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Christian Couderc

Christian Couderc

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Corrosion par electrolyse

Publié dans Electricité, énergie. samedi, 01 novembre 2014 00:00 0

Corrosion par électrolyse

Il faut assurer une continuité électrique à la masse de toutes les parties métalliques aériennes du bateau plastique. Les balcons, filières, pataras, mât, winches, doivent être reliés à la quille seulement pour des problèmes de sécurité en cas d'orage, afin de véhiculer au mieux les charges statiques. Cela évite une augmentation de potentiel du mât par effet capacitif qui favorise la décharge orageuse et les électrocutions en touchant les haubans isolés des filières. Il est délicat d'assurer cette continuité, une oxydation des parties métalliques en contact peut isoler électriquement et les tresses se coupent par oxydation. Le gréement relié à la quille du bateau limite les conséquences d'un foudroiement, balcons et filières réalisant un début de cage de Faraday. Voir la page boulons de quille qui traite des anodes

Les embruns déposent une pellicule conductrice sur tous les équipements de pont. Il est évident que cette connexion a des effets très pervers si des matériaux de nature différente en liaison électrique baignent dans un électrolyte, ils forment une pile. Vous constaterez que les vis inox se soudent par corrosion dans les sertissages en alliage léger, que les liaisons des winches bronze et des alliages légers se décomposent... Il faut surveiller les liaisons du mât en alliage au gréement inox et rincer au jet de retour à quai..
Le cas est très complexe sur un bateau métallique pour lequel il faudra tenter d'isoler au mieux tous les métaux de nature différente.

Ce problème de corrosion intervient particulièrement sur les passe-coques bronze qu'il vaut mieux isoler de la quille et de la vanne en métal incertain. Le risque est nul maintenant avec les passe-coques synthétiques et les vannes PVC qui semblent bien supporter le vieillissement, les premiers modèles se cisaillaient à la longue. Il faut espérer que ces passe-coques dangereux seront bientôt abandonnés, mais les modèles isolants sont beaucoup plus chers.

Voici les résultats de la corrosion électrolytique au niveau de la liaison du passe coque bronze et de la vanne, pourtant de qualité marine. Un morceau de tuyau caoutchouc de 20 centimètres entre les deux aurait empêché l'attaque en isolant les deux métaux différents.
Une telle corrosion ne se voyait pas de l’extérieur et pourtant la vanne était à la limite de rupture. Il est impératif de déposer toutes les vannes lors d’un grand carénage au moins une fois tous les trois saisons. En cas de nouveau couple électrolytique accidentel, une vanne peut se détruire totalement en quelques semaines.

 

Les câbles electriques

Publié dans Electricité, énergie. mercredi, 01 octobre 2014 00:00 0

Raccourcir et rallonger les câbles

Lors de la rénovation du bateau ou de l’installation de nouveaux équipements, le navigateur bricoleur se retrouve confronté à des problèmes récurrents :
Le câble est trop court, puis-je le rallonger ?
Le câble est trop long, j’ai des boucles enroulées dans tous les coins, puis-le raccourcir pour refaire un câblage propre ?
Il n’existe pas de réponse spécifique, tous les cas sont particuliers

Câble d’alimentation, de batteries, de puissance…

C’est le seul cas évident, tirer le plus gros et le plus court possible pour limiter les pertes par effet Joule.

Câble d’antenne VHF 
Sur une bonne installation, l’élément radiant (l’antenne) n’a pas d’ondes stationnaires en retour vers l’émetteur, il est vu comme une résistance pure. Il n’y a donc aucun problème pour changer de longueur. Comme toujours évidement, les pertes viennent de la longueur, de la qualité (et de la bonne adaptation) du câble, de la qualité et du montage des prises (très sensibles à l’oxydation).

Câble de sondeur


La capacité du câble de liaison en parallèle sur la sonde fait partie du circuit résonnant sur les sondeurs d’entrée de gamme. Le changement de longueur désaccordera l’ensemble et dégradera les performances.
Les sondeurs professionnels fonctionnent avec des câbles très longs et sont adaptés quelle que soit la longueur, mais pas ceux de nos coques de noix.

Câble du radar


Un radar moderne comprend le bloc d’émission et celui de réception dans l’aérien. Le câble ne monte que des alimentations et commandes et ne descend que le top « ligne de foi » et la vidéo bien adaptée sur 75 ohms.
Un technicien soigneux peut donc rallonger ou raccourcir le câble.

Câble du GPS 


Deux cas :
Simple antenne patch. Le câble est un coaxial qui transporte le 1.5 GHz et l’alimentation de l’antenne amplifiée. 
Il ne faut pas modifier la longueur car le gain de l’amplificateur est calculé pour compenser très exactement les grandes pertes du long câble médiocre d’origine. En changeant la longueur, l’amplificateur d’entrée sera saturé ou sous alimenté, le GPS sera désensibilisé, de plus le montage de la prise est très critique à ces fréquences.

Antenne « souris ». Le bloc antenne contient le récepteur complet, le câblé ne transporte que les signaux RS232 pour les anciens, USB pour les actuels. Ce câble torsadé peut être raccourci ou rallongé sans inconvénient.

Liaisons NMEA , câble de la girouette anémomètre

Longueurs non critiques.

Dans tous les cas, soignez les raccords pour protéger de la corrosion et respecter les adaptations d’impédances pour les signaux HF.

 

 

 

Four micro-ondes à bord

Publié dans Dossiers lundi, 03 novembre 2014 00:00 0

Document original publié par C. Couderc sur www.voilelec.com

Introduction

Le four à micro-ondes est une retombée marginale des études sur le radar, qui ont montré que des ondes hyperfréquences, vers 2 GHz, échauffaient aussi les liquides (l'eau) placés dans le champ. 
La production de masse des magnétrons a débouché sur les applications domestiques de la cuisson par micro ondes. Ce matériel est tellement entré dans les moeurs qu’il a sa place maintenant dans les bateaux de croisière. La consommation est toutefois très élevée, cela passe totalement inaperçu dans la cuisine qui dispose d’une inépuisable énergie nucléaire, mais cela est beaucoup plus compliqué à partir d’une misérable batterie. Il faudra réfléchir avant d’inviter ce vorace à notre bord.

Nous n’aborderons ici aucun des problèmes liés aux risques des micro ondes, fours ou téléphones, ni de la théorie des micro ondes, abondamment traitée sur le Net, l’approche sera purement énergétique.
Nous allons donc parler des différentes puissances du four, car cela demande quelques approfondissements.

 

Précision sur les puissances

Sur un four à micro-ondes une puissance est indiquée sur l’étiquette. Il s’agit d’une puissance commerciale. Avec toutefois moins d’inflation farfelue que pour les watts audio, la puissance réelle dépend des marques.
Un seul type de magnétron + alimentation peut être utilisé pour équiper une gamme de produits vendus sous différentes marques, qui seront marqués à des puissances commerciales très différentes des puissances absorbées et des puissances restituées. Les bas de gammes gonflent les puissances.

La puissance absorbée sur le secteur se mesure de manière triviale avec un banal wattmètre, ou sans aucun matériel en lisant le compteur EDF.

Il faudra faire une mesure simple pour connaître la vraie puissance restituée.

 

Vérification calorimétrique

La manipulation pour calculer la puissance réelle est facile par une banale comparaison calorimétrique.

Installez un récipient non métallique contenant un litre d’eau à température ambiante dans une boîte fermée isoterme. Mesurez la température de départ. Lancer le four pendant une minute en puissance maximum. Mesurez l’augmentation de température. 
Exemple passage de 22°C à 38°C, soit un gain de 16°C en une minute.

Reprenez le même récipient isolé avec la même quantité d’eau à température ambiante. Utilisez une résistance chauffe-liquide (accessoire camping) dont vous aurez mesuré auparavent la puissance absorbée. 
Exemple résistance marquée 150 W, testée sous 215 V à la prise (pertes dans la rallonge en fil fin) à 0.6 A, soit :
Puissance réelle = P=VI = 215 * 0.6 = 129 W
Pour diminuer les pertes et augmenter la précision il est préférable d’isoler au mieux le bol d.
Brancher et chronométrer pour mesurer le temps nécessaire pour obtenir le même écart de température.
Supposons que vous trouviez 8 minutes 20 secondes.
La puissance restituée par votre micro-onde (marqué 1000 W) sera donc 129 * 8.336 = 1075 watts.

Puissance restituée 1075 watts.

C’est un très bon résultat, supérieur à la valeur commerciale

 

Approche calorimétrique

Nous allons faire une estimation des valeurs calorimétriques de l'exemple précedent pour s'assurer que nos mesures ne sont pas stupides.

Par définition, la calorie est la quantité d'énergie nécessaire pour élever la température d'un gramme d'eau de 14.5 °C à 15.5°C.
Nous ferons l'approximation que cela s'applique sur notre plage de températures.
La quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d' un litre d'eau de 16 °C sera donc de l'ordre de 16 kcalories.
1 calorie = 4.18 joules. Nous avons donc fourni une énergie 16 * 1000 * 4.18 = 67 kjoules.
L'énergie est le produit de la puissance par le temps E = P * t . Dans notre exemple, 67 kjoules en 60 secondes.
La puissance équivalente est donc de 67/60 soit environ 1100 watts.
Les erreurs de mesures et approximations cumulées donnent une erreur inférieure à 10% (y compris l'énergie absorbée par le récipient).

