit disposer de réserves assez importantes pour assurer une alimentation continue pendant les périodes sans ensoleillement ou sans vent. Cette autonomie du système, indiquée en jours, peut être très différente d'un type de configuration à I'autre. Dans les installations pour lesquelles la moindre défaillance peut s’avérer grave ou très préjudiciable (systèmes de télécommunications, service de santé) l'autonomie peut atteindre trente jours.
 
La stabilisation du voltage
 
Les batteries doivent prévenir les fluctuations de tensions émanant des sources d'alimentation pouvant être dommageables pour certains appareils.
 
Quelques notions
 
Les batteries, ou les cellules de batteries, sont des composantes électrochimiques. Chaque cellule est composée d'électrodes positive et négative. Les plaques qui composent ces électrodes sont faites de matériaux actifs dissemblables. Ces cellules sont en capsulées dans un bac contenant un électrolyte. Le bac est scellé ou est muni d'un bouchon de remplissage et un évent.
 
Une réaction chimique intervient lorsque la batterie alimente une charge connectée à ces deux électrodes. Pendant la décharge, il y a oxydation à la plaque négative qui se traduit par une perte d'électrons et réduction à la plaque positive ou gain d'électrons. L'électrolyte en présence dans la batterie facilite le déplacement des charges électrochimiques sous forme d'ions. Le processus inverse se produit quand la batterie se recharge.
 
Lorsqu'elle n'est pas branchée à une charge ou un chargeur, la tension à circuit ouvert d'une batterie représente son taux de charge. Complètement chargée, cette tension peut-être différente indépendamment du type de batterie - par exemple, chaque cellule d'une batterie acide-plomb a une tension à circuit ouvert Voc de 2,10 VCC, alors qu'une nickel-cadmium a 1.25 VCC par cellule à 25°C.
 
Taux de décharge (DOD) taux de charge (SOC)
 
Le DOD est le ratio d'ampère heure de décharge sur la pleine capacité de la batterie. Exemple : si une batterie de 100 Ah (pleine capacité) voit sa capacité diminuer de 25 Ah, alors son taux de décharge est 25% et son taux de charge (SOC) est 75%.
 
Cycle
 
On appelle cycle une période de charge et décharge. On peut évaluer les performances d'une batterie en nombre de cycles que celle-ci peut fournir à une profondeur de décharge déterminée.
 
Choix de batteries
 
Les batteries à cycle prolongé acide-plomb et Nickel-cadmium sont les plus utilisées dans les applications à énergie solaire, dans les systèmes éoliens ou dans les systèmes alimentés par micro-turbine hydroélectrique. Ces batteries diffèrent par leur construction. L'antimoine est un alliage ajouté au plomb pour qu'il résiste à la corrosion. Une grande quantité d'antimoine réduit la décharge à vide des cellules provoquant la gazéification qui devrait en principe être évitée dans les systèmes d'alimentation électrique à énergie renouvelable.
 
Les batteries Nickel-cadmium sont 3 à 4 fois plus chères que les batteries acide-plomb et possèdent une capacité plus faible. Ces dernières sont donc moins utilisées dans les systèmes d'alimentation électrique à énergie renouvelable.

 

Batteries acide-plomb à plaques minces
 
Ce sont les batteries conventionnelles utilisées dans les systèmes SLI (starting, lighting, ignition) ou démarrage et allumage. Toutefois ces batteries ne sont pas utilisées dans les solutions d'alimentation électrique à énergie renouvelable.
 
Presque semblables par leur conception, les batteries utilisées dans les voiturettes de golf et certains camions peuvent s'accommoder aux systèmes à décharge profonde. Les batteries utilisées dans les voiturettes de golf sont semblables aux batteries utilisées dans les automobiles, elles ont des plaques de 2,3 mm d'épaisseur, faible quantité d'alliage antimoine, ayant un DOD max. (taux de décharge maximum) de 10 à 20%. Les batteries industrielles ayant 2 VCC par cellule, avec des plaques de 5mm d’épaisseur conviennent aux systèmes d'alimentation électrique à énergie renouvelable. Par ailleurs, ces batteries doivent être ventilées de façon adéquate.
 
Batteries acide-plomb à plaques tubulaires
 
Les plaques tubulaires sont plus performantes que les plaques minces. Leur décharge à vide est faible et elles contiennent plus d'électrolyte. L'alliage antimoine-calcium leur procure une résistance supérieure contre la corrosion. Ce type de batterie est utilisé dans les sites de télécommunications où l'entretien des batteries et les températures froides ne constituent pas une préoccupation majeure.
 
Batteries acide-plomb scellées VR (à valve régulatrice)
 
Celles-ci sont scellées, donc aucun risque de déversement ou d'évaporation. L'oxygène produit à la plaque positive est recombiné à l'hydrogène émanant de la plaque négative pour former l'eau nécessaire à l'électrolyte. Ces batteries satisfont aux applications à décharge profonde, rapide et répétée.
 
Batteries AGM (séparateur en mat de verre micro-poreux)
 
Ces batteries ont été développées dans les années 80 pour satisfaire la demande de batteries sans entretien destinées aux marchés tels que les télécommunications, la télémétrie, la télédétection, etc. Plus le séparateur est comprimé entre les plaques, plus il permet une recombinaison de l'électrolyte (l'oxygène et l'hydrogène se recombinent, produisent l'eau et se mélangent à l'acide sulfurique). Il est a noté que  cette compression entre plaques entraîne une hausse de température lors des échanges électrochimiques.
 
À des tensions de charge un peu plus élevées, les batteries AGM tendent à réagir à la hausse de température interne en perdant un peu d'eau à travers de petits évents situés dans les cellules et en évacuant l'excès de chaleur à travers les terminaux.
 
Ce type de batterie peut s'installer dans toutes les positions. Il est toutefois recommandé de ne pas les installer complètement renversée. Leur point de congélation permet leur utilisation dans les pays nordiques. Des améliorations récentes ont permis d'obtenir d'excellents résultats avec des batteries scellées à électrolyte gélifié type AGM.
 
Batteries à électrolyte gélifié
 
Ces batteries tolèrent les températures chaudes. Les batteries au gel peuvent être construites avec des plaques minces, avec des plaques tubulaires ou des séparateurs AGM. Aucun risque de déversement ou d'évaporation. Au lieu d'un liquide, il s'agit d'un électrolyte mélangé au silice. Ce type de batterie a un système d'évacuation de chaleur supérieur et se décharge moins à vide que le type AGM.

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