L énergie solaire au service du voyageur

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1 Dossier énergie solaire L énergie solaire au service du voyageur Le «banc de test» Carnets Le soleil est la source principale d énergie exploitée sur cette planète ; les autres étant la géothermie, l énergie attractive des corps célestes (la marée en est une manifestation exploitable par une usine marémotrice) et l énergie inhérente à la matière : le nucléaire. A part celles-ci donc, tout résulte du soleil : le pétrole, le bois, le gaz, le cycle de l eau sont des sources d énergie qui proviennent de l énergie du rayonnement solaire. Le bois est un produit de l activité photosynthétique de la plante qui structure les composés simples en matière organique complexe ; cette photosynthèse nécessite de l énergie (celle du soleil), et comme rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme, on pourra récupérer cette énergie, par combustion du bois par exemple. Le pétrole et le gaz sont les vestiges transformés de matières organiques très anciennes (résultant, elles aussi, de l activité photosynthétique), c est l énergie fossile. L eau remonte au sommet des montagnes par évaporation principalement due à l effet du soleil puis précipitations : c est le cycle de l eau, bien connu de tous. L énergie potentielle de l eau est récupérée par les barrages hydroélectriques. Le vent (éoliennes, moulins, voiles) résulte, quant à lui, de l échauffement inhomogène des masses d air par le soleil. C est ainsi que, depuis longtemps, nous récupérons et utilisons indirectement l énergie solaire. La technologie permet aujourd hui de transformer la lumière directement en électricité. Le gros intérêt de cette technologie est qu elle est propre, simple à utiliser, accessible au particulier et fiable. L élément de base du panneau solaire : la cellule photovoltaïque Quelques bases théoriques pour ceux qui sont intéressés : La cellule photovoltaïque est fabriquée à base de silicium (du sable) qui peut être monocristallin, polycristallin ou amorphe (moins coûteux mais moins performant). De nouveaux matériaux plus performants sont en phase d expérimentation, l avenir s annonce plutôt prometteur. Le principe de la cellule en simplifiant est d exploiter une propriété des semiconducteurs : le panneau est constitué de 2 semi-conducteurs différents et soudés l un à l autre. Quand un photon (particule porteuse d énergie, issue du rayonnement solaire) vient frapper la petite zone frontière des deux semi-conducteurs, celle-ci reçoit cette énergie et l utilise pour mettre en mouvement un électron. On produit ainsi un courant électrique de type continu (comme les piles ou batteries, par opposition au courant alternatif fourni par EDF). Les semi-conducteurs peuvent être déposés sur un socle en polymère, on obtient alors des cellules souples, bien pratiques en expé. Une cellule photovoltaïque génère une faible tension. Il faut donc les associer en série pour obtenir une tension et par extension une puissance exploitable. On admet que la puissance brute solaire reçue au niveau du sol (lumière directe + diffuse) est, dans un cas favorable, de 1000 W/m 2. Avec des nuages fins, cette puissance descend à 300 W/m 2, et tombe à 100 W/m 2 avec des nuages épais. La position angulaire du soleil sur l horizon (sa hauteur) a aussi son importance. En effet, l atmosphère dissipe une grosse partie de l énergie solaire : plus la distance d atmosphère à traverser est grande, moins l énergie disponible au sol sera importante. Si le soleil est bas sur l horizon, ses rayons traversent l atmosphère de manière oblique, le chemin que doit parcourir la lumière en milieu atmosphérique est plus long, l énergie récupérable est donc plus faible. La puissance récupérable varie bien entendu en fonction de l heure et de la saison. Suivant ses caractéristiques propres, un panneau de 1 m 2 recevant 1000 W/m 2 génère une puissance électrique comprise entre 40 W et 150 W : seulement 4% à 15% du rayonnement est converti en énergie électrique, il y a encore des progrès à faire Carnets Note : toutes les photos de ce test ont été faites avec un appareil photo rechargé par les panneaux testés

