Voile et Electronique : Christian Couderc

Introduction
Soleil ou vent ?
Fonctionnement des panneaux
Montage au sol
Installation sur le voilier
Pompe de charge
Relier points intermédiaires
Liens

Maj : 07/09/07

Abstract :
Photovoltaic systems to generate soft energy on the boat. Performances to compare with wind systems, installation and optimisation of output power. Charge pumps and voltage elevators.

Résumé :
Systèmes photovoltaïques pour générer de l'énergie douce sur le bateau. Performances à comparer aux systèmes éoliens. Installation et optimisation de la puissance de sortie. Pompe de charge et élévateurs de tension.

Cette page est un complément de la grosse rubrique "Charge batteries et énergie " qui traitera de la charge dans le cas complexe d'un bateau de voyage, équipé de plusieurs sources et de plusieurs batteries. Les pages annexes aux batteries et à la répartition de la charge sont :

Les alternateurs sur le moteur et par l'hélice, montage et régulation, groupes électrogènes, piles à combustible et autres sources, dans la page, L'énergie du bord

Bonnes définitions extraites de l'Apex (voir liens) : La cellule photovoltaïque

/* La cellule photovoltaïque ou photopile est un composant électronique à semi-conducteur (silicium). L'absorption de la lumière crée des charges positives et négatives qui sont séparées et collectées par une grille en face avant et un contact en face arrière. Cette transformation directe de la lumière en électricité s'effectue sans pièces mobiles, sans bruit, sans pollution.
Les modules photovoltaïques, composés d'un ensemble de cellules connectées entre elles, transforment directement la lumière en électricité.
La batterie d'accumulateurs stocke l'énergie électrique produite pour pouvoir la restituer à tout moment (jour ou nuit, ensoleillement ou non) .
Le régulateur de charge-décharge protège la batterie contre les surcharges et décharges profondes et prolonge ainsi sa durée de vie . (Je traiterai cette partie dans la page "Batteries "). */

A force de naviguer entre les sacs plastiques et les plaques de mazout, vous devenez écologiste. Cette année vous équipez votre voilier en énergies douces. Vous allez investir quelques milliers d’euros pour vous acheter une conscience tranquille de vrai écologiste. Arrivé à ce stade une alternative apparaît : Soleil ou vent ?
Les deux exploitent les énergies douces, mais les problèmes sont très différents. Réfléchissez avant de vous lancer, voici les éléments de choix simplifiés au maximum :

L’aérogénérateur fonctionne toute l'année, jour et nuit, suivant les régions.
Moyenne sur l'année en mouillage venté : 12 volts * 24 heures * 2 ampères = de l'ordre de 500 Wh
Un demi kilowatt*heure par jour est alors possible avec le meilleur matériel du marché. Le rendement est toujours optimal, l'aérogénérateur s'aligne sur le vent et demande peu d’entretien.

C'est beaucoup d'énergie en conditions optimales, de l'ordre de deux heures de marche au moteur (courant faible mais longtemps), toutefois sous le vent des îles et en périodes anticycloniques, l’énergie récoltée sera nulle.
Ce système a de gros défauts, avec un fort bruit généré, infrasons et vibrations très pénibles, ce qui explique le bout bloquant les pales sur les bateaux équipés, quand l'équipage est à bord.
En mouillage forain, on s'efforce toujours de trouver le coin le plus calme et le moins venté. Le rendement sera alors nul et le solaire sera beaucoup plus efficace.
Pendant l’hivernage, l’efficacité est excellente et les batteries seront chargées à bloc en arrivant au bateau.

Le rendement des panneaux est variable, suivant la saison et la latitude. L'été en Méditerranée c'est une bonne solution, sous les tropiques c'est incontournable.
Un simple petit panneau sous nos latitudes en été, fournira en moyenne autant d’énergie qu’un aérogénérateur, mais sans la moindre pollution !
Si le bateau le permet, en naviguant entre les cocotiers, la solution est de multiplier les panneaux sur un joli portique. C’est évidement un gros investissement, mais vous aurez alors une énergie très abondante sans aucune nuisance, avec pour seule contrainte légère de rincer de temps en temps pour maintenir les panneaux propres.
Quelques mètres carrés de panneaux sur un portique dégradent évidement la finesse du bateau et réduiront les performances au près serré, tout dépend si l’on navigue sur un Class America ou un catamaran de croisière.