Cela peut paraître extraordinaire, la puissance réelle mesurée est supérieure à celle indiquée par le constructeur. Cela provient de diverses causes : 
La précision des ces mesures rustiques mesures n’est que de quelques % 
La puissance est donnée à 220 V, mais la tension EDF actuelle s’établit à 230 V 
Le four testé est un haut de gamme, certains bas de gammes marqués aussi 1 kW sortent moitié moins...

 

Puissance absorbée en 220 volts

Si vous devez utiliser le four en basse tension au travers d’un convertisseur, il est impératif de connaître la puissance consommée, qui est la puissance restituée divisée par le rendement. Le moteur et l’ampoule ont une puissance négligeable.
La déception va être grande quand vous mesurerez le courant consommé réellement.
Pour un 1000 W commerciaux, la consommation sera de l’ordre de 8 A en 220 V, soit une puissance consommée de 220*8 = 1760 W.

Puissance consommée en 220 volts, 8 ampères = 1760 watts.

Le rendement réel semble donc très médiocre, 1075/1760 = 70 %, mais c’est une valeur normale.

 

Convertisseur 12 volts

Nous ne sommes pas au bout de nos peines car nous voulons alimenter le four en basse tension. Il faudra donc choisir un gros convertisseur, mais les puissances indiquées sont toujours optimistes un 2 kWatts sera donc à peine suffisant.
Par simplification, il sera question de puissances en "VA " (= volt * ampères) ou "W " (= watt), il s'agit de la mème chose.

Les meilleurs convertisseurs ont un rendement de 80 %, la consommation en 12 V sera donc de 1760 / 0.8 = 2200 W donc un courant de l’ordre de 200 ampères sous 12 volts, avec les pertes dans les câbles (il reste moins aux bornes !).
Cette puissance est de l’ordre de celle du démarreur, elle est donc énorme, cela a diverses conséquences.

Il faut évidemment monter le convertisseur au plus près de la batterie, avec de gros fils comme pour le démarreur, les plus courts possibles, avec de bonnes cosses bien soudées (voir la page détaillée).
Le relais de commande sera gros et cher, comme un relais de guindeau.

Il est simple de transporter 8 A sous 220 V pendant quelques mètres,
mais stupide de transporter 200 A en basse tension.

Une page est dédiée aux convertisseurs basse tension vers 220 V alternatif

Elle détaille des problèmes d’installation et les spécificités de ces gros et onéreux matériels.

 Convertisseur

Puissance consommée en 12 volts, 200 ampères = 2200 watts.

Ces consommations énormes, de l’ordre de 200 A sous 12 volts entrainent des contraintes évidentes.

Il est impensable de se brancher sur une batterie stationnaire de servitude de 100 Ah, prévue pour une décharge lente, elle serait détruite en quelques secondes.
Le branchement ne peut être fait que sur la batterie de démarrage moteur, et l’utilisation doit se faire moteur en marche accéléré, en le laissant tourner encore quelques minutes après l’arrêt du four. Attention de ne pas claquer l’alternateur, les modèles automobiles ne tiendraient pas le coup à de tels courants.

Utiliser un four spécial 12 ou 24 V

Il existe un créneau marketing ciblant les utilisateurs naïfs qui auraient peur de monter un « accessoire compliqué » (le convertisseur), et qui seront fascinés par la simplicité d’un four magique « prêt à brancher ».
Il n’y a évidemment aucune magie, c’est un matériel très ordinaire qui combine four+convertisseur, mais beaucoup plus cher que les mêmes éléments séparés.

Si le convertisseur est solidaire du four, il faudra donc tirer un énorme câblage à deux fils avec beaucoup de pertes.
La seule différence sera que ce matériel est fourni avec un interrupteur commandant le relais puissance, mais c’est bien cher payer pour un gadget. Pour des questions de prix de revient, le convertisseur est souvent sous dimensionné, le magnétron sous alimenté ne travaille pas à sa puissance nominale.
Le coupe-batterie sur convertisseur séparé sera bien plus rationnel avec un four grand public, le prix de l’ensemble sera inférieur au kit.
 Coupe batterie

 

Conclusion

Si vous avez acheté un convertisseur sous dimensionné pour votre four, il ne faut pas s’imaginer qu’en choisissant un réglage à puissance plus faible, le problème sera résolu.
La puissance dépend du magnétron qui ne fonctionne qu’à un seul régime. Pour réduire la puissance, le magnétron est simplement alimenté en cycles avec des repos, cela ne résoudra donc pas le problème du convertisseur trop faible.
Il sera alors préférable de se rabattre sur un modèle de four moins puissant, mais attention de ne pas tomber dans les très bas de gammes.

Dans le budget global, le four coûte dix fois moins cher que le convertisseur !

 

Liens

Une page est dédiée aux convertisseurs basse tension vers 220 V alternatif

Les liens convertisseurs, charge, batteries sont en page liens énergie

Fours

Détails : lpm.u-nancy.fr/webperso/mangin.p

Convertisseur 12-24V Continu 220V alternatif

Publié dans Dossiers dimanche, 16 novembre 2014 00:00 0

Document original publié par C. Couderc sur www.voilelec.com

Introduction

Le convertisseur est un dispositif destiné à fournir une alimentation en courant alternatif pouvant se substituer à celle du secteur, à partir de l’énergie d’une batterie en basse tension continue et permettant de brancher des équipements secteur classiques.

Onduleur

Quand le dispositif est associé à une batterie de sauvegarde incorporée avec un dispositif de charge flottante, le système est appelé onduleur.
Un onduleur sert principalement comme alimentation de secours pour éviter de planter un système informatique en cas de coupure secteur. Cela fonctionne bien pour absorber les micro coupures, et permet si la coupure se prolonge quelques minutes de sauver le travail en cours et de fermer l’ordinateur sans rien perdre. La consommation importante des machines sauvegardées et la petite taille des batteries (question d’économie et de poids) ne permet pas généralement des sauvegardes sur de longues durées.

Convertisseur

Le principe est identique, mais il ne comporte que l’électronique et la puissance, sans charge ni batteries ; l’énergie est prélevée sur les batteries du bord chargées par d’autres dispositifs.

 

L'utilisation du 220 V à bord

Nous avons pris l’habitude d’utiliser de très nombreux appareils électriques dans la vie quotidienne, sans nous préoccuper le moins du monde de leur consommation, car l’énergie est illimitée et peu chère. Des convertisseurs seront indispensables à bord quand un câble ne nous reliera plus à la centrale EDF nucléaire.
Nous allons faire un petit inventaire des besoins des matériels basiques, en les classant par consommations.

Les très petits consommateurs

Nous sommes à des puissances de l’ordre de quelques W (= volts * ampères), à quelques dizaines de VA, par exemple :
Rasoir, chargeur de téléphone et tanlettes, chargeur d’accumulateurs de photoscope, caméscope, console des enfants, perceuse sans fil…
Ce sont généralement de petits appareils qui ont souvent une alimentation basse tension d’origine qui sera privilégiée, il ne sera donc pas utile de prévoir un petit convertisseur.

 

Les consommateurs moyens

Le PC portable est le plus fréquent. Nous sommes autour de 50 VA que nous écrirons par simplicité 50 watts.

Il y aura un convertisseur affecté spécifiquement à cet usage qui sera utilisé pendant de longues périodes quand le matériel sert à la navigation et à la cartographie. Il servira aussi pour les petits consommateurs qui n’ont pas d’alimentation basse tension.
Ces convertisseurs sont petits et économiques et n’ont souvent pas de ventilateur enclenché en utilisation normale.

Une page est dédiée au PC portable à bord

  PC portable

Les déssalinisateurs, réfrigérateurs, congélateurs, téléviseurs sont proposés en basse tension et ne posent donc pas de problème.

 

Les consommateurs assez gourmands

Dans les gammes de quelques centaines de VA nous trouvons le PC fixe, bien que très rare maintenant à bord, car surclassé par les portables, avec imprimante et moniteur externe.
Nous aurons plutôt quelques appareils d’usage très peu fréquent, comme un robot ménager ou une perceuse secteur. Leur faible utilisation ne justifie pas un matériel spécifique, soit nous ne les utiliserons pas, soit nous utiliserons l’énorme convertisseur du micro ondes pour les quelques minutes d’usage par semaine.
Attention, les bons aspirateurs et les machines à café tirent 800 W.

Les petits fours à pain posent un problème particulier. Ils sont de puissance moyenne, 500 à 750 W, assez tolérants sur la forme d’onde car constitués principalement par une grosse résistance chauffante. Un convertisseur médiocre n’est pas très cher pour ces puissances, mais le temps de cuisson est très long et la dépense d’énergie totale considérable. Il est donc quasiment impossible de les utiliser sur batteries, et leur intérêt est beaucoup moins grand au mouillage branché au secteur, avec une boulangerie à 100 mètres. Ils ne sont donc pas indispensables.

 

Le gros vorace

Il n’y a pas de pluriel car heureusement un seul appareil domestique est dans cette catégorie !

Une page est dédiée au four à micro ondes

Nous sommes ici dans des puissances de 2 kVA pour un matériel classique de 1 kW restitué. C’est une puissance énorme qui demandera une installation très soignée.

 groupr frigo

 

Montages des convertisseurs

 

Pour résumer, nous utiliserons donc deux matériels, un petit convertisseur d’environ de 75 W à 150 w pour le PC portable et les bricoles et un monstre de 2 kW pour le micro ondes.
Un petit convertisseur coûte seulement quelques dizaines d'Euros, et plusieurs fois plus pour un pseudo sinus. C'est très acceptable.
Un convertisseur de 2 kW n'est pas du tout dans la mème gamme, et pour une vraie sortie sinusoïdale, il faut exploser le budget.
Les contraintes de montage seront aussi très différentes.

