Une station flottante de qualité de l'eau ou d'hydrologie est un système d'alimentation hors réseau qui doit continuer à mesurer pendant la nuit, pendant des jours nuageux consécutifs et pendant la vie sujette à l'encrassement biologique d'un déploiement en mer ou sur un lac. Les plateformes de bouées commerciales convergent vers une architecture reconnaissable : un panneau photovoltaïque de quelques dizaines à plus de cent watts charge une banque de stockage embarquée dimensionnée pour plusieurs jours d'autonomie – les intégrateurs spécifient couramment sept jours couverts ou plus –, tandis qu'un enregistreur de données se réveille sur un cycle d'une à soixante minutes, excite une sonde multiparamètres mesurant le pH, l'oxygène dissous, la turbidité et la conductivité, entraîne parfois une pompe, un essuie-glace ou un mécanisme de nettoyage, et téléverse en 4G, GPRS ou LoRaWAN via Modbus ou MQTT. Cet article, le premier de trois sur l'alimentation nickel-hydrure métallique pour la surveillance flottante, décompose cette architecture, quantifie les composants de charge qui distinguent une bouée d'un simple enregistreur météo, explique le cycle quotidien de charge-décharge que voit réellement l'élément de stockage et montre pourquoi un tampon NiMH scellé et tolérant aux cycles est bien adapté à une plateforme rechargée quotidiennement, sollicitée par des salves périodiques à courant élevé et censée survivre dans un environnement corrosif et humide.
Une bouée multiparamètres moderne est plus gourmande en énergie que ne le suggère son faible débit de données. Les capteurs électrochimiques et optiques de la sonde consomment du courant lorsqu'ils sont excités ; les voies optiques de turbidité et d'oxygène dissous nécessitent un éclairage ; de nombreuses plateformes actionnent des essuie-glaces mécaniques ou des nettoyeurs à jet d'air pour maîtriser l'encrassement ; des pompes peuvent déplacer l'eau d'échantillon ; et l'enregistreur ainsi que le bus de capteurs RS485/Modbus sont actifs pendant chaque fenêtre de mesure. Le téléversement active ensuite une radio cellulaire ou LPWAN dont l'étage de transmission consomme le plus grand courant instantané du cycle.
La cadence de mesure est configurable d'une fois par minute à une fois par heure, et chaque raccourcissement de l'intervalle augmente la charge moyenne à peu près proportionnellement. Les spécifications publiées de bouées décrivent des systèmes de douze volts avec solaire-plus-stockage, des cycles de mesure réglables sur cette plage d'une à soixante minutes et LoRaWAN sur EU868 ou une liaison montante cellulaire. La première tâche de conception est donc la même comptabilité d'énergie par cycle que pour tout nœud distant – lister chaque état, son courant et sa durée –, mais avec des termes de pompe, de nettoyeur et de capteur optique qu'une station météo n'a pas.
Les plateformes flottantes récoltent presque universellement par photovoltaïque car elles sont hors réseau et exposées au ciel ouvert. Les spécifications des intégrateurs décrivent des panneaux d'environ cinquante à cent cinquante watts chargeant une banque de stockage, l'exigence déterminante étant l'autonomie sur des jours consécutifs de pluie ou de ciel couvert : sept jours est une cible commerciale courante, et certaines gammes de bouées météorologiques spécifient quinze ou plus. L'élément de stockage est donc dimensionné non pas pour une nuit mais pour la pire période saisonnière de faible insolation, un calcul fondamentalement différent de celui d'un gadget solaire diurne.
Dans cette architecture, la technologie de stockage a trois rôles : absorber la charge chaque fois que le panneau produit, fournir le cycle de mesure et de téléversement à la demande, et traverser le déficit de plusieurs jours. Le NiMH scellé est un choix crédible pour les bouées petites à moyennes précisément parce que c'est une technologie cyclique et rechargeable qui tolère la charge superficielle et irrégulière fournie par un panneau mobile, parfois ombragé, et les cycles quotidiens répétés d'années de service – une proposition de valeur différente de celle des grands packs lithium primaire utilisés là où aucun panneau solaire n'existe.
Contrairement à une pile primaire qui ne fait que se vider, un tampon de bouée décrit une orbite quotidienne répétitive : il se décharge la nuit et pendant les salves de mesure, se recharge pendant les heures de jour et se stabilise à un état de charge qui suit la météo. Sur une semaine ensoleillée il flotte haut ; sur une semaine de tempête il tend vers le bas et doit récupérer. L'élément de stockage nécessite par conséquent une tolérance élevée aux cycles sous cyclage superficiel, une bonne acceptation de charge depuis une source intermittente et une auto-décharge suffisamment faible pour ne pas laisser fuir l'énergie stockée.
