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 Les batteries solaires

 

Une batterie solaire est également appelée batterie à décharge lente ou batterie à décharge profonde. Elle est très différente d’une batterie de voiture de par sa constitution et son mode d’utilisation. Une batterie à décharge profonde est aussi plus chere qu’une batterie de voiture. Découvrez dans cette page tous les secrets des batteries solaires.

 

 

 

Principe

 

Une batterie solaire à décharge profonde est bien différente d’une batterie de voiture. Elle est conçue pour délivrer une énergie faible ou moyenne sur de longue durée (endurance) alors qu’une batterie de voiture est conçue pour fournir beaucoup d’énergie pendant un bref instant (démarrage du moteur). Dès que la voiture est démarrée, l’alternateur charge la batterie, celle-ci ne travaille donc qu’un très court moment. 

 

 

 

batterie solaire         

batterie voiture

Application

Stationnaire

Mobile

Utilisation de l’énergie

courant faible à moyen / longue durée

courant fort à très fort / courte durée

Nombre de cycle

élevé

faible à moyen

Profondeur de décharge

80%

20%

Durée de vie

3 à 20 ans

1 à 5 ans

Prix

élevé

faible à moyen                       

 

 

les batteries de voiture sont déconseillées pour une installation solaire

 

Fonctionnement

 

Comme toutes les batteries, les batteries solaires exploitent la réaction chimique entre le plomb et l’acide sulfurique. Des plaques en plomb constituent l’anode et la cathode, qui baignent dans de l’acide sulfurique, appelé électrolyte. La réaction chimique est réversible, elle fonctionne dans les deux sens : la batterie peut fournir de l’électricité ou en absorber pour la stocker.

 

 

Réaction chimique dans une batterie Plomb Acide. Source : batterie-solaire.com

 

L’électricté fournie par une batterie est toujours en courant continu.

 

Lors de la charge de la batterie, de l’hydrogène se dégage. L’hydrogène est explosif, donc le local batterie doit être bien ventilé.

 

Une batterie possède une résistance interne au passage du courant, qui génère des pertes, donc elle s’échauffe. Plus le courant de charge ou décharge est fort, plus l’échauffement de la batterie est important. L’échauffement est nuisible pour la durée de vie de la batterie, en plus de diminuer le rendement de stockage. Pour éviter de gaspiller l’énergie sous forme de chaleur, le courant de charge ne doit pas dépasser 10% de la capacité (c’est à dire 10A pour une batterie de 100Ah).

 

Une batterie est soumise à deux rendements :

  • le rendement faradique, qui est la différence entre la Ah qui entrent et les Ah qui sortent. Ce rendement se situe autour de 90%, il dépend de la résistance interne de la batterie.
  • le rendement énergétique, qui vient de la différence entre la tension à la charge (entre 13V et 14V pour une batterie de 12V) et la tension à la décharge (entre 12,5V et 11,5V pour une batterie de 12V). Le rendement énergétique varie entre 80% et 90%. Là aussi, plus le courant de charge ou décharge est fort, plus le rendement est bas.

 

Types de batteries

 

Il existe différentes technologies de batteries solaires, qui dépendent surtout de l’électrolyte utilisé (l’acide) :

  • batterie ouverte ou liquide
  • batterie gel
  • batterie AGM

 

Ces 3 batteries sont expliquées en détail dans la page sur les technologies des batteries

 

Les batteries solaires sont disponibles dans le commerce avec différentes tensions :

  • 12V : très courantes, pour des batteries solaires allant de 10 à 250 Ah, plutôt pour des usages domestiques

 

 

 

  • 2V : batteries solaires de grande capacité (applications industrielles, mini-réseau, tertiaire, de 300 à 3000Ah). Ces batteries sont très solides, avec une durée de vie étendue, mais sont aussi plus cher à l’achat

 

 

 

  • 4V et 6V pour des batteries à décharge lente de capacité intermédiaire. C’est un compromis entre les batteries de 12V et les batteries de 2V.