Petit convertisseur

Nous sommes à des courants en 12 volts de la dizaine d’ampères. Il sera donc facile de l’installer, de préférence près des batteries pour diminuer le câblage. Un bon contacteur sera placé à proximité avec un fusible adapté, en évitant de l’installer dans le tableau électrique pour diminuer les pertes.
Un voyant et plusieurs prises 220 V peuvent être installées aux bons endroits en fil de câblage domestique, sans toucher au réseau secteur existant du bord.

C’est une installation très simple, il faudra simplement laisser le boîtier bien aéré.
Un convertisseur de 150 W sera souvent plus facile à trouver et moins cher qu’un bon modèle exactement à la puissance voulue par exemple 50 ou 75 VA. Ce n’est pas trop gênant, les pertes seront simplement un peu plus importantes car la consommation à vide est proportionnelle à la puissance maximale.
Un gros voyant bien visible évitera de le laisser brancher inutilement et économisera ces quelques centaines de milliampères à vide. À titre d’exemple, il faut compter 200 mA pour un bon 300 W à vide.
Pour ces petites puissances, en cas d’usage occasionnel, la prise allume cigare d’origine sera suffisante, mais aux prix de fortes pertes. Les contacts sont médiocres et les prises s’échauffent beaucoup.

Importance de travailler avec la bonne puissance

Les convertisseurs sont calculés pour travailler à une puissance donnée. Les courbes des constructeurs montrent que le rendement est bon, au-dessus de 80 % (et 90 % pour les excellents), entre la puissance nominale et la moitié, et diminue à des puissances inférieures.
De plus, les filtres sont calculés en charge nominale. Sans toutefois devenir paranoïaque, il ne faut donc pas trop sur dimensionner le convertisseur, cela augmenterait les pertes et les bruits parasites, la sortie étant de moins en moins sinusoïdale quand la charge diminue.
En cas de sous dimensionnement, le problème est plus simple, les meilleurs disjoncteront, les autres brûleront, c’est très visuel et olfactif…

Convertisseur de 2 kVA

Nous avons les mêmes impératifs que précédemment, mais cette fois nous manipulons des courants de quelques centaines d’ampères. Il faudra prendre de très grandes précautions pour ne pas mettre le feu au bateau.

Il faut évidemment monter le convertisseur au plus près de la batterie, avec de gros fils comme pour le démarreur, les plus courts possibles, avec de bonnes cosses bien soudées (voir détails des diamètres en page énergie).

Il est aussi possible d’installer un gros relais au plus près des batteries et du convertisseur pour permettre de déporter la commande près du voyant. Outre le prix, le gros relais diminue la fiabilité du dispositif.

Il est simple de transporter 8 A sous 220 V pendant quelques mètres, mais stupide de transporter 200 A en basse tension, les pertes sont énormes.

 Coupe batterie

Nous avons vu en page énergie que la section minimale des câbles est de 2.5 mm2 pour 10 A et 10 m (perte 0.85 V). 
Il faudrait donc du 50 mm2 au minimum pour 200 A et 10 m (c'est à dire 5 mètres aller retour).
Avec du 25 mm2 nous devrons limiter à moins de 2.5 mètres (aller retour), il doit toujours être possible de faire plus court, car la perte de 0.85/12 de 7% est déjà considérable avec les courants mis en jeu. Il s'agit de diamètres déraisonnables, réservés à de très courtes longueurs, comme pour le démarreur.

Il faut évidement comprendre quand on parle d'un convertisseur de 2 kW, qu'il s'agit bien d'un régime permanent, ce qui n'a rien à voir avec un matériel marqué 1 kW permanent que des margoulins baptisent 2 kW en pointe. Il ne s'agit que de la tenue à des pics très brefs, ce qui n'est en rien le fonctionnement du four à micro ondes. Il ne faut tenir compte que du régime permanent !

Il faut bien ventiler, car après quelques minutes d’opération, l’échauffement du convertisseur est très important. Attention de n’avoir aucun élément combustible proche. Un bon ventilateur et une ventilation naturelle sont indispensables.

Il existe une autre application de ces gros convertisseurs, dans les habitations isolées, alimentées seulement par panneaux solaires et aérogénérateurs qui chargent un parc de batteries. Un puissant convertisseur permet d’alimenter toutes les ampoules et équipements secteur, en utilisant un câblage traditionnel. Il serait impossible et irrationnel d’alimenter en basse tension. Dans ce cas, par simplification, le convertisseur tournera 24 h/24 quand l’habitation sera occupée, le parc de batteries de plusieurs milliers d’Ah (= ampères* heures) autorisera ce gaspillage.

 

Pourquoi ne pas laisser branché en permanence un seul gros convertisseur ?

Un convertisseur consomme une importante puissance à vide, ce, d'autant qu'il est plus gros et d'autant qu'il est plus médiocre. Le branchement permanent n'est pas rationnel.
Le petit sera utilisé pour les petits consommateurs courants et le gros seulement très ponctuellement.
L'alimentation directe des petits appareils sera toujours privilégiée.

 

Le principe des convertisseurs

Il faut transformer une basse tension continue (DC = Direct Current) en moyenne tension alternative (AC = Alternative current). Le principe est très simple. Un transformateur élévateur est alimenté séquentiellement au primaire par la basse tension continue de la batterie dans un sens puis dans l’autre, à la vitesse du secteur alternatif, en Europe 50 Hz pour 220 V, mais aux US 60 Hz pour 110 V. 
La majorité des matériels sera en 60 Hz (c’est le cas quand ce n’est pas indiqué), même s’il s’agit d’un matériel pour le marché européen ! Ce n’est pas très grave en pratique, les appareils sons assez tolérants.

Principe des convertisseurs DC / AC (document sunpower.de)

Un pont à quatre interrupteurs permet s’obtenir ce résultat. Pour réaliser du 50 Hz, S1 et S2 seront fermés pendant 10 ms, puis S4 et S3 pendant le période suivante. Il est évident qu’il faudra prendre quelques précautions en pratique !

Les interrupteurs sont des transistors MosFet, très rapides avec de très faibles pertes.
Il faudra faire très attention de ne jamais fermer simultanément S1/S4 ou S2/S3 ce qui produirait un court-circuit destructeur, il y a un délai d’attente entre la fermeture des couples opposés.
Dans ces conditions, un simple transformateur attaqué en signaux carrés marcherait très mal en grognant et chauffant avec un rendement déplorable. Le filtre derrière les interrupteurs est très important pour lisser les pics de commutations et arrondir les créneaux.
Un autre filtre est placé avant les interrupteurs pour diminuer les parasites renvoyés au circuit basse tension.
Un autre filtre en sortie du secondaire casse les pics résiduels.
Malgré un calcul très soigné et complexe des filtres, l’attaque en signaux carrés n’est acceptable que pour les très petites puissances et les matériels très médiocres.
Nous ne considérerons que les bons matériels ayant une sortie pseudo sinusoïdale.
Ce résultat est obtenu par des filtres très sophistiqués, des blindages, un transformateur spécial et bien des astuces de montage pratique.
Cela n’est pas encore suffisant, l’attaque en signaux carrés étant inacceptable. Il faut déjà approcher l’attaque du primaire en sinus.
Il est évidemment économiquement irréalisable d’utiliser un primaire à multiples prises avec autant de cellules de commutation.

L’astuce sera donc d’utiliser un découpage temporel, c'est le fonctionnement en hacheur haute fréquence. Au départ de la sinusoïde, la commutation se fera par impulsions très brèves, de plus en plus longues jusqu’au maximum et ainsi de suite.
Le découpage se fera à haute fréquence, en variant en permanence le rapport cyclique et la fréquence pour étaler le spectre de bruit.
Le découpage HF permet d’utiliser de (relativement) petits transformateurs et de fournir un signal de sortie propre avec un excellent rendement. Une puissante carte microcontrôleur pilote les commutateurs en temps réel.

Le prix très élevé des gros convertisseurs s’explique par la complexité de la réalisation pratique. L’électronique des petits modèles est très simplifiée ce qui explique l’énorme écart de coûts.

Il sera très facile pour un bricoleur en électronique de réaliser un mauvais convertisseur de petite puissance (pour le rasoir), mais l’étude d’un bon convertisseur puissant est hors de portée.

 

Les matériels commerciaux

Nous avons vu qu’il existe des produits bas de gamme, à sortie carrée, générateurs de nombreux parasites. Ces premiers prix des catalogues sont incompatibles avec une réception radio à bord.

Les modèles à sortie sinusoïdale (convertisseurs pseudo sinus) sont beaucoup plus chers mais offrent une sortie propre. Attention de ne pas acheter un modèle US, exclusivement en 110 V et 60 Hz, inadapté à certains de nos matériels qui ne sont pas bitension sans commutation.

  Convertisseur 12 V dc / 220 V ac

Il existe des convertisseurs marqués pseudo-sinus qui n’en sont pas et utilisent seulement deux paliers et une prise intermédiaire au primaire avec six interrupteurs. L’électronique est beaucoup moins évoluée, le prix est inférieur comme les performances.