C'est un vrai bonheur d'arriver à étaler sa consommation sans faire tourner le diesel dans un mouillage de rêve.
La page "charge des batteries " traite de l'optimisation et de la régulation anti-surcharge. Les bilans pratiques sont en page "énergie " et "bilan ".

Les alternateurs sur arbre d'hélice ou hydrogénérateurs sont traités en page alternateur. Ces matériels très contraignants sont beaucoup moins répandus que les aérogénérateurs d'un emploi plus simple.

C'est simple, pour un programme de voyage, avec un bateau disposant de nombreux équipements voraces, il faut combiner toutes les énergies possibles, aérien, solaire, arbre d'hélice, en plus évidement des alternateurs des moteurs. Ce n'est qu'une question de budget et de qualité d'installation. L'indépendance des sources complémentaires fiabilisera la gestion de l'énergie.
En vivant à bord, il n’y en aura jamais assez et le groupe électrogène et le chargeur de quai seront sollicités pour équilibrer le bilan.

Les aérogénérateurs et panneaux solaires souffrent du même problème. En conditions optimales, soleil tropical au midi perpendiculaire au panneau ou vent fort, le rendement est bon, l’énergie est maximale, proche de celle donnée sur la fiche du constructeur. En conditions normales, le rendement est faible et la tension trop basse pour charger.

Il existe un moyen très évolué pour gonfler fortement le flux d’énergie récupérable. Le principe est de monter un élévateur de tension piloté entre la source est la batterie.
Si la tension est trop basse, l’élévateur l’augmente peu à peu, le courant de charge augmente alors aussi. Évidement cela charge d’avantage la source qui à tendance à s’écrouler en tension. Il est très simple de calculer le produit Vsource*Isource et de moduler la tension de sortie de l’élévateur par une rampe lente autour de la valeur précédente afin de se maintenir en permanence au sommet de la courbe de Gauss du "rendement / Vsortie". Un petit microcontrôleur fait cela parfaitement.
Une diode Schottky à très faible seuil strappe le dispositif pour passer en direct quand les conditions sont optimales ou en cas de panne. Un très bon montage a un rendement de l’ordre de 87% et double en moyenne l’énergie fournie. Voir le chapitre de l’alimentation du PC portable qui parle des pompes de charges, c’est exactement le même montage.

Dans le cas d’un élévateur, l’électronique sera évidement montée au plus près de la source pour compenser les pertes ohmiques de la ligne vers la batterie.
Pour le médiocre régulateur basique d’origine, le problème est inverse, il faudra le placer près de la batterie pour prendre en compte les pertes de ligne.

Je ne vais pas faire la théorie de la conversion d'énergie pour ne pas rebuter ceux qui me reprochent de ne pas me mettre à la portée des débutants.
Je suppose donc que le lecteur a déjà entendu parler des panneaux solaires. La seule chose à savoir pour le moment est que l'énergie fournie dépend de facteurs simples :

Le rayonnement dans votre zone de navigation, suivant la saison, très inférieur aux conditions maximales données par le constructeur.

L'éloignement du midi, plus le soleil est bas, plus la masse atmosphérique absorbe l'énergie.

La mauvaise inclinaison du panneau, par rapport à la perpendicularité. Ce paramètre est à considérer avec soin. À 45° d'écart, le sinus de l'angle intervient, sin Pi/4 = 0.7, ce qui veut dire qu'un écart d'inclinaison de 45° amènera une perte de 30%. Attention ce n'est quand même pas le carré du sinus qui intervient, nous ne considérons qu'un plan d'inclinaison, l'énergie est proportionnelle à la surface interceptée par l'angle solide. Mais en réalité la perte est beaucoup plus importante, car le panneau silicium est protégé par une plaque de verre ou de plastique qui produit deux réflexions parasites et donc une perte d'énergie réfléchie importante en plus du rapport de surface affaibli.
Considérons en gros qu'un panneau incliné de 45° de la normale perdra en tout 50% de rendement.
Avec un angle de plus de 60 %, le rendement devient quasi nul.
Pour essayer d'améliorer ce seul paramètre accessible par l'utilisateur, nous allons évoquer les possibilité d'inclinaison du panneau, assez facilement au sol, très difficilement à bord.