 

 

 

Fabrication

 

Une batterie solaire est consitutée de différents éléments :

  • les plaques en plomb
  • l’électrolyte, fait d’acide sulfurique liquide ou gelifié
  • les séparateurs
  • le bac
  • les accessoires : poignées, bornes, bouchons

 

 

 

Les plaques d’une batterie sont en plomb, parfois allié à un peu d’antimoine ou de calcium. Les plaques sont épaisses pour obtenir une grande longévité. C’est pour ça qu’à capacité égale, une batterie à décharge profonde solaire est plus lourde qu’une batterie de voiture. Le poids d’une batterie par rapport à sa capacité de stockage est d’ailleurs un bon indicateur de qualité, car il signifie que la batterie contient beaucoup de plomb et durera longtemps.

 

Des séparateurs en matière plastique, non conductrice de l’électricité, sont disposés entre les plaques en plomb pour les séparer électriquement.

 

Des séparateurs d’élément, qui font souvent partie du boitier plastique de la batterie, servent à séparer chaque cellule de 2V à l’intérieur de la batterie. Une batterie de 12V est composée de 6 cellules de 2V, c’est pourquoi il y a 6 bouchons.

 

Le bac ou boitier est en plastique moulé, généralement du polypropylène de haute densité, très résistant aux chocs.

 

Les bornes peuvent être rondes comme sur les batteries de voiture, ou alors percées pour connecter à l’aide d’un boulon le câble électrique muni d’une cosse.

 

 

 

 

Dimensionnement

 

Une batterie est définie par deux grandeurs :

  • sa tension en Volt
  • sa capacité en Ah

 

Si on multiplie l’un par l’autre, on obtient l’énergie que contient la batterie, en Wh. Cette énergie est disponible si la batterie est déchargée en totalité. Or il est préférable de ne pas décharger une batterie solaire au delà de 80% (20% pour une batterie automobile).

 

On l’a dit, le courant de charge ne doit pas dépasser 10% de la capacité, voire 20% en charge de pointe, sur une durée assez courte.

 

Cela nous donne par exemple, pour une batterie de 12V et 100Ah :

énergie brute = 1200 Wh soit 1,2 kWh

énergie utilisable à 80% de profondeur de décharge = 1200 x 0,8 = 960 Wh

courant de charge nominal = 0,1 x 100 = 10A

courant de charge maximal (pas plus de 1h) = 0,2 x 100 = 20A

 

Il faut savoir que la capacité de la batterie varie en fonction de la vitesse à laquelle on la décharge. Voici les performances d’une batterie de 12V et 120Ah de marque Hoppecke (données fournies par le fabricant) :

  • décharge en 5 heures : 90 Ah
  • décharge en 24 heures : 118 Ah
  • décharge en 100 heures : 130 Ah

 

On constate que plus la batterie est déchargée lentement (avec un courant faible), et plus elle délivre d’énergie. Le rendement est meilleure avec une décharge lente.

 

La capacité d’une batterie avec une décharge en 10h est appellée capacité C10. La capacité avec une décharge en 20h est appelée capacité C20.

 

Quand vous comparez deux batteries de même capacité avant d’acheter, regardez bien le temps de décharge indiqué (le C...).

 

Une batterie de 100Ah à C10 sera nettement meilleure qu’une batterie de 100Ah à C100 !

 

Une autre donnée est très importante : le nombre de cycles. C’est l’endurance de la batterie, sa faculté à stocker et à restituer l’énergie avant de rendre l’âme.

 

Le fabricant de la batterie solaire fournit généralement ce type de courbe :

 

 

 courbe de cyclage des batteries au plomb de marque Rolls/Surrette

 

Le nombre de cycles d’une batterie dépend de la profondeur de décharge. Connaitre la profondeur de décharge est donc primordiale pour estimée la durée de vie que l’on peut espérer de sa batterie.

 

Comment calculer la profondeur de décharge d’une batterie solaire ?

 

Il faut connaitre l’énergie consommée en moyenne par jour (en Wh), et diviser cette valeur par la tension de la batterie pour connaitre le nombre d’Ah consommés chaque jour. Les Ah consommés par jour sont ensuite divisés par la capacité totale de la batterie pour obtenir la profondeur de décharge en %.