Publicité mensongère d'un faux pseudo-sinus

Voici le pire de l’abus de confiance, la revendication d’un pseudo sinus en utilisant simplement un temps court d’allumage. Inutile de dire que le signal vrai de sortie sera bien loin de la représentation commerciale. L’étiquette n’offre donc pas la moindre garantie sur la qualité du produit.
Il faut observer la sortie en charge avec un oscilloscope rapide et un analyseur de spectre pour juger de la qualité du matériel.

Un simple examen visuel du boîtier démonté est indispensable. Le choix des composants, le soin du montage, les blindages et les filtres permettent de se faire très vite une idée de la classe du matériel. Si vous hésitez entre deux, au risque de voir le vendeur perdre le sourire, faites-les ouvrir et regardez ! Vous aurez déjà une première explication d’un écart de prix considérable (hors marges et circuit de distribution).

Rappel : Attention aux appellations trompeuses pseudo-sinus ou sinus modifiées qui cachent de formes d’ondes médiocres à fronts très raides qui parasitent tout le bord. Il y a beaucoup de mauvais matériels, parfois très chers et à rendement inacceptable.
En principe, les quasi-sinus sont des hauts de gamme et revendiquent la meilleure forme d’onde et un bon rendement, mais il faut vérifier que ce ne soit pas juste une étiquette !

 

Recherche d'un bon 150 W

J’ai pu tester de bons produits mais seulement pour des puissances élevées. Je suis toujours à la recherche d’un bon 150 watts, je n’en ai pas encore trouvé, après avoir pourtant testé ceux vendus actuellement par les shipchandlers et les boutiques d’accessoires entre 40 et 300€ (et ce n’était pas le meilleur…). 
Un mauvais matériel peut s’excuser s’il est  vendu à bas prix (100 € avec les marges pour $30 départ de Chine), mais il sera décevant à l’usage.
Les plus dangereux sont ceux intégrés dans la prise allume cigare qui indiquent une puissance délirante).

 

Montage, encore

Rappelons qu’il faut placer le convertisseur dans un coffre bien ventilé car il ronfle et chauffe. Il faut disposer quelques prises secteurs fixes aux bons endroits du bateau. 
L’arrivée secteur du quai passera par un disjoncteur différentiel est servira principalement pour la prise du chargeur. Il est intéressant d’en ramener une à la cuisine pour les appareils ménagers, dont le four à micro ondes qui ne pose aucun problème à quai. Un inverseur bipolaire secteur permet de basculer de la tension quai au convertisseur. Il est aussi possible d’utiliser un relais 220 V alternatif sur la tension extérieure pour basculer automatiquement les prises, mais ce n’est pas une très bonne idée en termes de fiabilité.

 

Mesures effectuées sur un matériel Invac SoftStart system de 300 VA

Avantage : Buzzer dés que la tension tombe, protection surcharges et thermique.

Inconvénient : Ventilateur extrêmement bruyant en permanence, il n'est pas commandé par la température du radiateur.

Charge sur le 220 V
en Watt

Consommation sur 13 V
en Ampère

Puissance absorbée sur 13 V
en Volt Ampère
Rendement
énergétique
0
0.2
95
0 %
75
7.3
95
80 %
120
11.3
147
82 %

Ce rendement de 80 % est presque satisfaisant, mais le bruit du ventilateur est catastrophique.

 

Essai d’un autre convertisseur bas de gamme

 

Marqué « Modified Sinewave Power Inverter 150 W/ 230 VAC ... PI150BN » 
Matériel disponible dans le commerce de grande diffusion à 65 €.

Il consomme 0.45 A à vide (perte permanente et dissipation thermique de 6 Watts) et 6.8 A sous 13 V pour une charge de 55 VA à 190 V (ampoule d’éclairage). 
C’est un matériel médiocre, avec un rendement de seulement 62 % au tiers de la puissance annoncée et qui chauffe rapidement en s’écroulant pour des charges supérieures avec une forme d'onde très dégradée (le terme "sinus modifié " est farfelu...). 
Il ne sera utilisé en qu’en secours pour alimenter un PC portable occasionnellement, il n’est pas question de le fixer dans le bateau !
N’essayez pas de lui tirer plus de la moitié de la puissance annoncée.

 

Sinus ou pas ?

 

Nous avons vu que les matériels proposés sont très divers en prix et en qualité.

Un convertisseur fournissant un signal sinusoïdal très propre ne génèrera pas de parasites, sera protégé et ne mettra pas le feu au bateau car sa construction est soignée. Un tel matériel sophistiqué de 2 kVA est à un prix normal de l’ordre 2500 € et constitue un bon investissement. 
Pour la même puissance, les catalogues proposent souvent des matériels lamentables qui présentent tous les risques et sont une source considérable de parasites. L’appellation pseudo sinus ne correspond à aucune norme, les pires peuvent le revendiquer sur leur publicité. Dans ces conditions, tous les prix sont possibles, un 2 kVA peut être très cher à 400 Euros et ne vous donnera que des désagréments, un autre à 1000 Euros de classe moyenne peut être d’un bon rapport qualité/prix, pour un réel pseudo sinus à quatre paliers par quart de périodes, à filtrage moyen. Ne demandez pas au vendeur si son matériel est bon, à question idiote, il ne faudra espérer que réponse idiote… 
Il est bien clair maintenant que le prix ou la jolie brochure ne sont en rien un critère de qualité.

Il faut toutefois se poser les bonnes questions ! 
Ai-je besoin d’un haut de gamme qui a toutes les qualités ou d’un bas de gamme qui a tous les défauts mais beaucoup moins cher ? 
Le matériel sera t’il utilisé très rarement, par exemple quelques minutes de temps en temps pour un gros convertisseur alimentant le four micro-ondes ou la grosse perceuse ? 
Dans ce cas les parasites sont tolérables, le transformateur du four grognera mais acceptera une forme d’onde et les aliments cuiront sans se poser de questions. Pour un petit budget un très mauvais matériel sera acceptable, quand il tombera en panne en croisière, la vie continuera dans le bateau, probablement sans qu’il soit nécessaire de tirer les fusées de détresse.

Le matériel sera utilisé longtemps en navigation.
C’est le cas de l’alimentation du PC servant à la navigation. C’est un petit matériel, il faudra donc accepter de payer plus cher un haut de gamme qui ne génèrera aucun parasite et aura beaucoup moins de risque de pannes.

Évaluation d’un convertisseur

Le test d’un convertisseur s’avère complexe !
La première mesure très simple est celle de la consommation à vide.
Elle doit être la plus faible possible.
Exemple pour convertisseur 12 V 150 W consommé (puissance de sortie 127 VA en 220 V avec un bon rendement de 85%.
Courant maximal 150/12 = 12.5 A
Courant mesuré à vide 0.4 A (mesurez, ne croyez pas le prospectus !)
Rapport courant max / courant vide = 0.4/12.5 = 3.2 % : C’est une valeur très acceptable.

Deuxième série de mesure 
Calcul du rendement aux diverses puissances de sortie en chargeant sur des résistances et ampoules en 220 V. Il faut faire des paliers réguliers.
Le rendement est évidement nul à vide et maximal en puissance maximale.
La tension de sortie n’est pas stable et s’écroule souvent avec la puissance, pensez-y en mesurant le rendement. Sur les matériels médiocres, la tension tombe en dessous de 200 V en charge forte, ce qui est assez gênant.
Ce qui est plus complexe est de relever à chaque palier de puissance la forme d’onde à l’oscilloscope et si possible en observant le spectre.
La qualité de l’onde peut être acceptable à certaines charges et très mauvaise à d’autres.

 

Paranoïa de la sinusoïde pure

Le marché abonde de convertisseurs médiocres, il sera très difficile d’en trouver un bon à prix correct.
Il ne faut pas non plus délirer, un médiocre 150 W à 40 € sera souvent un bon rapport qualité/prix pour des usages basiques, mais ne fonctionnera pas sur des matériels critiques, comme des chargeurs performants LiOn, des téléviseurs (raies, parasites, bruits dans le son…).
Un onde pure n’aura pas ces défauts mais coûtera dix fois plus cher, il faut déterminer son besoin objectif.

Ne me demandez jamais mon avis sur un modèle précis vendu sur tel catalogue, je ne veux pas saboter le petit commerce…
À vous de tenter l’aventure, testez rapidement et ramenez-le s’il est inacceptable pour vous.
N’oubliez pas de le laisser tourner une heure complète sur la charge commerciale indiquée sur l’étiquette à 13.5 V puis à 11 V pour voir s’il prend feu.

 

Les différents modèles de convertisseurs basse tension vers 220 V

 

Nous avons plusieurs modèles à bord, mais un soin particulier est réservé au modèle servant le plus souvent, le 150W. Les autres n’étant utilisés que rarement, leur rendement est sans importance. Pour le 150 W principal , un modèle haut de gamme sera choisi, pour les raisons développées ensuite.
Pour fixer les idées, dans cette puissance très courante de 150 W, vous pouvez trouver quatre choix possibles.