En été, sous nos latitudes méditerranéennes, on admet que le facteur de compensation d'un bon panneau solaire est de 76 %.
En hiver il tombe à 20 %.
C'est le facteur correctif qu'il faut apporter à la puissance constructeur donnée au midi solaire, panneau bien perpendiculaire, le jour d'ensoleillement maximum.
En optimisant la charge, le panneau 100 W sortira à ce moment et conditions exceptionnelles 76 W.
Pour fixer les idées, un panneau d'un mètre carré a une puissance constructeur de 100 watts commerciaux environ.
Les panneaux mono cristallins sont plus chers, les poly cristallins ont un rendement inférieur.

Rendement panneaux solaires, bilan journalier en été pour un constructeur sérieux :

Energie espérée (en VAh) = Puissance commerciale (en W) * 4.8 en Méditerranée, un peu plus sous les tropiques.

La page des bilans énergétiques sur un bateau de grand voyage

vous montrera les excellents résultats que l'on peut espérer en y mettant les moyens sous les tropiques. Une grande surface de panneaux alimentera généreusement tout le bord sans les vibrations d'un aérogénérateur qui gâche le calme d'un joli mouillage. C'est cher, c'est encombrant mais efficace. Si vous naviguez sur les côtes nordiques, ce ne serait évidemment pas une bonne idée.

Montage des panneaux. Il existe trois choix de base : fixe, mobile un axe, mobile 2 axes. Considérons dans ce chapitre l'installation à terre. Je traite ce cas en premier car il est simple, les panneaux pouvant être photovoltaïques ou producteurs d'eau chaude, le problème est identique. Pour une installation à terre, le montage des panneaux est simple :
Soit l'installation fixe, simple, plein sud, inclinaison 45 degrés, souvent préférée pour les panneaux lourds.
Soit l'installation mobile.
Il faut alors faire une poursuite deux axes, avec une alternative.
Poursuite astronomique ou poursuite à capteur.

La poursuite astronomique consiste à utiliser une petite table de position du soleil, en rentrant par exemple l'heure du midi vrai, ou les heures coucher et lever d'après l'almanach. La précision nécessaire n'est pas très grande, un point par mois est suffisant, le reste est interpolé. Il est aussi possible aussi de rentrer l'heure et l'élévation maximale (midi vrai). Le calculateur qui a une horloge calendrier, calcule chaque jour le lever et le coucher du panneau connaissant latitude et longitude. C'est de la trigonométrie très simple. Une cellule capte la lumière d'ambiance, si le temps est trop couvert, le panneau ne bouge pas et reste dans la position d'arrêt précédente. Si l'éclairement est suffisant pendant un certain temps, le rapport [énergie consommée pour le positionnement] / [énergie probablement récupérée] est favorable, les deux moteurs sont commandés et le panneau passe en poursuite. Il suffit d'envoyer une correction toutes les 5 minutes. Si le soleil se couvre, le panneau reste bloqué. Au coucher du soleil, le panneau reste à l'Ouest afin de ne pas gaspiller d'énergie si au prochain lever du soleil l'éclairement est trop faible.

