on the road again

Panneaux solaires portables

Écrit par Olivier Nobili 6 juin 2013. Publié dans Energie nomade - 

L'énergie du voyageur nature : Panneaux solaires et batteries tampon nomades

Dossier et photos : Olivier et Johanna Nobili

Version allégée de l’article publié dans Carnets d’Aventures n°32.

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C’est la troisième fois que nous publions un dossier « énergie solaire », la première c’était en 2004 et il y a eu beaucoup de changements depuis. Les panneaux se sont amincis, allégés et ont visiblement gagné en fiabilité. D’autre part, la connectique USB pour le rechargement, qui tend à se généraliser, simplifie beaucoup l’usage des panneaux. L’offre s’est aussi bien étoffée et toute une gamme de produits adaptés à un large spectre d’utilisation est maintenant disponible.

Le panneau solaire renforce le sentiment d’autonomie, cette impression de pouvoir rester dans son voyage très longtemps… Le voyageur itinérant dans la nature n’a pas besoin d’aller chercher une prise de courant (quand il y en a) pour recharger tout son matériel : téléphone, GPS, appareil photo, frontales, liseuses… et pour les plus technophiles, tablettes, ordinateurs. Cela a quelque chose de magique !

Certains diront cependant « Bon, et si on arrivait à se passer de tous ces éléments électroniques, on se simplifierait bien la vie non ? » ;-). Oui, peut-être…

Ce dossier commence par une base de connaissances. Elle sera utile pour savoir choisir les éléments qui correspondent à ses vrais besoins. D’autre part, elle donne les informations nécessaires pour manipuler ces solutions d’énergie nomade à bon escient.

La seconde partie est un test qui présente des produits actuels et les résultats de nos mesures (magazine papier) et tableau comparatif des panneaux solaires.

Voir aussi la discussion associée

La base de connaissances utiles

Les formules simples de l’électricité

Vous devez vous souvenir des quelques lois simples (apprises au collège !) qui lient l’intensité (I), la tension (U), la puissance (P) et les résistances (R). Pour rappel, car elles sont bien utiles pour comprendre ce qui se passe, les voici :

P=U.I (la puissance P en watts), est le produit entre la tension (U, en volts), et l’intensité du courant (I, en ampères).

U=R.I (la tension (U en volts) aux bornes d’une résistance, est le résultat du produit entre la résistance (R en Ohms) et l’intensité de courant (I en ampères) qui traverse cette résistance.

Comment modéliser un panneau solaire ?

Un panneau solaire fournit un courant continu, il a une tension entre ses bornes et donc délivre une puissance. Ces paramètres ne sont pas constants, ils dépendent du niveau d’ensoleillement. Ce qui varie surtout en fonction de l’ensoleillement, c’est l’intensité de courant et donc la puissance de sortie. Si on court-circuite1 un panneau solaire, on constate que l’intensité de courant varie peu, alors que si on court-circuite une source de tension (théorique) on obtient une intensité qui tend vers l’infini. Bien sûr pour une batterie réelle ce n’est pas le cas car elle a une résistance interne qui limite ce courant, cependant il sera tout de même très élevé et elle chauffera au point de potentiellement prendre feu ou exploser (dissipation en chaleur de l’énergie à travers sa résistance interne).

Donc un panneau solaire, qui continue de faire circuler une intensité proche de son intensité nominale, ne peut être vu comme une source de tension. Un panneau se rapproche davantage, sans en être vraiment une, d’une source de courant.

En effet si on fait varier la résistance d’un circuit connecté à un panneau, le courant qui circule varie assez peu (c’est la tension aux bornes de la résistance qui va changer – cela est vrai dans une certaine plage de résistance bien entendu ; en effet, si le panneau était une vraie source de courant avec une résistance allant vers l’infini, la puissance du panneau tendrait également vers l’infini : P=UI et U=RI, donc P=RI2, mais le panneau ne peut dépasser sa puissance maximale et l’intensité se met alors à tomber au-delà d’une certaine résistance.

Nous le verrons sur les courbes), alors que le courant varie énormément si le générateur du circuit est une batterie. Dans les deux cas U=RI est vérifié, mais dans le cas d’une source de tension c’est I qui varie alors que dans le cas d’une source de courant c’est U qui varie.