  • D’antiques modèles, dont la conception date de quelques dizaines d’années, quand sont apparus les premiers transistors de puissance, les 2N3055, au début de la période hippie. Ces composants historiques étaient montés en push-pull pour exciter un transformateur de sonnette. Cela marchait, c’était miraculeux, je me suis rasé à bord pendant des années en 220 V sur la batterie, ce qui épatait les copains, ces matériels n’étaient pas disponibles dans le commerce. Le problème est que ces montages ont un rendement catastrophique, chauffent, sont lourds, non protégés et génèrent une ribambelle d’harmoniques. Réservez cela pour les musées et oubliez ces schémas d’un autre âge. Les composants actuels travaillent en découpage sur des fréquences élevées, utilisent des tores ferrite et ont des rendements qui n’ont rien de comparable avec ces glorieux ancêtres dons le schémas traînent encore dans quelques grimoires (il en existe même encore en kits).
  • Les bas de gamme, autour des 40 €, en onde carrée, très médiocres, mauvais rendement (donc s’échauffant vite), et sans sécurité, risquant de brûler en cas d’incident, à fuir ! Ce n'est pas dans mes habitudes de privilégier une marque, mais j'ai décortiqué et testé le 150 watts de Lidl, c'est le meilleur rapport qualité/prix du marché. Il apparait deux fois par an au catalogue, à ne pas manquer. Son seul défaut est de sortir sur prise plate, il faut monter un bout de fil avec adaptateur pour les prises rondes.
  • Les hauts de gamme, autour de 180 €, sinus véritable, bien filtrés, stables, avec une sécurité de tension batterie haute ou basse, à démarrage progressif, protégés et non incendiaires, au rendement optimal. Ils ne chauffent pas et ne nécessitent pas de ventilateur bruyant comme les précédents. Accessoirement, ces modèles sont pilotée par quartz et offrent une bonne stabilité du 50 Hz, mais cela s’avère sans importance en pratique. Le 150 W principal sera parfait en utilisation autour des 50 W moyens et restera totalement froid. C’est le modèle à adopter pour les besoins du bord en PC et petits chargeurs. Etudiez soigneusement les documentations car des margoulins proposent évidement des produits médiocres aux prix des meilleurs.

 

Comportements étranges des convertisseurs

 

Une curieuse fausse panne

Vous utilisez votre bloc d'alimentation secteur d'origine du PC portable sur le convertisseur 12 V DC > 220 V AC 150 W habituel, et cela a déjà bien fonctionné, mais un jour vous branchez et la led du bloc secteur ne s'allume plus. 
Le convertisseur n'est pas en panne, d'autres appareils branchés sur sa sortie en 220 V fonctionnent normalement.
Avant de jeter le bloc secteur qui semble grillé, testez-le sur une prise reliée au réseau nucléaire, il remarche…
La panne est subtile, la prise secteur (polarisée avec terre) est tournée dans le mauvais sens !
Un convertisseur bas de gamme ne délivre pas une tension sinusoïdale, mais une forme d'onde à fronts raides dissymétriques. Le bloc d'alimentation du PC fonctionne aussi par découpage. Si la phase est incompatible, il peut ne pas démarrer car son appel initial de courant correspondra à un creux de puissance du convertisseur. Les signaux ne sont pas symétriques par rapport à la référence de terre qu'il crée. Les convertisseurs 12 >19 V sont sensibles au sens d'une onde dissymétrique, mais n'ont pas de problème avec une sinusoïde plus propre. En tournant la prise 220 V, la phase s'inverse et cela fonctionne à nouveau.
Remarque : Sur une triplite, les deux  sorties latérales ont la phase inversée par construction, les fils en forme de « T » sont droits et non croisés.
Morale de l'histoire. En mettant en série deux matériels médiocres, plus rien ne marche (mais ce n'est pas cher)…

Attention aux puissances chinoises gonflées

J'ai testé de nombreux convertisseurs 12 V DC > 220 V AC, dont un modèle très répandu rouge et noir (de Chine, à 11 € livré, et cinq fois plus en boutique) qui revendique 75 W (ou VA …).
Relié à un bloc secteur de PC consommant 60 VA, il chauffe beaucoup et au bout de dix minutes, le plastique devient mou, les soudures internes fondent, en particulier sur les diodes qui se détachent et tombent en entrainant la panne.
Pensez toujours à diviser au moins par deux les puissances chinoises annoncées.

Les médiocres prises allume-cigares

La politique de la recherche du prix le plus bas chez les chinois à conduit à réduire le métal dans les prises. Certaines embases n'ont plus qu'un demi-clinquant pour le négatif.
Les prises mâles ont un embout vaguement chromé poussé par un ressort en ferraille. Ce ne sont pas des conducteurs électriques performants. De mauvais contacts se rajoutent s'il y a un fusible. 
Après une utilisation prolongée à courant fort, touchez l'embout de contact pour s'assurer qu'il n'est pas brulant. C'est une source d'incendie à contrôler. J'ai vu des ressorts fondus dans une masse plastique par la dissipation thermique.
Si l'embout est chaud, il faut souder à l'intérieur une tresse cuivre, de l'embout au départ du positif et strappant l'éventuel fusible.

 

Montage du convertisseur principal 150 watts

Il y a deux problèmes à régler, celui de 12 (ou 24) V et celui du 220 V !

Alimentation sur batterie 12 ou 24 V

Les matériel sont livrés avec un embout allume cigare. C’est acceptable en dépannage ponctuel, mais absolument pas en fixe. Il faut monter le convertisseur vissé dans un coffre ventilé, câblé au plus court en gros fils, sur cosses soudées. 
Le négatif est relié en permanence sur le commun du tableau. Le positif passe par un gros interrupteur supportant une dizaine d’ampères, avec un voyant à led clignotante pour ne pas l’oublier hors utilisation et vider la batterie sur le courant à vide. On n'utilise pas l'interrupteur d'origine sur le bloc, celui ci étant caché.

Sortie en 220 V

Nous avons déjà à bord un réseau de prises 220 V, reliées au tableau avec disjoncteur différentiel 30 mA dans le coqueron arrière et à la prise de quai quand nous sommes raccordés. Il y a deux approches possibles : Soit monter de nouvelles prises 220 V pour le convertisseur, soit commuter le réseau existant.

Prises séparées sur les deux réseaux

L’expérience montre qu’il faut trois à cinq quatre prises autour de la table à carte, quand le PC est branché, plus l’alimentation du disque USB externe, le moniteur supplémentaire, les petits chargeurs…
J’évite d’utiliser les blocs multiprises avec un fouillis de fils secteur, je préfère une prise fixe par utilisation. Petit détail, j’ai raccourci et réduit en section tous les fils secteur des accessoires, il est inutile de s’encombrer d’un câble de 2 mètres d’un diamètre surabondant quand un bloc est alimenté par une prise distante de 20 cm…

Prises communes inverseur quai / convertisseur

C’est la solution propre, il ne faut pas doubler les prises, mais c’est plus compliqué ! J’ai trouvé une solution fiable et simple en montant un gros relais industriel dans le tableau arrière.
Quai non branché, le relais est ouvert et toutes les prises du bord sont alimentées sur le convertisseur.
En branchant la prise de quai, le relais colle, il bascule le secteur sur les prises du bord.
Autre effet, il alimente le voyant présence secteur au panneau de la table à cartes, et pour ne pas oublier de débrancher le convertisseur à vide (bien que ce ne soit pas grave, le chargeur automatique est en fonction), un buzzer sonne si le convertisseur est encore alimenté.
Il faut utiliser un gros relais à palette, les relais statiques ne sont pas des inverseurs. En protégeant bien le relais de l’humidité, le système est très fiable.

Consommation du convertisseur

Nous avons vu en page pc portable, les ordres de grandeur de la consommation. PC portable à bord

En navigation PC portable en route pour la cartographie, disque arrêté le plus souvent et écran souvent éteint (le rétro éclairage consomme beaucoup !) quelques chargeurs en route de temps en temps, la puissance moyenne consommée par le convertisseur sur la basse tension reste inférieure à 50 W, soit 4 A sous 12 V ou 2 A sous 24 V.
La batterie de servitude équipements est une 100 Ah
En ne considérant que la consommation du convertisseur (il y a aussi les instruments de navigation et l’éclairage sur cette batterie) nous pouvons faire une estimation de l’autonomie.

Une batterie ne peut être déchargée de plus de moitié, une 100 Ah ne restituera au maximum que 50 Ah, en 12 V l’énergie disponible sera de 12*50 V*A*h = 600 VAh
Nous pourrons donc tirer 50 VA que pendant 12 h seulement.


Il est facile de comprendre le besoin qu’il y aura de multiplier les énergies de rechargement… Voir pages énergie

 

Attention aux gros problèmes de qualité !

Regardez bien la qualité du convertisseur que vous achèterez, les prix des gros matériels seront toujours élevés, mais le prix payé n’est en rien un critère de qualité. Renoncez aux bricolages sur ces matériels délicats. 
J’ai vu passer de nombreux matériels récents en panne dès la première mise sous tension ou après quelque temps. Cela est de plus en plus fréquent, la qualité se dégrade beaucoup car les prix (d’achat au constructeur !) sont tirés au-delà du raisonnable. Le matériel a été testé au départ, mais arrive en panne.

Causes principale, liées à la baisse permanente des coûts de production :

Pattes des composants non recoupées, contacts avec le boîtier lors des manipulations. 
Pas de graisse isolante, grille au tiers de la charge nominale en quelques minutes.
Vis des composants non serrées, mauvais contacts thermiques et courts circuits. 
La puissance indique est le double de celle acceptable, beaucoup de matériels brûlent en quelques minutes à la charge annoncée sur l’étiquette, la sécurité est inefficace…

Ne montez jamais un mauvais convertisseur dans un équipet fermé ou dans le compartiment moteur, il doit être visible et bien aéré (sous la table à cartes)

Gardez l’extincteur à portée !