Le NiMH est à l'aise avec exactement ce régime. Il accepte la charge d'un régulateur solaire contrôlé sans la discipline de charge stricte et sensible au placage du lithium-ion, tolère la surcharge modeste qu'un contrôleur marin simple peut appliquer et parcourt l'orbite quotidienne pendant la durée de vie de la plateforme. Des qualités à faible auto-décharge sont spécifiées pour que l'énergie stockée survive aux longues périodes couvertes, et le pack est délibérément exploité dans une bande médiane d'état de charge où la durée de vie en cycles et la fiabilité sont optimales.
Plusieurs charges de bouée sont impulsives plutôt que stables : un moteur d'essuie-glace ou une pompe démarrant en charge, le flash d'éclairage d'un capteur optique, et surtout une radio cellulaire transmettant en bordure de signal faible peuvent chacun exiger brièvement un courant plusieurs fois supérieur à la moyenne. Comme sur un nœud capteur, l'élément de stockage doit maintenir la tension de son rail à travers ces impulsions, sinon l'enregistreur se réinitialise et la mesure est perdue – une panne coûteuse sur une plateforme qui n'est parfois accessible qu'en bateau.
Les cellules NiMH scellées ont une faible impédance interne, de l'ordre de quelques dizaines de milliohms dans une cellule AA chargée, et les gammes industrielles soutiennent une décharge de plusieurs ampères, de sorte qu'un petit pack maintient la tension à travers les démarrages de moteur et de radio qui feraient chuter une source à haute impédance. Les concepteurs ajoutent souvent un réservoir local de condensateurs pour les impulsions les plus vives, laissant à la banque NiMH le soin de fournir l'énergie du cycle à un régime moyen modeste. La première figure animée empile l'énergie de chaque charge de bouée ; la seconde oppose une orbite quotidienne d'état de charge saine à une semaine de déficit.
L'eau est un environnement électrique hostile, par des voies qui atteignent la batterie même à l'intérieur d'une coque scellée : humidité élevée et condensation, larges variations de température, air chargé de sel qui attaque les connecteurs et tout métal exposé, mouvement et vibration constants de faible niveau, et risque d'un compartiment rompu. Ces facteurs de stress augmentent la résistance de contact, accélèrent la corrosion et peuvent dégrader un pack plus vite que sa durée de vie calendaire électrochimique si la conception mécanique et l'étanchéité sont faibles.
C'est pourquoi la conception de l'alimentation des bouées est indissociable de la conception du boîtier. Le compartiment de batterie se situe derrière la barrière IP68 qui définit une plateforme submersible ; les cellules sont maintenues contre le mouvement par des languettes soudées ou des supports robustes ; les connecteurs sont résistants à la corrosion et revêtus d'un enduit de protection ; et la conception thermique tient le pack hors des points chauds solaires directs. L'absence de liquide libre du NiMH et sa construction scellée robuste sont avantageuses ici, mais l'avantage ne se réalise que lorsque le pack est emballé aussi délibérément pour l'environnement marin que la coque elle-même.
L'analyse de la charge et de l'architecture produit un ensemble clair d'exigences pour l'élément de stockage : rechargeable et tolérant aux cycles sur des années d'orbites quotidiennes ; rechargeable depuis une source photovoltaïque faible et intermittente sans protocole de charge fragile ; suffisamment basse impédance pour couvrir les impulsions de moteur, optiques et radio, éventuellement avec un réservoir de condensateurs ; faible auto-décharge pour survivre aux déficits de plusieurs jours ; et robuste dans un compartiment scellé, humide, vibrant et exposé au sel. Ces exigences encadrent la conception détaillée du pack dans le prochain article.
Elles encadrent aussi une comparaison honnête des chimies. Les grandes bouées au volume et au budget généreux peuvent utiliser le lithium-ion pour sa densité d'énergie, et les plateformes sans solaire à longue durée de vie peuvent utiliser le lithium primaire ; mais pour les bouées petites et moyennes maintenables et assistées par solaire – surtout là où la simplicité de transport, le comportement de charge indulgent et la fourniture d'impulsions sont valorisés – un tampon NiMH scellé bien conçu est un choix fort et défendable. L'article suivant transforme ces exigences en décisions de nombre de cellules, de capacité, de réservoir et de gestion de charge.
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