2 Le panneau Le panneau solaire est donc un assemblage de cellules photovoltaïques. En général la tension utile des panneaux est de 12 V. Les caractéristiques techniques des panneaux sont données en général pour une puissance reçue de 1000 W/m², ce qui veut dire que la plupart du temps on aura des puissances inférieures. Pour charger un accu d une tension U, il faut un panneau dont la tension utile (notée Up) est égale à U. Si Up > U, la charge est possible mais pas optimale. Si Up < U, pas de charge possible. Utilisation de plusieurs panneaux Pour des besoins importants, on pourra mettre les panneaux soit en parallèle, soit en série. Dans les deux cas on augmente la puissance du système. a) montage en parallèle En parallèle, les puissances des panneaux se somment (quelles que 1 soient leurs puissances) : le montage en parallèle de 2 panneaux de 10 W aura une puissance de 20 W ; le montage en parallèle d un panneau de 10 W et un panneau de 5 W aura une puissance de 15 W. La mise en parallèle de panneaux permet d augmenter le courant fourni. Recharger un accu de 12 V mettra deux fois moins de temps si on utilise deux panneaux de 12 V en parallèle au lieu d un seul panneau. b) montage en série En série, les puissances ne se somment que si les panneaux ont les mêmes caractéristiques 2 (puissance et tension) : le montage en série de 2 panneaux identiques de 10 W aura une puissance de 20 W. La mise en série permet d augmenter la tension d un système en gardant la même intensité de courant. La mise en série est nécessaire quand la tension du panneau est inférieure à la tension de l élément à charger : 2 panneaux de 12 V en série fournissent une tension de 24 V. Ainsi, pour alimenter un accu de 24 V avec des panneaux de 12 V, il faut en mettre 2 en série. Il est recommandé d utiliser des panneaux de même type (même puissance) pour ce montage. Les panneaux sont caractérisés par leur tension (en Volts) et leur puissance nominale (en Watt) ; cette puissance est la puissance maximale à une tension donnée (16,5 V en général). Un panneau de 12 V a une tension de charge utile de 12 V, mais en circuit ouvert la tension à ses bornes est de plus de 20 V (pour les panneaux ICP et Unisolar que nous avons testés). Le panneau solaire ne peut pas être considéré comme une source de tension à l inverse d une pile ou d un accu qui, eux, peuvent être approximés par une source de tension. La puissance max d un panneau est obtenue lors de conditions optimales (1000 W/m² reçus) ; en pratique on aura, la plupart du temps, des valeurs inférieures. La connectique et les chargeurs La plupart des panneaux ont une sortie allumecigare femelle à laquelle on peut connecter pas mal de chargeurs pour petits matériels électroniques. Attention cependant : beaucoup de ces appareils de chargement consomment eux-mêmes de l énergie ; ils sont pensés pour être utilisés sur une batterie de voiture qui peut délivrer longtemps un fort ampérage (nous avons constaté qu une batterie d appareil photo rechargée en direct est parcourue par un courant de 380 ma, alors que la même batterie rechargée via son chargeur est traversée par un courant de 300 ma ; en revanche, alimenté par une batterie de voiture, ce même chargeur délivre 600 ma). Cependant il est quand même préférable d utiliser ces chargeurs lorsqu il s agit de recharger de petits accus à faible contenance, un ampérage trop élevé pouvant les endommager. Dans tous les cas vérifiez quand même que l intensité de sortie de votre panneau ne dépasse pas l intensité de charge recommandée pour votre accu (parfois notée sur l accu). Souvent on ne dispose pas de telles infos, il faut alors se fier à son flair ;-) (voir section accus). Il faut savoir que l on n obtiendra pas une charge optimale (i.e. : l accu ne sera pas complètement rechargé, mais cette charge aura pris moins de temps) en chargeant un accu en direct, car le fonctionnement interne des accus est assez complexe et un bon chargeur va faire varier son intensité au cours de la charge. Les panneaux ICP ont une connectique très pratique, de type alimentation standard de petits appareils électriques, de plus la jonction Courbe intensité/tension Le panneau en court circuit délivre son intensité maximale (le point tout à gauche de la courbe), dans ce cas la tension aux bornes du panneau est 0V. Lorsque le panneau est en circuit ouvert, l intensité est, bien entendu, 0 ampère et on obtient la plus forte tension. Entre les deux on a la caractéristique du panneau. On peut constater qu un panneau délivre sensiblement le même ampérage sur une large plage de tension. Le panneau doit être considéré comme une source de courant (bien sûr il s agit d une approximation) plutôt que comme une source de tension or, on a naturellement tendance à se figurer un panneau comme une source de tension (comme une pile). Une fois que l on considère le panneau comme une source de courant, on comprend bien mieux les mécanismes qui le régissent. La puissance maximale du panneau correspond à la surface du plus gros rectangle que l on peut placer sous la courbe (P=U.I) Connectique des panneaux ICP Sortie allume cigare 1. Montage en parallèle Les bornes + sont toutes reliées ensembles Les bornes sont toutes reliées ensembles 2. Montage en série La borne + de chaque élément va se connecter à la borne du suivant Carnets 73

3 Dossier énergie solaire Les usages des panneaux Les panneaux peuvent servir à recharger la plupart des appareils électriques fonctionnant sur batteries. Par exemple : GPS, téléphone satellite, téléphone portable, appareil photo numérique, lampes frontales, VHF, ordinateur portable, caméra, perforateur (utilisé et rechargé en pleine paroi comme on l a vu à Madagascar au Tsaranoro : un Espagnol était parti plusieurs jours dans la paroi de 800 mètres avec son perfo 12 V et son panneau souple), dessalinisateur et bien d autres choses encore. On peut aussi alimenter directement de petits appareils, à condition que la puissance de ces derniers soit bien inférieure à celle du panneau. entre la prise mâle et femelle est rendue étanche par un petit joint torique. A la sortie du panneau (Unisolar et ICP/ Coleman), on peut mettre des cosses simples, des pinces crocodiles, une prise allume cigare femelle et cela facilite pas mal les montages maison qui peuvent être différents si on a plusieurs types d appareils à recharger. Les accus Les accus permettent de stocker de l énergie sous forme chimique. Lors de la charge, le courant passant dans un sens entraîne une réaction chimique qui est réversible ; à la décharge, la réaction chimique a lieu dans l autre sens et libère un courant opposé à celui de la charge. La contenance (j utilise contenance plutôt que capacité pour qu il n y ait pas d amalgame avec cette autre grandeur électrique) des accus s exprime en ampères heures (Ah), cela représente la quantité d électricité disponible. Pour recharger un accu de 2 Ah il faudra (en simplifiant, en pratique c est toujours un peu plus) un courant d 1 A pendant 2 heures, ou 2 A pendant 1 heure ou 0,5 A pendant 4 heures. Bref pour recharger un accu de contenance C il faut un temps T donné par T=C/I Chaque type d accu a ses propres caractéristiques. Suivant l utilisation que l on souhaite en faire, il est nécessaire de les connaître pour optimiser leur utilisation et leur recharge. Plomb La vieille techno qui marche bien mais qui est lourde et polluante. En revanche, ces accus sont économiques. Ils sont capables de fournir un courant de décharge élevé. De plus, ces accus sont tolérants à des techniques de recharge exotiques. L intensité de charge optimale est de 1/5 de la contenance de l accu. Si votre batterie 12 V fait 2 Ah, le courant d entrée optimal sera de 0,4 A. Un courant d intensité supérieure risquerait d endommager votre batterie. Un panneau de 5 W est bien indiqué pour ce cas de figure. Ni-Cd (Nickel Cadmium) Léger. Le Ni-Cd ne craint pas trop les surcharges. L intensité de courant lors de la décharge peut être élevée, jusqu à une valeur d environ 10 fois la contenance (un accu de 2 Ah pourra débiter 20 A), les accus Ni-Cd sont donc utilisés par les appareils gourmands (perforateur ). Mais cette techno est polluante (cadmium) et sera probablement bientôt interdite (pour les batteries de véhicules tout au moins). A noter : Effet mémoire gênant, il faut complètement vider l accu avant de le recharger sinon ses performances diminuent. Le courant de charge d un