Solution très économique

Il est très facile de trouver au rebut des onduleurs. Ils ont toujours le même problème, l'accumulateur est mort et l'utilisateur a préféré en racheter un neuf, la batterie de remplacement étant très chère.
Les onduleurs ont souvent une très bonne électronique et une forme d'onde propre sur la sortie 220 V.
Si vous êtes bricoleur, il n'y aura pas mieux en rapport qualité/prix !
Enlevez la défunte batterie, supprimez la partie " entrée secteur et charge " et branchez-vous à la place de l'ancienne batterie.

 

Conclusion

Comme il a été dit en page PC portable à bord, le passage par le 220 volts est une solution très rationnelle, sauf dans les cas des très petits appareils utilisés seuls et disposant de leur alimentation 12 V. Dès que plusieurs matériels seront mis en service il est intéressant d’utiliser le convertisseur de bonne qualité.
Certains gros bateaux utilisent encore des tubes néons ordinaires, s’il y en a beaucoup, il est préférable d’alimenter en 220 V AC plutôt que de tirer des dizaines de kilogrammes de cuivre en basse tension avec des néons utilisant leur alimentation individuelle.

 

Les liens convertisseurs

Les liens des alimentations spécifiques sont dans la page PC portable à bord

Les liens convertisseors sont regroupés dans une seule page : Liens énergie

Charge des batteries par panneau solaire

Publié dans Dossiers samedi, 01 novembre 2014 00:00 0

Document original publié par C. Couderc sur www.voilelec.com

Charge de la batterie moteur par un panneau

Le problème de la charge de la batterie porteur pendant l’hivernage

Les panneaux solaires chargent par défaut la batterie cellule, mais pas la batterie porteur qui s’épuise avec les consommateurs permanents (alarmes et autres).
La batterie cellule est toujours à bloc, la consommation étant nulle quand l’alimentation est coupée, et le peu de soleil d’hiver est surabondant pour compenser l’autodécharge.
Vous constatez une tension de 14 .4 volts, limitée par le régulateur solaire, ce qui correspond à la fin de charge d’une batterie stationnaire au calcium.

La batterie de démarrage, de technologie différente, aura une tension de pleine charge de 13.3 V (mode floating).
Nous allons utiliser ce différentiel pour maintenir compenser la décharge de la batterie moteur.
Commençons par mesurer le courant de décharge permanent de la batterie moteur, une partie du calculateur, l’alarme, et autres consommateurs cachés consomment environ 0.4 A en permanence.

Attention à la sécurité, ce montage ne doit être fait que si vous en comprenez bien les risques.
Un maladroit peut par imprudence mettre le feu à son véhicule.
L'assurance ne couvrira pas ces sabotages.

 

Il n’y a aucun problème à charger en permanence une batterie à C/100, soit pour une batterie de 100 Ah, à 1 ampère.
Pour compenser les pertes, 1.4 A est une valeur optimale.


Considérons la batterie moteur déchargée à 11.5 V, il faut la remonter rapidement pour éviter la dégradation.

Valeurs calculées pour une résistance de 1 ohm (10 W), avec une très banale diode silicium de récupération de 10 A.

Voir Section Energie 

V moteur Vservitude
- Vmoteur
Vdiode Vservitude
- Vmoteur
- Vdiode
I =V /R
11 3.4   2.9
2.9
11.5 2.9 0.7 2.2
2.2
12 2.4   1.7
1.7
12.5 1.9 0.7 1.1
1.1
13 1.4   0.6
0.6
13.3 0.9 0.6 0.1
0.1

 

Il manque sur ce schéma de principe, l'indispensable fusible de 5 A à insérer proprement entre la batterie moteur et la résistance, comme le montre le dernier schéma.

En pratique il est beaucoup plus astucieux de remplacer cette résistance par une ampoule courante de phare de 12 V, 50 W ( 4 A sous 12 V).

L’expérience montre qu’en conditions extrêmes, le filament commencera à peine à rougir, sa non linéarité assurant une excellente limitation, sa tension aux bornes ne pouvant dépasser quelques volts et le courant ne dépassant jamais 1.5 ampère. Cette valeur est très inférieure au courant de floating d’une batterie moteur de très petite capacité.
Le panneau propre (sans fientes de mouettes) compensera l’autodécharge de la batterie moteur en été, en hiver il évitera juste qu’elle ne vide complètement et se détruise, et assurera le démarrage sans problème après quelques mois de non utilisation.

La lampe la plus intéressante est la lampe à iode H7 de 12 V 50 W, c'est l'ampoule classique de phare, qui présente une résistance de 0.21 ohm à 1 V (un quasi court circuit), de 1 ohm à 1 V, de 2 ohms à 5 V. Ce sont les valeurs idéales pour l'application, qui limiteront le courant à 2 A si la batterie moteur est complètement déchargée. De plus elle présente l'avantage d'indiquer par la couleur de son filament le courant précis de compensation en cours.

Pour mieux comprendre l'augmentation de la résistance en fonction de la tension, voici les courbes de deux ampoules moins puissantes, de 25 et de 5 W, dont la trop forte résistance n’est pas applicable pour ce montage.

ampoule

Comportement d'ampoules classiques en fonction de la tension

 

Détail de l'installation

La guirlande diode + ampoule H7 + fusible 5 A, doit être protégée par une grille pour éviter le contact d’objet mobile dans la soute, tout en permettant le refroidissement.
Il faut pour une sécurité maximale bancher les deux fils au bon endroit.
Le plus facile est de se prendre sur le bloc chargeur, car les deux positifs, servitude et moteur arrivent directement.
Sur le Pilote, le  schéma (EBL = elektroblock) Schaudt EBL 267, montre bien les broches des prises reliées aux batteries via les fusibles.

 

Montage plus évolué

Mon montage réel est plus complexe. Il utilise le principe des régulations shunt des panneaux solaires qui consiste à court-circuiter le panneau par impulsions quand la charge est atteinte. Un capteur lit la tension panneau. Quand il détecte une tension supérieure à 16 V, puis la présence d’impulsions à zéro volt, il détermine que la batterie servitude est chargée à bloc, l’énergie en excès est gaspillée en chaleur dans le panneau. Une autre variante exploite les régulateurs à ouverture que l’on trouve aussi.
Un autre capteur lit la tension batterie moteur. Si la charge n’est pas complète, un mosfet est commandé pour mettre en liaison les deux batteries et transférer l’énergie en excès.
La tension de la batterie servitude baisse alors légèrement, la charge solaire reprend et les deux batteries sont isolées, le cycle reprend.
Un petit microcontrôleur gère cela facilement et vérifie que le courant transféré de la batterie servitude à la batterie moteur ne dépasse pas 5 A (soit C/20 batterie moteur).

 

Utilisation d’un panneau à vide

Contrairement à une vielle légende urbaine sans fondement qui circule sur les forums, il n’y a aucun inconvénient à laisser un panneau débranché à vide pour des tests ou pour une raison quelconque.
Il est totalement inutile de le couvrir en cas de non utilisation, sauf pour lui éviter de se salir…
Il supporte aussi les courts circuits accidentels sans problème ainsi que son régulateur associé, mais pas la batterie !

 

Diamètre des fils

Vous trouverez tous les détails ici : Énergie

 

Annexes techniques

Réponse courant / tension d'un panneau

Rendement du panneau en courant fonction de la tension

Rendement du panneau en fonction de la saison et latitude

Courbe montrant le pourcentage du courant maximum (midi, tropiques, perpendiculaire, maintenu à 25°C...) fonction de la tension du panneau 
La valeur "1" (100%) correspond à la puissance commerciale du panneau divisée par la tension de service au rendement maximum de 16.5 V. 
Exemple panneau de 100 W, 12 V, courant I de référence =100/16.5 = 7.2 A et non pas 100/12 = 8.3 A.
Au rendement maximal, le courant espéré sera d'environ 0.7 fois la valeur obtenue en divisant la puissance du panneau par 12, environ 8.3 *0.7 = 5.8 A pour un panneau 100 W (en supposant le panneau bien refroidi à 25°C, en s'échauffant, le rendement s'écroule. 
Sous nos latitudes, comptez dix fois moins au solstice d'hiver. L'énergie maximale est toujours obtenue pour une tension de panneau de 16. 5 V

 

Bilan de l’énergie fournie par un panneau

Les notices commerciales des panneaux suggèrent que l’énergie fournie par un panneau à plat (solstice d’été, conditions optimales…) est de l’ordre de trois fois la puissance catalogue sur la journée, le quart de ce maximum en hiver, quatre fois plis en cas de poursuite du soleil.

Exemple panneau 100 W à plat, énergie maximale espérée 300 Wh (Puissance en watts P=V. I, multipliée par le temps). Cela équivaut à la puissance constrructeur fournie pendant trois heures, valeur réaliste sur une journée d'été nien ensoleillée dans le sud.
En prenant une tension de batterie moyenne de 13 V, capacité chargée 300/13 = 23 A*h 

En lissant la valeur sur 24 h, cela équivaudrait à recharger la batterie avec un courant constant de 1 A en été et de 0.25 A en hiver.
Ces valeurs sont assez réalistes en conditions optimales. En été, cela doit étaler une consommation raisonnable.

Avant de commencer, il faut bien poser le problème. 
 Soit panneau monté à plat, moins d’énergie mais montage très simple, sans entretien.
 Soit installation mécanique de suivi du soleil, rendement trois fois meilleur (surtout quand le soleil est bas), mais grandes difficultés de réalisation, tube de traversée devant tomber dans un placard discret, souvent incompatible avec la position idéale sur le toit encombré, le panneau balayant une grande surface en rotation. La mécanique est fragile, il faut verrouiller efficacement en position de repli, tous ces efforts en valent-ils la peine ?