Il existe une méthode astucieuse pour faire une poursuite optique du soleil, sans calculateur complexe. Utiliser un détecteur quatre quadrants pour déterminer la direction du soleil. La réalisation est très simple est efficace. Disposer quatre cellules en carré à plat sur un morceau de circuit imprimé. Recouvrir les cellules d'un petit diffuseur en papier calque ou plastique. Installer un cache dièdre (plaques verticales) suivant les médianes du carré, les cellules étant dans les coins. Disposer le tout sous une demi sphère verre ou plastique, un demi globe de vieux compas convient parfaitement, même très dépoli. Disposer la demi sphère ainsi obtenue au soleil, et mesurez l'énergie sur les quatre cellules. Il est possible de monter les deux opposées en pont de Wheatstone (un pont par axe) ou par un multiplexeur lire les quatre via un contrôleur.
Ce système permet très simplement de poursuivre le soleil. Il suffit de monter deux axes, un NS, l'autre EW. Un petit moteur permet de réaliser le basculement pour chaque axe.
Pour poursuivre le soleil il suffit de commander le moteur dans la direction de la cellule la moins éclairée. Le calculateur recherche l'équilibre, il n'est pas utile de faire plus d'une correction toutes les cinq minutes, le calculateur se met en sommeil entre les lectures. A l'équilibre, l'axe est parfait. Un potentiomètre par axe recopie la position .
Le calculateur peut ainsi envoyer en temps réel l'axe du soleil sur un bus CAN. Si la luminosité est trop faible, le calculateur n'envoie rien. Cette information est exploitée par le positionneur des panneaux solaires.

La mécanique la plus simple pour des gros panneaux au sol est la pose d'un rail circulaire ou d'un axe avec bras et roues roulant sur le béton. C'est beaucoup plus complexe sur un toit, à cause de la prise au vent et des vibrations les jours de tempête. Sur un toit en pente, il ne peut exister que l'installation fixe vers le sud.

Le panneau de qualité aura donc 35 diodes by-pass, en cas de masquage ou de claquage de quelques cellules il restera actif. Repérez le câblage en disposant le panneau face au soleil, sur charge résistive avec un voltmètre en parallèle. Tous les panneaux ont une diode anti-retour, les bons ont une Schottky, les médiocres une silicium ordinaire.

Déplacez un cache tenu par une baguette. Si vous voyez l'énergie s'écrouler suivant les zones d'ombre, votre panneau est mauvais. Seuls, les bons panneaux ont une diode by-pass par cellule qui isole les éléments masqués ou abîmés, choisissez bien !
Si en masquant totalement un quart du panneau la puissance s'écroule, rendez le panneau à votre fournisseur, et demandez lui un modèle plus sérieux. Si la puissance reste supérieure à la moitié (P= V²/R, (0.75)² = 0.56 il est normal que la tension baisse dans le rapport des cellules masquées), il est bon. Avec une pompe de charge, le panneau marchera encore même avec des cellules perdues au fil du temps.

Attention à la qualité des branchements, et des étanchéités, l'oxydation peut tuer rapidement un panneau en corrodant les sorties.

Il vaut évidement mieux monter plusieurs petits panneaux qu'un grand (à surface donc puissance égale), mais le prix en sera plus élevé.
L’avantage de multiplier les panneaux est de compenser les masquages.

Vous pouvez améliorer le rendement en montant le panneau sur un axe transversal, mais la fiabilité du dispositif disparaît avec la complexité. Rajouter un deuxième axe longitudinal est illusoire.
Reste à savoir comment régler le dispositif si le choix est fait d'un ou deux axes.
Le plus simple est le réglage par deux bouts et coinceurs pour un axe. Au mouillage sous le vent dominant des tropiques ou dans les alizés, le dispositif est efficace, il suffit de retoucher les bouts de temps en temps. Au louvoyage, les panneaux restent à plat.
Certains veulent absolument automatiser le poursuite. Je le déconseille, le montage de moteurs fiables est très complexe, je n'ai jamais vu un système de poursuite qui avait résisté une saison sur un bateau.
Il est possible, comme à terre d'utiliser un calculateur avec le cap du fluxgate, et la position GPS par le bus NMEA, mais vous avez très peu de chance d'arriver à un système sérieux sur un petit bateau.

Je détaillerai la charge des batteries dans une page spéciale, mais il faut éclaircir les idées de ceux qui ne sont pas des spécialistes de l'électronique.
Un panneau solaire dit de 12 ou 14 volts, comme nous l'avons vu, est toujours très en dessous de cette valeur pour fournir une énergie maximale. Il faut donc élever cette tension pour obtenir un bon 14 volts de charge. Il ne s'agit pas bien sûr de multiplier le puissance, sinon le mouvement perpétuel dominerait le monde qui exploserait rapidement, mais de trouver le meilleur couple tension courant donnant le produit maximal.
Par exemple, le panneau fournit, pour un éclairement donné son énergie maximum à 8 volts et 3 ampères soit 8*3 = 24 watts. Le boîtier élévateur a un rendement de 80%, il sortira donc 24*.8 = 19 watts, soit 14 volts sous 1.4 ampères. Sans ce boîtier le panneau seul sortirait beaucoup moins en éclairement moyen…