 

Par exemple :

  • consommation quotidienne moyenne : 350 Wh
  • caratéristiques de la batterie : 12V et 100 Ah à C24
  • capacité consommée chaque jour : 350 Wh / 12 V = 29 Ah
  • profondeur de décharge : 29 Ah / 100 Ah = 29%

 

En reprenant la courbe de cyclage présentée plus haut, avec une décharge moyenne par jour de 30% environ, la batterie pourra assurer 4200 cycles.

 

Dans le cas d’un système solaire photovoltaïque, la batterie effectue un cycle par jour (décharge la nuit, recharge le jour). La durée de vie espérée de la batterie, en année, est alors :

 

nombre de cycle espérés / nombre de jours dans une année

4200 / 365 = 11,5 ans

 

Bien sûr, cette durée de vie espérée dépend des conditions rélles d’utilisation : entretien, température ambiante, courants de charge et décharge, etc.

 

Installation

 

Installer une batterie pour un petit système est relativement simple. Les choses se compliquent quand il y a plusieurs batteries (on parle alors d’un “banc de batteries”).

 

Les batteries peuvent être raccordées de deux façons :

  • en série (c’est la tension qui s’ajoute)
  • en paralléle (c’est la capacité qui s’ajoute)

 

Le branchement en série permet d’atteindre la tension désirée, avec par exemple :

  • 6 batteries de 2V en série pour un système en 12V
  • 4 batteries de 12V en série pour un système en 48V

 

 

exemple de connexion en série. Source : Magnum Energy

 

Ici, 2 batteries de 6V et 200Ah connectées en série donnent un banc de batteries de 12V et 200Ah (soit 2400 Wh)

 

Le branchement en parallèle permet de conserver la tension et d’augmenter la capactié.

 

 

exemple de connexion en parallèle. Source : Magnum Energy

 

Ici, 4 batteries de 12V et 100Ah connectées en série forment un banc de batteries de 12V et 400Ah (soit 4800 Wh).

 

Enfin, il est possible de mixer des connexions série et parallèle :

 

 

exemple de connexion en série et parallèle. Source : Magnum Energy

 

Ici, 4 batteries de 6V et 200Ah connectées en série constituent un banc de batteries de 12V et 400Ah (soit 4800 Wh).

 

Les régles à suivre sont :

  • en connexion parallèle, le câble négatif doit être installé diagonalement opposé au câble positif. Ne surtout pas brancher les câbles négatif et positif (entrée et sortie du courant) sur la même batterie ou sur la même chaîne
  • ne jamais connecter plus de 4 chaînes de batterie (ou string) en parallèle, car au delà le courant de charge se répartit mal entre les chaines

 

Les câbles des batteries doivent être en cuivre et sont souvent très gros, car le courant est fort (parfois plusieurs centaines d’ampères !). Des cosses de bonne qualité doivent être serties avec un outil adapté.

 

 

cosse tubulaire pour batterie

 

Il est préférable de laisser un espace d’au moins un centimètre entre les batteries. Il permet une circulation d’air pour les refroidir quand elles travaillent.

 

Attention au sol sur lequel vous installez vos batteries : le plomb est super lourd. Avec des batteries stationnaires de 2V, qui sont très hautes et ne prennent pas beaucoup de place au sol, on atteint facilement 1,5 tonnes par m² !

 

Prévoyez une ventilation dans votre local si vous utilisez des batteries “ouvertes”, à électrolyte liquide. Elles libèrent beaucoup d’hydrogène en phase de charge, et ce gaz est explosif. N’installez pas vos appareils électroniques (onduleur, régulateur) dans cet espace. Un ventilateur n’est pas nécessaire, amménagez plutôt de larges ouvertures, l’hydrogène est très léger et il s’échappera tout seul.

 

Entretien

 

Les batteries solaires sont fragiles et demandent un entretien simple, mais très régulier. Vu que les batteries coûtent chères, un entretien soigné vous permettra à coup sûr d’économiser beaucoup d’argent sur le long terme.