 

Réalisation d’un dispositif de poursuite

Nous avons évoqué qu'un montage à poursuite solaire donne une quantité d’énergie collectée de trois à quatre fois plus importante qu'un montage à plat, mais au prix d’une bien plus grande complexité mécanique. L"électronique de pilotage est assez simple, mais le montage mécanique demande des compétences certaines.

Approche par calcul

L’électronique se réalise simplement avec une petite carte à microcontrôleur.
Le principe est d’installer deux modules GPS (c’est bien facile que de mettre deux antennes commutées avec les pertes du câble, le modules avec patch coûtent quelques dizaines de dollars). Un GPS est à l’avant du véhicule, l’autre à l’arrière, c’est utilisé couramment sur les bateaux.
Le premier sert de maître et donne la latitude et l’heure solaire, calculée d’après les données extraites de la chaîne GPS. L’heure du midi solaire local est la demi somme du lever et coucher du soleil en GMT. Le calcul de l’azimut et de l’élévation instantanés est trivial. Il faut évidement connaître le cap du véhicule, c’est à cela que sert le deuxième GPS. Il fonctionne en différentiel piloté par le premier, un décalage d’antenne de quelques mètres donne une précision supérieure au degré.
Montage alternatif :
Pour ceux qui ne désirent pas monter le deuxième GPS , il existe une alternative. Des capteurs magnétiques très économiques fournissent un cap magnétique approximatif, on peut espérer une dizaine de degrés de précision en compensant la masse magnétique du véhicule.
Cela suffit pour avoir un azimut approximatif, le positionnement sera affiné grâce à deux capteurs latéraux légèrement décalés (phototransistors montés sans des tubes aluminium), le système cherchera à équilibrer les deux niveaux.

Une erreur d’alignement sur un seul axe produit une perte de puissance correspondant au sinus de l’écart (surface frontale « vue » par le soleil).
S’il y a une double erreur de 45 degrés (élévation + altitude), la surface vue sera moitié, le rendement sera réduit à 50 %.
S’il y a une double erreur de 6 degrés, le rendement sera de 80 %.
S’il y a une double erreur de 3 degrés, le rendement sera de 93 %.
Nous rechercherons donc une précision de quelques degrés.

Le système se déclenche si le contact est coupé depuis plus de cinq minutes, et si le capteur à cellule omnidirectionnel indique qu’il y a assez de lumière extérieure (il serait ridicule de lancer la poursuite dans un hangar). Les GPS sont allumés, il faut patienter quelques minutes pour que le fix soit obtenu. Le calcul se fait alors et les GPS sont coupés. Si le contact n’est pas remis pendant dix minutes le positionnement est lancé sur l’horloge interne. Dès que le contact est mis ou si le panneau ne fournit plus (nuit ou ombre) l’ordre de repli est envoyé.

Approche analogique

Il existe un autre moyen de réaliser une poursuite, sans aucun calcul, uniquement en utilisant quatre cellules divergentes (photopiles ou leds) et des amplificateurs. C’est très simple mais je trouve la méthode par calcul plus précise et élégante.

Sécurité

Le dispositif doit évidement disposer d’une sécurité qui par lors de rafales de vents replie tout en position de repos et bloque définitivement la poursuite (réarmement manuel).

Il reste à adapter la mécanique, mais c’est beaucoup moins simple…

Pile à combustible

Publié dans Dossiers jeudi, 13 novembre 2014 00:00 0

Document original publié par C. Couderc sur www.voilelec.com

Principe des piles à combustible

Cette modeste page n’a pour but que de présenter sommairement un matériel de haute technologie qui débarque dans notre univers d’utilisateurs béotiens.
Le principe est élémentaire, processus de combustion d’un carburant, l’hydrogène, et d’un comburant, l’oxygène (de l'air).
Cette combustion produit un déséquilibre électrique, des membranes microporeuses laissent passer les ions dans un sens en bloquant les électrons. Il y a production d’énergie électrique et accessoirement d’eau et de chaleur.
Pour en voir les détails subtils, consultez les innombrables sites détaillant ce sujet.

Cette technologie est en phase ascendante. Ce sera le produit de l’avenir sur les bateaux et les véhicules de loisir en complément des énergies douces



  Alternateur

Technologie des piles à combustible

Les technologies de piles à combustibles émergent. La pile à combustible est une promesse très intéressante, mais elle n'est pas encore disponible en production automobile à ce jour. Ce sera une révolution qui marquera le remplacement inévitable des moteurs thermiques par l'électrique pour une énergie hybride plus propre.
Une cellule est formée par deux chambres séparées par une membrane. L'hydrogène est injecté d'un coté, il traverse la membrane pour se combiner à l'oxygène en produisant de l'eau et des électrons créant un potentiel de 0.7 V par cellule. Ces cellules sont mises en série pour produire quelques dizaines de volts.

 

Le stockage de l'hydrogène

La technologie des piles et moteurs est déjà très avancée, mais pour le moment, un problème subsiste et bloque le déploiement en masse de ces technologies pour le grand public, on ne sait pas stocker la source d’énergie (sécurité, coûts, volume et poids…). 
Il y a deux approches aux résultats équivalents : 

  • Stocker de l'hydrogène, comme carburant de la pile.
  • Stocker de l’électricité pour utilisation directe dans les moteurs, mais les batteries actuelles sont très loin des performances souhaitées.

Aucune autre forme de stockage d’énergie non fossile ne semble possible pour un usage grand public, la première cible étant l’énorme marché automobile. 
Les pétroliers ne font rien pour accélérer la recherche, il reste encore beaucoup de carburant fossile à vendre et la pollution que l’on donne en héritage aux nouvelles générations n'est pas un problème qui les angoisse. 

Le stockage direct, sous forme d’hydrogène liquide à très basse température, ou comprimé en bouteilles haute pression ne semble pas réaliste pour le grand public. L'autre approche est de le créer en partant de méthanol et d'un catalyseur platine. Ce carburant est un alcool primaire qui se manipule aussi facilement que l'essence et son absence totale de pollution promet un très bel avenir à cette technologie. D'autres solutions technologiques originales se profilent, en particulier en utilisant du propane, le problème du stockage de l’hydrogène ne sera pas bloquant à moyen terme.

Les batteries posent un problème tout différent, l’évolution se poursuit mais elle est très lente, il reste un énorme chemin à parcourir pour offrir une alternative au réservoir d’essence ou de gazole.

La production d’hydrogène

Brûler de l’hydrogène dans un moteur ou une pile est la solution écologique d'avenir parfaite, à pollution nulle. Hormis le problème évoqué du stockage, reste le problème de la production. 
L’électrolyse est le seul moyen pratique pour produire de l’hydrogène. Le rendement électrique final est de l’ordre de 25 %, la recherche annonce une future électrolyse à haute température (EHT) qui devrait atteindre un rendement plafond de 50 % à moyen terme. L’électricité nécessaire ne peut raisonnablement pas provenir de la combustion des énergies fossiles, mais seulement de la production nucléaire. L’hydrogène sera évidement la solution énergétique de l’avenir, mais elle implique une politique nucléaire responsable.

Les piles grand public fonctionnent aujourd’hui au méthanol, solution intermédiaire pour extraire l’hydrogène que l’on ne sait pas stocker. Ce n’est qu’un pis-aller, à faible rendement et coût d’achat et d’entretien encore trop élevé. Il faut une très grande pureté du carburant pour ne pas détruite les membranes très fragiles, tout cela constitue un handicap considérable.
Le marché va s’ouvrir vers des alimentations plus réalistes à partir de la bouteille de gaz ou du réservoir de gazole. Le déploiement grand public est à l’horizon de quelques années.

Les modèles à hydrogène sont plus performants et ne rejettent que de l’eau, mais la manipulation de l’hydrogène n’est pas envisageable pour le grand public. Avec du méthanol on rejette aussi du CO2, c’est moins propre mais plus facile à manipuler : 2 CH3OH + 3 O2 = 2 CO2 + 4 H2O

  Alternateur

 

Devenir des piles à combustible

Suivez l'actualité automobile, quand plus de 10 % du parc occidental sera équipé de piles à combustible, il suffira d'attendre 15 ans pour les voir sur nos bateaux.
Même remarque sur les remplaçants de nos démarreurs et alternateurs. Voir entre autres le magnifique projet "Dynalto " chez Citroën, nous attendons cette révolution avec impatience la sortie de la Xsara Dynalto, en collaboration avec ISAD systems. Quel bonheur de pouvoir bientôt (?) disposer à bord du 220 volts et de la basse tension sous cinq kilowatts, sans la moindre courroie ni usure…
PSA a enfin introduit très timidement en 11/2004 avec Valeo le « Stop and Start » sur la Citroën C3, grâce à la réalisation d’un excellent combiné démarreur alternateur. Cette remarquable initiative sera reprise par tous les constructeurs. Sur nos bateaux un tel matériel fournirait une puissance considérable pour charger un gros parc de batteries. 
Renault a aussi de jolis projets d'hybrides dans ses cartons, les Japonais commencent à en commercialiser.