Voyons comment obtenir ce résultat, par des moyens simples et pédagogiques.
Le plus simple serait le doubleur. Pour obtenir du 14 volts, vous montez deux batteries de 7 volts en série. Un relais double inverseur, branche le panneau sur une batterie puis l'autre en commutant rapidement. Ce n'est pas une solution réaliste.
Autre solution, toujours le relais double inverseur commuté rapidement qui fournit sur ses bornes de sorties + V puis -V, signal alternatif carré. En redressant en pont, vous avez la tension double (moins les pertes de deux jonctions diode). Mieux encore, ce signal attaque un transformateur (l'énergie maximale d'un signal carré est dans la fondamentale sinusoïdale), et vous obtenez la tension que vous voulez !
Bien sûr en pratique, le relais est remplacé par des composants silicium et une petite électronique intégrée, les batteries par des condensateurs et selfs. Il existe une grande quantité de pompes de charges et de convertisseurs que je décrirai dans la page charge, les rendements peuvent atteindre presque 90%. Le leader est "Maxim ", suivi par "Linear Technology " (voir "liens électronique "), avec une superbe collection de circuits spécialisés.

Un seul microcontroleur suffit pour piloter quatre panneaux (ou plus) au travers de pompes. Il y a une pompe indépendante par panneau. Le fonctionnement consiste à tester chaque panneau séquentiellement en faisant monter la tension de sortie par une rampe et en mesurant le courant de charge obtenu. Le système se calera sur le meilleur rendement et s'il y a lieu coupera la pompe qui est strappée sur une diode Schottky en cas de panne ou de rendement meilleur en liaison directe Cela arrive à l'éclairement maximal.
Le gain obtenu avec une pompe est maximum en faible éclairement.

Lors de l'installation de plusieurs paires de panneaux 12 V montés en série dans une installation 24 V, il est indispensable de relier ensemble tous les points intermédiaires (à environ +12 V, demi potentiel de la tension batteries).
La raison est très simple.
Lorsque deux panneaux sont simplement reliés en série, si un des deux est masqué par une ombre, une fiente de mouette ou un hamster, ou même grillé, le courant de charge du couple sera nul, car la tension du panneau défectueux sera trop basse.
Si l'on a bien relié ensemble tous les points intermédiaires, cela constitue alors deux groupes, de panneaux, le groupe froid, relié au négatif, et le groupe chaud relié au + 24V.
Dans ce cas du montage par groupes, l’un des panneaux non masqué pourra quand même fournir son courant de charge optimal, car le point intermédiaire des groupes sera maintenu au potentiel de la demi tension des batteries par les autres panneaux éclairés de l’autre groupe.
Pour plusieurs paires de panneaux, imaginons le cas très défavorable et fréquent ou dans chaque couple, un des deux panneaux est partiellement masqué.
L'ensemble ne chargera rien du tout.
Si la liaison centrale a été réalisée, il suffit qu'un seul des panneaux reliés au négatif et un autre relié au positif ne soit pas masqué pour que la charge fonctionne.
L’expérience montre qu’en pratique, cette disposition amène un gain de charge très important en optimisant l’énergie fournie par les panneaux les moins masqués.

Nondum omnium dierum sol occidit. (Tite Live) Le soleil ne s'est pas encore couché pour la dernière fois.

Il n'y a quasiment que des liens terrestres, mais ils contiennent beaucoup d'informations sur les panneaux. Chercher avec mot clef <Photovoltaique>, sans le tréma pour ne pas perturber les moteurs.

Enfin, cela commence à bouger en Californie, la France suivra avec 20 ans de retard : gosolarcalifornia.ca.gov

Merci aux journalistes qui pillent sans vergogne mon site,
d’avoir au moins la courtoisie de citer leurs sources…

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Dernière retouche le 12 Septembre 2007 à 20 h