Stockage d'énergie et panneaux solaires

I. Pourquoi Stocker l'Énergie ?

Le stockage d'énergie est crucialpour l'autonomie, l'alimentation des sites isolés, la compensation des décalages production/demande et l'apport de puissance.

Besoins Fondamentaux du Stockage :

• Autonomie et Mobilité: Véhicules électriques, appareils portatifs (téléphones).

• Sites Isolés: Alimentation de dispositifs à faible consommation.

• Décalage Temporel: Énergies renouvelables (solaire, éolien) qui ne produisent pas en continu.

• Apport de Puissance/Énergie: Systèmes hybrides (accélération, freinage).

Catégories de Solutions de Stockage :

• Énergie Mécanique:

  • Potentielle / Cinétique: Barrages hydroélectriques, STEP (Station de Transfert d'Énergie par Pompage).

  • Air Comprimé (CAES).

  • Volants d'inertie: Utiles pour la régulation, mais autonomie limitée.

• Énergie Thermique: Chaleur latente ou sensible (chauffage, climatisation, ECS).

• Énergie Chimique: Filière hydrogène (chaudières, piles à combustible).

• Énergie Électrochimique / Électrostatique: Accumulateurs, batteries, condensateurs.

Ce document se concentre sur le stockage électrochimique etélectrostatique.

II. Générateurs Électrochimiques

1. Principe

Les piles, accumulateurs et batteries convertissent l'énergie chimique en énergie électrique via une réaction d'oxydoréduction.

• Structure: Deuxélectrodes (anode et cathode) baignant dans un électrolyte (conducteur ionique).

• Décharge:

  • Électrons (e-) quittent l'anode, passent par le circuit extérieur, et retournent à la cathode.

  • Anode: S'oxyde (perd des e-).

  • Cathode: Se réduit (gagne des e-).

• Séparateur: Isole les électrodes (ne conduit pas les e-) mais permet le passage des ions.

• Exemple (Batterie Plomb-Acide)

  • Cathode (décharge):

  • Anode (décharge):

2. Différents Types

• Accumulateurs:Produisent du courant continu (1 à 3 V par élément).

• Batteries: Ensemble d'accumulateurs.

  • Groupement en série: Augmente la tension.

  • Groupement en parallèle: Augmente la capacité (courant).

• Piles: Non rechargeables (à l'inverse des accumulateurs).

3. Grandeurs Caractéristiques

1. Tension Nominale (U):

   • Tension moyenne durant la décharge. Unité: Volt (V).

   • Exemple Ni-Cd/Ni-MH: 1,2 V par élément.

2. Capacité (C ou Q):

   • Quantité d'électricité restituée lors d'une décharge complète. Unité: Ah ou mAh.

   • Formule: (I en A, t en h).

3. Densité Énergétique:

   • Énergie stockée: (Wh).

   • Densité énergétique: Énergie stockée par unité de masse (Wh/kg).

   • Exemple Ni-MH: 1,2V, 1500 mAh, 25g -> 72 Wh/kg.

4. Résistance Interne (R):

   • Modèle statique: .

   • : Force électromotrice à vide (fém.).

   • : Résistance interne en Ohms ().

5. Autodécharge: Les batteries se déchargent même non utilisées (impuretés, réactions électrochimiques).

6. Cyclabilité (Durée de Vie): Nombre de cycles charge/recharge sans perte significative d'énergie.

III. Supercondensateurs : Stockage Électrostatique

1. Généralités

Les batteries ont une forte densité énergétique maisune faible densité de puissance et une durée de vie limitée. Les supercondensateurs sont complémentaires.

• Faible densité de puissance des batteries.

• Longue durée de vie des supercondensateurs ( cycles).

2. Principe

Stockage d'énergie par distribution d'ions à la surface d'électrodes poreuses.

• Structure: Deux électrodes poreuses (charbon actif) imprégnées d'électrolyte, séparées par unemembrane isolante et poreuse (séparateur).

• Capacité (C): En Farads (F).

  • Formule simplifiée:

  • S: surface des armatures.

  • e: épaisseur du diélectrique (très faible, < 1 nm).

  • : permittivité du diélectrique.

  • Valeurs très élevées: 1 à 5000 F.

• Énergie stockée (Ws): (U: tension,C: capacité).

Comparaison des Systèmes de Stockage

Les supercondensateurs se situent entre les condensateurs électrolytiques et les batteries.

• Supercondensateurs:Densité d'énergie plus élevée que les condensateurs, mais 10 fois plus faible que les batteries.

• Condensateurs: Densité de puissance très élevée (jusqu'à 100 kW/kg).

• Duréede vie: Condensateurs et supercondensateurs > cycles.

IV. Stockage par Volant d'Inertie

Le volant d'inertie stocke l'énergie cinétique par la rotation à haute vitesse d'une masse.

• Énergie stockée:

  • J: moment d'inertie.

  • : vitesse angulaire.

• Fonctionnement: Machine électrique (moteur ou générateur) et convertisseur électronique de puissance.

  • Charge: La machine électrique fonctionne en moteur, le volant accélère (stocke l'énergie).

  • Décharge: La machine électrique fonctionne en générateur, le volant freine (restitue l'énergie).

• Rendement: Élevé.

V. Les Panneaux Solaires

L'énergie solaire photovoltaïque produit de l'électricité à partir du rayonnement solaire via des cellules photovoltaïques.

1. Définitions

• Cellule Photovoltaïque: Unité de base convertissant l'énergie lumineuse en énergie électrique.

• Panneau/Module Photovoltaïque: Assemblage de cellules.

• Champ Photovoltaïque: Regroupement de plusieurs panneaux.

• Éclairement (G ou Irradiance): Puissance lumineuse reçue par unité de surface (W/m²).

2. Caractéristiques Électriques d'une Cellule

1. Caractéristique Courant / Tension (I-U):

   • Température et éclairement fixes.

   • Uv (Tension circuit ouvert): Tension quand le panneau n'est pas branché.

   • Icc (Courant de court-circuit): Courant maximal délivré.

2. Caractéristique Puissance / Tension (P-U):

   • Puissance: .

   • Point de Puissance Maximum (PPM ou MPP): .

3. Puissance de Crête (Wc):

   • Puissance maximale à conditions standards: G = 1000 W/m² et = 25°C.

   • Rarement atteinte en conditions réelles.

4. Influence de l'Éclairement (G):

   • Lorsque G augmente: Icc augmente significativement, Uv varie peu.

   • La puissance maximale augmente avec l'éclairement.

5. Influence de la Température ():

   • Lorsque augmente: Uv et la puissance maximale diminuent.

3. Groupements deCellules

• Groupement en Série:

  • Augmente la tension de sortie: Us = n Uc.

  • Le courant est commun à toutes les cellules.

• Groupement en Parallèle:

  • Augmente le courant de sortie: Is = n Ic.

  • La tension est commune à toutes les cellules.

  • Diodes anti-retours nécessaires pour éviter le débit d'une cellule vers l'autre.