accu Ni-Cd doit être d environ 1/10 de la contenance de l accu. On peut utiliser temporairement (1h max) un courant de charge équivalent à la valeur de la contenance. On peut recharger à 1/20 de la contenance de l accu pendant autant de temps que l on veut. Donc un accu au Ni-Cd de 12 V et 2 Ah pourra être rechargé avec un courant de charge compris entre 0,1 et 2 A. La gamme des panneaux pouvant recharger de tels accus est large (de 1 W à 20 W) mais le temps de charge sera différent bien évidemment. Ni-Mh (Nickel Métal-hydrure) Moins polluants, ces accus ont une meilleure contenance (environ 40% de plus à volume égal) que les Ni-Cd et surtout, ils n ont pas d effet mémoire. L intensité de décharge maximale est plus faible que les Ni-Cd, et de ce fait les appareils gros consommateurs d énergie utilisent en général des batteries Ni-Cd. Leur prix est plus élevé que les Ni-Cd. En stockage, les Ni-Mh se déchargent plus vite que les Ni-Cd. Conseils pour la charge : intensité de charge comprise entre 1/20 et 1 de la valeur de contenance, comme les Ni-Cd, en revanche, il faut impérativement éviter de surcharger un accu Ni-Mh car le risque d altération est élevé. 74 Carnets

4 En pratique Pour sortir un peu des chiffres théoriques, voici quelques résultats expérimentaux obtenus avec un appareil photo numérique. Test réalisé avec un accu vidé de 7,8 V Li-ion d un appareil photo numérique, vers 15h solaire en octobre. 10 minutes de charge avec le ICP 10 watts donne : 68 photos réalisées en 6 minutes. 10 minutes de charge avec un des panneaux 5 watts (Coleman et Unisolar) donne : 32 photos réalisées en 4 minutes. L appareil était en mode autofocus constant et écran allumé. Li-ion (Lithium Ion) C est bien souvent le type de batterie des téléphones mobiles. C est une techno compacte mais onéreuse. Il est préférable d utiliser un chargeur spécifique pour ces accus car, en cas de mauvaise utilisation, on peut les détruire, voire risquer l explosion. Si vous rechargez en direct, l intensité de charge ne doit pas être supérieure à la valeur de contenance. I < C, C/2 est le courant optimal. Il ne faut surtout pas surcharger une batterie Li-ion. A noter : pour charger des piles rechargeables avec un panneau 12 V, il faut les placer en série entre elles, on peut les grouper de 4 à 12 (pour des accus de 1,2 V). Les meilleures performances de charges seront obtenues vers accus. En mettant les accus en série, on obtient un accu avec une tension plus élevée, mais la contenance de l ensemble est celle d un élément (10 accus de 1,2 V et de contenance 1 Ah mis en série seront équivalents à un accu de 12 V de contenance 1 Ah). Il est important de mettre en série des éléments de mêmes caractéristiques. Les contenances se somment quand on met les accus en parallèle, dans ce cas la tension de l ensemble reste celle d un élément (10 accus de 1,2 V et 1 Ah montés en parallèle seront équivalents à un accu de 1,2 V de 10 Ah). Accu tampon Un accu tampon de grande contenance, c est à dire d au moins 4 Ah, peut être chargé durant la journée, puis on peut s en servir pour recharger ou alimenter de manière optimale, le soir venu, les divers appareils électriques. L intérêt d un tel système est de stocker de l énergie qui pourra être mobilisée rapidement, donc alimenter des appareils nécessitant une grande puissance. Typiquement, un dessalinisateur consomme beaucoup d électricité (cf. Carnets N 4, dossier sur l eau potable en expé). Le dessalinisateur 40E de Katadyn fonctionne en 12 V et consomme 48 W en produisant 5,7 litres d eau douce par heure. Pour le faire fonctionner en continu, il faudrait au moins 60 W en panneau solaire (puisque nous savons que 60 W est la puissance maxi obtenue en conditions très favorables) ce qui représente une belle surface le mieux est de charger un accu tampon et de faire ensuite fonctionner le dessalinisateur sur l accu rechargé. L accu pourra débiter les 4 ampères nécessaires au bon fonctionnement du dessalinisateur. Pour le faire fonctionner 1 h, il faut donc un accu 12 V de 4 Ah chargé à bloc. En pratique, il vaut mieux prendre un plus gros accu. Avec un panneau de 20 W (1,2 A en puissance max pour moins de 600 g chez ICP), on va devoir