 

Tout d’abord, ne laissez jamais vos batteries déchargées durant de longues périodes (plus de 2 semaines). Votre banc de batterie doit être rechargé à 100% au moins une fois tous les 15 jours.

 

Les batteries “ouvertes” demandent un peu d’eau car elle s’évapore naturellement lors de la charge, quand la tension est élevée. Ajoutez uniquement de l’eau distillée, et jamais au grand jamais d’acide.

 

A force de travailler, les cellules ou les éléments d’une batterie se “dérèglent”, c’est à dire que leur tension unitaire est de plus en plus décalée. Par exemple, un banc de batterie de 24V constitué d’élements de 2V peut avoir des élements à 2,0V, d’autres à 2,2V et encore d’autres à 2,3V. Dans ce cas, il faut faire une charge d’équilibrage : on force volontairement le courant de charge au dessus de la normale pendant une durée contrôlée. Résultat ? la tension monte haut et l’électrolyte se met à bouillir (dégager beaucoup de gaz). Cette charge forcée ne peut pas durer longtemps car elle endommagerait la batterie. L’égalisation permet :

- de remettre les tensions toutes au même niveau

- de brasser l’acide, qui a tendance à stratifier avec le temps

Notez aussi qu’une égalisation consomme de l’eau dans la batterie, il faut donc faire le niveau d’eau distillée à la fin de l’opération. Il faut aussi avoir de l’énergie disponible, soit avec un groupe électrogène, le réseau ou alors par une journée avec beaucoup de soleil ou de vent.

 

Les bornes des batteries peuvent s’oxyder avec le temps (formation de sulfate de couleur blanche et bleue). Nettoyez les avec du bicarbonate de soude, puis appliquez de la graisse siliconée pour prévenir le retour de la corrosion.

 

 

Faiblesses & dangers

 

Les dangers potentiels d’une batterie proviennent :

  • du dégagement d’hydrogène, explosif
  • de l’acide dangereux pour la peau et les yeux
  • des pollutions liées au plomb et à l’acide
  • au poids lors de la manutention ou lors d’une chute

 

Les faiblesses des batteries sont :

  • le prix d’achat élevé et le renouvellement à prévoir après quelques années
  • l’entretien qui doit être régulier
  • les surcharges et les décharges trop profondes
  • l’auto-décharge naturelle si la batterie n’est pas utilisée. L’auto-décharge augmente avec la température, ce qui est un problème avec le climat en Afrique. Il est déconseillé de stocker une batterie en climat chaud plus de 4 mois.
  • la sensibilité à la chaleur, surtout pour les batteries AGM (GEL dans une moindre mesure), qui réduit la durée de vie. C’est un paramètre à prendre en compte quand on installe des batteries au Sénégal.

 

Ces problèmes seront sûrement atténués avec les prochaines générations de batterie, au lithium par exemple. A l’heure actuelle elles sont beaucoup trop onéreuses pour les systèmes énergétiques stationnaires de moyenne et grosse puissance. On n’a pas encore trouvé mieux que les batteries au plomb inventées il y a plus d’un siècle...

 

Principaux fabricants

 

Les fabricants les plus connus, offrant les produits de meilleure qualité avec de bonnes garanties, sont :

  • Hoppecke (Allemagne)
  • Rolls/Surette (Canada)
  • Deka (USA)
  • Trojan (USA)
  • Enersys (France)
  • Sonnenschein (Allemagne)
  • Moll (Allemagne)

 

Il en existe bien d’autres sur le marché, les différences entre les produits peuvent être énormes. Renseignez vous bien auprès de votre revendeur sur la qualité, l’ancienneté du fabricant et les conditions de garantie avant d’acheter !

 

 

Prix au Sénégal

 

Les prix de vente dépendent de la technologie de la batterie. Les batteries AGM sont aussi chères que les batteries ouvertes, mais plus fragiles. Le prix des batteries gel est de 20% à 50% plus élevé que celui des batteries ouvertes.

 

Au Sénégal, pour une batterie solaire de bonne qualité, il faut compter de 250 à 400 Fcfa/Wh, suivant le fournisseur.