 
Modélisation panneau solaire

La puissance du rayonnement solaire

Le spectre solaire s’étend sur une large plage de longueurs d’ondes. Ce sont des photons qui « vibrent » à diverses fréquences. Ceux qui vibrent le plus rapidement (les petites longueurs d’ondes) sont porteurs de plus d’énergie. Concrètement, dans la lumière visible, les photons sur la longueur d’onde du bleu sont plus énergétiques que ceux sur la longueur d’onde du rouge. Un panneau solaire va « exploiter » une partie seulement des longueurs d’ondes du spectre lumineux. Le reste est soit réfléchi, soit converti en chaleur. En pratique, une cellule convertit en énergie électrique de 4 à 20 % de l’énergie solaire reçue selon sa technologie.

Quelle est la puissance du rayonnement solaire ? On admet que la puissance brute solaire reçue au niveau du sol (lumière directe + diffuse) est, dans un cas favorable (soleil assez haut sur l’horizon, ciel clair), de 1000 W/m² (attention, il ne s’agit pas d’une borne supérieure ; sans atmosphère, la puissance reçue au niveau de la terre serait en moyenne de 1367 W/m²). Avec des nuages fins (on discerne encore les ombres), cette puissance oscille de 800 W/m² à 300 W/m², et tombe encore avec des nuages plus épais (on ne voit plus les ombres). 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, de la saison, de la latitude, et même de la température du panneau (en effet, le rendement se dégrade sensiblement quand le panneau chauffe, le rendement est nominal quand la température de la cellule est de 25°C, ensuite le rendement baisse de 0,1 % à 0,5 % par °C au-dessus de 25°C, or, le panneau grimpe très vite en température lorsqu’il est exposé au soleil, localement les 50°C sont vite atteints.

Il est judicieux de le placer sur le lieu le plus venté pour limiter le problème)... Dans les faits cette puissance varie donc beaucoup.

Caractéristiques d’une sortie USB

Un port USB sert à la communication entre l’ordinateur et les divers périphériques. Mais en plus de l’échange d’information, ce port alimente en énergie ces périphériques. Les caractéristiques « énergétiques » d’un port USB sont 5 V et 500 mA maximum, soit 2,5 W (selon la norme).

Nous l’avons par exemple mesuré à 5,13 V sur un de nos ordinateurs. Vu que l’on peut recharger de plus en plus d’appareils via USB, c’est tout naturellement que l’on voit apparaître cette connectique sur les panneaux et batteries tampon.

Attention cependant, ces éléments peuvent sortir un courant supérieur à 500 mA (voir les caractéristiques du produit en question) et si l’appareil à recharger ne régule pas car il se base sur les 500 mA de la norme, vous pouvez l’endommager.

Pour vérifier que ça ne pose pas de problème, regardez les chargeurs de vos appareils, il est mentionné dessus les courants/voltage de sortie. Sinon vous trouverez peut-être l’info des courants maxi sur la documentation technique de votre appareil.

Par exemple les chargeurs à connectique USB (à brancher sur le secteur) de smartphone Galaxy SII et SIII ont un courant de sortie continu à 5 V compris entre 700 mA et 1000 mA ; ce qui veut dire que ces smartphones sont capables de se charger avec un courant d’entrée jusqu’à au moins 1000 mA ce qui est bien supérieur aux 500 mA de la norme USB.

Les temps de chargement

- Si on passe par l’intermédiaire d’un chargeur (conseillé), pas besoin de se préoccuper tout cela, le chargeur est censé gérer. En USB, les appareils gèrent généralement également leur charge eux-mêmes.

Pour les autres :

- Une batterie ayant une contenance⁴ de n ampères-heures se rechargera avec un courant de charge i en n/i heures. C’est pour avoir un ordre d’idée, et c’est plutôt la borne inférieure, car il y a bien entendu de la perte énergétique durant la charge (chaleur…). On peut compter 20 à 40 % de temps de charge en plus pour compenser ces pertes. Donc pour une batterie vide de 1600 mAh (milliampères-heures), soit 1,6 Ah, il faudra, avec un courant de charge de 500 mA (milliampères), 3,2 h de charge minimum pour la recharger complètement. 1,6 Ah divisé par 0,5 A. On donne ces valeurs car elles sont de l’ordre de ce qu’on rencontre couramment.