charger cet accu pendant 3h30 environ dans des conditions optimales, soit en pratique toute la journée. Le soir, en vidant l accu dans le dessalinisateur on obtiendra 5l d eau douce Avec un accu tampon, on dispose toujours d une réserve d électricité qui peut servir à recharger ou utiliser un appareil dans l urgence, la nuit par exemple. Il est cependant à noter que le rendement d un tel système est moins bon du fait qu on a un cycle de charge intermédiaire où de l énergie sera forcément perdue. Attention : l accu tampon va potentiellement délivrer un ampérage élevé (beaucoup plus que le panneau), or on sait qu un ampérage trop élevé peut endommager l accu à recharger. Il est préférable d utiliser un régulateur de courant pour recharger les «petits» accus. Le plus sûr dans ce cas est d utiliser les chargeurs allume-cigare spécifiques à chaque batterie. Dossier réalisé par Olivier Nobili Stéphane Egly et Hugues-Marie Bonnel Recharge d un accu en direct avec la sortie «pinces crocodiles». La sortie + du panneau sur la borne + de l accu, la sortie du panneau sur la borne de l accu. Le panneau en utilisation Quand on se sert d un panneau, on n a pas toujours les conditions optimales d ensoleillement, ni le bon positionnement du panneau par rapport au soleil, surtout si on recharge en chemin (panneau fixé comme on peut sur le sac, les sacoches du vélo ou le pont du kayak). Nous avons fait quelques mesures d intensité de sortie des panneaux dans plusieurs situations différentes. Variation angulaire Test réalisé par ciel clair, vers 12h solaire en octobre dans le sud de la France. Angle par rapport au soleil (angle des rayons solaires par rapport à la droite orthogonale au panneau solaire, 0 signifie panneau bien en face du soleil, 90 signifie panneau parallèle aux rayons et donc non éclairé directement). 0 (angle optimal) : 320 ma, intensité max ce jour. 30 : 270 ma, soit 84 % de l intensité max. 45 : 230 ma, soit 72 % de l intensité max. 60 : 190 ma, soit 59 % de l intensité max. Ces résultats ont été effectués avec les panneaux 5 W ICP/Coleman et Unisolar qui donnaient sensiblement les mêmes résultats, avec un léger mieux pour le Unisolar (environ 10 ma). Temps nuageux Avec de gros nuages qui cachent le soleil vers 14h solaire : Les panneaux 5 Watts délivrent environ 100 ma (environ 30% de son intensité max) dans un accu 7,4 V de 800 mah, il faudra donc environ 8h dans ces conditions pour le recharger. Le ICP 10 Watts dans les mêmes conditions délivre 190 ma (également environ 30% de son intensité max). Avec un temps nuageux l inclinaison par rapport à la position du soleil a moins d influence puisque le rayonnement reçu provient d une source diffuse (l ensemble du ciel). Température d utilisation La plage de température des panneaux va de -40 C à +60 C (source ICP). Web - : un site sur l énergie solaire et les énergies renouvelables en général, assez complet. - : un excellent site très complet sur les accus. Carnets 75

5 Dossier énergie solaire Quelques produits du marché que nous avons testés ICP Solar (nous avons testé le panneau 10 watts) ICP Solar est une entreprise canadienne qui utilise des technologies développées par la Nasa pour la fabrication de ses panneaux. Il en résulte des panneaux extra fins, extra flexibles (ils se roulent) et très légers. Utilisation possible : tous domaines d application (pont du kayak, sac à dos, etc.), leur gamme de puissance est étendue car on peut les mettre en parallèle très facilement grâce à un câble prévu à cet effet. Livrés avec une sortie cosse + et - simple, une prise allume cigare femelle et une rallonge. Le rapport puissance poids est excellent Connectique très pratique La surface, cellule/support, est vraiment très bonne Se roule Etanche On peut très facilement coupler les panneaux non inscrites directement sur le panneau 10 W : 0,6 A à 16,5 V Poids : 550 g, taille mesurée : 107 cm X 27 cm X 0,1 cm. Ratio puissance/poids : 55 g de panneau pour 1 watt. Prix env. 250 euros, prix du watt : 25 euros Les cellules (la zone réellement active) couvrent 65 % de la surface totale du panneau. Existe aussi en 5 W et 20 W 5 W : 0,3 A à 16,5 V, 360 g, prix env. 145 euros, prix du watt : 29 euros 20 W : 1,2 A à 16,5 V, 860 g, prix env. 350 euros, prix du watt : 17,50 euros Vous pouvez trouver ces panneaux notamment via la boutique Carnets ( et Au Vieux Campeur. ICP/Coleman Le Coleman est fabriqué par ICP. Utilisation : le Coleman peut recharger la plupart des petits appareils électriques. Il ne peut pas être utilisé en milieu très humide (pont d un kayak) car il est weatherproof (résistant aux éclaboussures et ruissellements). Ce panneau est livré avec une prise allume cigare femelle. On l a testé en situation lors d une rando à pieds pour recharger un appareil photo numérique et la pile de notre réchaud à bois. On l a trouvé très pratique car super compact et léger. La possibilité de le replier, il devient alors ultra compact Très léger Connectique très pratique Il est dommage que les cellules ne couvrent que 42% de la surface du support, on aurait pu avoir un système encore plus compact. non inscrites directement sur le panneau. Puissance 5 watts, poids constaté hors connectique 290 g, taille mesurée 21,5 cm X 14,5 cm x 1,5 cm replié, et 21,5 cm x 71 cm x 0,3 cm. Le rapport puissance/poids est de 58 g de panneau pour 1 watt. Déplié, la surface des cellules est de 42 % de la surface totale du panneau. Prix public : env. 100 euros, prix du watt : 20 euros Vous pouvez trouver ce panneau via la boutique Carnets et Au Vieux Campeur. 76 Carnets

6 Unisolar (nous avons testé le 5 watts) Des panneaux souples qui ont l air très robustes. Le panneau ne se roule pas. Ils sont étanches. Le panneau est livré avec une sortie simple cosse + et -. Bon rendement du panneau Construction robuste inscrites sur le panneau Son apparente robustesse le rend un peu plus lourd que ses concurrents Connectique un peu moins pratique que les ICP/Coleman Puissance 5 watts, poids constaté hors connectique 490g, le rapport puissance/poids est de 98 g de panneau pour 1 watt Les cellules couvrent 54 % de la surface totale du panneau. Taille mesurée 54 cm X 25 cm X 0,6 cm Prix env. 158 euros, prix du watt : 31,60 euros Existe également en 10 et 32 watts 10 W : poids 910 g, 91 g par watt, env. 279 euros env., prix du watt : 28 euros 32 W : poids 2410 g, 75 g par watt, env. 581 euros, prix du watt : 18,15 euros Vous pouvez trouver ces panneaux solaires au magasin 1000 et une piles, 34 rue Delambre, Paris Tel : Silva Silva vend de petits chargeurs solaires. Ils sont assez pratiques car on peut loger les piles à recharger au sein même du panneau. Une sortie allume cigare se trouve dans le boîtier, un câble avec plusieurs sortes de connecteurs d alimentation est fourni avec, incluant même de petites pinces crocos (un peu trop petites d ailleurs). Ces chargeurs ne sont pas très puissants, mais on peut tout de même recharger de petits appareils. Attention cependant : la plupart des chargeurs que l on peut brancher sur la prise allume cigare du panneau consomment à eux seul l énergie du panneau et ne rechargent pas, ou si peu, l appareil. Avec ce panneau qui ne fournit qu un faible ampérage, il est donc préférable de recharger les accus en direct (grâce aux pinces croco). Le panneau est constitué de 2 sous-panneaux de 6 V qui sont placés en série ou en parallèle suivant la position du sélecteur de tension. Du coup, on a un panneau qui délivre du 6 V et du 12 V. Nous avions ces panneaux en kayak en Croatie (cf. Carnets n 4) et durant l expé Cap sur l Afrique (cf n 1), et, à part le manque de puissance, ils se sont révélés très pratiques et très fiables lors des 3 mois d utilisation. Pratique et simple d utilisation, toute la connectique est incluse. Peu cher. Le témoin lumineux permet de vérifier que le panneau est en train de charger. Un peu lourd et volumineux par rapport à la puissance. Non flexible, donc plus cassant. Manque de puissance. Puissance environ 1 watt. Poids hors connectique constaté 520 g. Taille mesurée 25 cm X 17 cm x 4,5 cm Intensité max : 140 ma à 6 V, 70 ma à 12 V La surface des cellules représente 63% de la surface totale du panneau. Le ratio puissance/poids est de 520 g par watt Prix : 59 euros environ, prix du watt : 59 euros Vous pouvez trouver ce panneau notamment via les magasins Expé ( Prochains sujets : Les GPS, La photo en expé,... Carnets 77