- Courants de charge conseillés selon la contenance d’une batterie : l’intensité de charge conseillée et sans risque pour l’accu est de 10 % de la valeur de sa contenance (ce sont deux entités qui n’ont pas les mêmes dimensions au sens physique, donc cette comparaison n’a pas beaucoup de sens en tant que telle mais elle est tout de même bien pratique). On devrait donc charger une batterie de contenance 1200 mAh avec un courant de 120 mA.

En fait c’est un peu plus compliqué que ça : on peut charger assez fort (de 50 % à 100 % soit 600 mA à 1200 mA) en début de charge, mais lorsque la batterie est quasi pleine il faut arrêter la charge, ou charger avec les fameux 10 %, soit 120 mA mentionnés plus haut pour notre accu de 1200 mAh. Dès que les accus chauffent significativement (+ de 50°C) il faut arrêter la charge.

Évitez de charger en direct un accu li-ion ou li-po (c'est-à-dire en dehors de tout chargeur, en reliant la batterie à la sortie du panneau), il peut exploser si on le charge trop longtemps.

 
Intensité produite en fonction de l'insolation

Petites notions utiles pour qui veut charger une batterie en bricolant

Notes :

1) court-circuiter un générateur (pile, batterie, panneau…) consiste à relier sa borne + à sa borne -.

2) rendement : c’est le rendement des cellules de production industrielle que nous mentionnons ici (celles qui nous concerne) ; celles développées en labo ont des rendements bien supérieurs mais les contraintes des coûts de production conduisent à des compromis.

3) diode : élément électronique semi-conducteur d’un circuit électrique, elle ne laisse passer le courant que dans un sens.

4) contenance : on utilise volontairement contenance plutôt que capacité, car en électricité la capacité désigne une autre grandeur.

Quelques exemples de batteries

- GPS

Sportiva Twonav : 3,7 V et 1050 mAh

Nombre de GPS fonctionnent avec des piles rechargeables :

Exemple : 2 piles AA = de 2,4 à 3 V et 2100 mAh

- Frontales

Fonctionne souvent avec des piles

Exemple de frontaes compactes : 3 piles AAA = de 3,6 à 4,5 V et 900 mAh

La Petzl Nao : 3,7 V et 2300 mAh

- Appareil photo numérique

Compact Sony HX-10V : 3,6 V et 960 mAh

Reflex Canon EOS 650D : 7,2 V et 1120 mAh

- Caméras légères

Gopro HD2 : 3,7 V et 1100 mAh

Sony HDR-GW55 : 3,6 V et 960 mAh

- Caméra semi-pro

Canon Legria HF G25 : 7,4 V et 960 mAh

Sony NEX-VG30 : 7,4 V et 2060 mAh

- Téléphone mobile

Samsung B2710 : 3,7 V et 1300 mAh

- Smartphone

Samsung Galaxy SII : 3,7 V et 1700 mAh

Iphone 4 : 3,7 V et 1400 mAh

- Tablettes

Ipad2 : 3,7 V et 7200 mAh

Galaxy Tab 10.1 : 3,7 V et 7000 mAh

- Mini-ordinateur

Type eee pc, HP Mini, etc. : 10,8 V et 5000 mAh environ

- Téléphone satellite

Iridium 9555 : 3,7 V et 2200 mAh

- VHF

President PM-2010WP : 7,4 V et 85 mAh

Globalement, à part les minis PC, les caméscopes semi-pro, les appareils reflex et les VHF, tout se charge très bien avec un panneau de faible voltage (type USB 5V) et on aura intérêt à prendre ce type de panneau pour une meilleure efficacité si on n’utilise pas de batterie tampon.

Les divers profils et leurs besoins

Note : si le matériel est utilisé dans les hautes latitudes (Grand Nord / Grand Sud), là (ou quand) où le soleil ne monte pas très haut sur l’horizon, il faudra sans doute un peu surdimensionner les panneaux.