 

Les solutions concrètes du moment

Le constructeur EFOY domine aujourd’hui le marché grand public. La gamme va de 600 à 1600, le chiffre représentant l’énergie fournie en 24h.
Ce matériel est bien adapté à l’univers du camping-car, mais moins à celui de la voile car les besoins en énergie sont plus importants et couverts par d’autres solutions.
Le chiffre donné n’est pas très clair pour le grand public, il s’agit de watt*heures.
Par exemple la pile 600, peut fournir 1.7 ampères sous 14 volts
Pour retrouver les 600, il faut multiplier par les 24 heures : 1.7 Amp *14 Volts * 24 heures = 600 W*h

Les avantages

  • L’ensemble est petit, très propre car ne générant que de l’eau du CO2 et de la chaleur. Le fonctionnement est silencieux, le seul bruit étant celui du ventilateur, comme pour un PC portable.
  • La production est continue, bref c’est un vrai bonheur.

Les inconvénients

Ce tableau idyllique à toutefois des cotés plus sombres.
Le prix d’achat du matériel est très élevé.
Le coût de fonctionnement est considérable, le méthanol, produit toxique, doit être très pur pour ne pas détruire les membranes, il est vendu très cher.
Les membranes sont très fragiles et la durée de vie de l’ensemble sera courte, le kW produit sera donc très cher.
Une pile produit peu de courant une 600 Wh ne produit que moins de 2 ampères, ce qui correspond à la consommation de deux ampoules de 10 W seulement ou le tiers de ce que consomme un PC portable.
 Il est évident qu’il faut réduire au maximum les appareils énergétivores et en particulier bannir toute ampoule à filament pour passer à des technologies led ou néon. En autonome, les grandes illuminations sont à bannir.

Bilan d’utilisation 

La consommation est de 1.1 litre de méthanol par kW produit. Donc, pour recharger une batterie de 100 Ah à moitié vide, il faudra fournir plus de 60 Ah (le rendement n’est pas de 100% !), pour en restituer 50 Ah si la batterie est neuve.
Avec un courant de 2 A, il faudra 30 heures de charge, l’énergie fournie sera de 15 V * 2 A * 30 h soit 900 Wh, ce qui correspond à une consommation d’un litre de méthanol.
En prenant un prix de 35 € le bidon de 5l, la charge d’une batterie à demi vide nous coûtera donc 7 € de carburant.
Le prix réel de la charge est toutefois bien différent car il faut tenir compte de la durée de vie de la pile.
Si l’on considère que la pile aura une durée de vie moyenne de 3000 heures, ce qu’un utilisateur très soigneux espèrerait atteindre, cela correspondrait à une centaine de charges possibles.
Le prix réel de la charge sera donc de l’ordre de 2400/100 = 24 € d’amortissement plus 7 € de carburant, c'est-à-dire un peu plus de 30 Euros la charge (batterie à moitié vide).

Les retours d’expérience nous montreront si des utilisateurs ont pu atteindre la centaine de cycles, ce qui s’avère très ambitieux.

Quel volume de méthanol stocker à bord ?

Le méthanol a l’avantage de ne pas sentir mauvais comme l’essence, une pile n’empeste pas la soute comme le fait un générateur à essence.
Hors les problèmes de coût, un problème se pose, combien de litres doit-on stocker dans la soute ?
Il n’est pas possible de trouver du méthanol très pur partout, ce n’est pas comme pour le gazole, et le baroudeur se trouvera vite à court. Il devra donc avoir à bord le nombre de bidons nécessaires pour assurer son autonomie, mais cela peut être très volumineux et encombrant.  

FAQ

Question naïve qui m’a été posée : Peut-on se chauffer avec la pile à combustible ?
Non car il y a une grande différence d’échelle entre les besoins de chauffage et la production d’une pile. Pour chauffer le volume d’un camping-car ou d’un petit voilier, un radiateur soufflant de 2 kwatts est nécessaire.
Une pile produit quelques dizaines de watts pour quelques milliers d’€uros d’investissement, sans parler des consommables.
Il faudrait donc mettre en parallèle cent piles de vingt watts pour alimenter le chauffage.
Vous voyez la différence d’échelles et le budget exorbitant en investissement, volume et coûts du méthanol…

 

 

La solution idéale à court terme : Pile au propane

Une solution beaucoup plus intéressante est annoncée par Truma, mais seulement en phase d'introduction pour le moment.

La concurrence aidant, le prix deviendra accessible dans quelques années, ce qui en fera un produit très incontournable quand elle sera fiabilisée.

La puissance est de 250 W soit 20 A sous 12 V, ce qui est parfait pour charger deux batteries.
La consommation annoncée est de 90 grammes / heure, une bouteille de gaz donnera un temps de fonctionnement continu de l'ordre de 5 jours.
Comme en pratique elle ne sera sollicitée que par tranches de quelques heures quand la batterie est épuisée après un long stationnement, cette consommation peut être considérée du même ordre que celle d'un réfrigérateur que l'on estime à 300 grammes par jour.
Cette solution s'avère meilleure que celle de panneaux solaires.

 

L’automobile et l’électrique

Il est évident que quand l’automobile s’intéressera aux piles à combustibles, les prix s’écrouleront, mais il y a deux problèmes fondamentaux.

La puissance

Un moteur automobile demande une énorme énergie, de l’ordre de 100 Chevaux Vapeur.
1 CV = 736 Watts, la pile devra donc fournir de l’ordre de 70 kW.
Cette valeur est irréaliste, P=VI, environ 6000 ampères sous 12 volts, ce qui est une pure folie.
Aucune pile de cette taille n’est réalisable.
Si l’on voulait utiliser des piles Efoy 600 (2 A sous 12 V), il faudrait en mettre 3000 en parallèle, cela montre l’absurdité d’un tel raisonnement.
Il faudra se tourner vers d’autres solutions, les piles restant cantonnées aux petites énergies.
Les mentalités vont évoluer, aller chercher les enfants à l’école avec un gros 4*4 est une absurdité pour gros blaireau, un petit véhicule urbain hybride consommant et polluant beaucoup moins sera la solution raisonnable.

La taxation

L’état tire des taxes sur le pétrole une énorme source de revenus.
Si l’automobile basculait vers l’électrique, un plein de batteries sur la prise secteur de la maison permettrait de rouler une centaine de kilomètres par Euro au prix actuel du nucléaire.
Si l’on considère qu’un tel équipement ne concerne que quelques farfelus, moins d’un pour mille de la population nationale, il est inutile de s’en préoccuper, c’est du même ordre que ceux qui font rouler leur vieux diesel aux huiles de friture, il y a d’autres chats à fouetter.
Quand l’utilisation de l’électrique dépassera le un pour mille, alors il faudra taxer pour compenser la perte de la taxe pétrolière (TIPP).
Le matériel est déjà prêt à être mis en service. Le parc à batteries passera par un shunt plombé afin d’empêcher toute charge sauvage. Un coulombmètre intégré à l’ordinateur de pilotage de l’énergie mesurera les énergies entrantes et sortantes. La charge se fera bien par le secteur, mais au travers du chargeur intégré qui possèdera un lecteur de carte à puce. Les cartes d’énergie prépayées seront en vente dans les stations service, et le kW électrique sera taxé comme celui des énergies fossiles.
Les petits malins se disent déjà, je vais bricoler cela vite fait pour charger à l’œil, n’y comptez pas, le système sera très sécurisé.
Personne n’est pressé pour introduire des solutions électriques, cela commencera quand le prix au litre des carburants aura dépassé les 4 Euros, mais c’est pour bientôt.

 

Note complémentaire de la page énergie 

 

Liens piles à combustible

Les liens spécifiques sont innombrables et changent souvent.
Cherchez dans Google « pile combustible » et mieux encore dans les pages anglo-saxonnes « fuel cell »

Cherchez aussi : " truma pile propane"

.Les liens énergie, batteries, diodes, alternateurs étant très liés, tout est regroupé dans une seule page: Liens énergie 

 

Panneau Solaire

Publié dans Dossiers jeudi, 13 novembre 2014 00:00 0

Document original publié par C. Couderc sur www.voilelec.com

Introduction

D'autres chapitres traitent 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 :

Panneaux solaires (cette page)

Charge des batteries par panneaux solaires 

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

Aérogénérateurs  (improprement nommés éoliennes).

Groupes électrogènes.

Piles à combustible et autres sources.

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 "). */

Soleil ou vent ?

Ce chapitre est commun aux panneaux solaires et aérogénérateurs.

À 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 vous 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 :

Le vent

En zone bien ventée, l’aérogénérateur fonctionnera quasiment  toute l'année, jour et nuit, la moyenne peut être de  12 volts * 2 ampères = de l'ordre de 24 watts, soit en 24 heures, 24 W * 24 heures = environ 500 Whj.
Un demi kilowatt*heure par jour est alors possible en moyenne 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 soleil

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 ".

 

Le sillage

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.

 

Alors que choisir ?

C'est simple, pour un programme de voyage, avec un bateau disposant de nombreux équipements voraces, il faut combiner toutes les énergies douces possibles, aérien, solaire, arbre d'hélice, en plus évidement des alternateurs des moteurs, des groupes et piles à combustible. 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.

 

Amélioration importante du rendement

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 efficacement.

Il existe un moyen évolué pour gonfler le flux d’énergie récupérable. Le principe d'un "booster" ou gonfleur 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 P = V source * I source 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 (au midi solaire, panneau perpendiculaire, cela ne sert à rien) ou en cas de panne. Un très bon montage a un rendement de l’ordre de 87% et peut doubler l’énergie fournie en conditions faibles. Voir le chapitre de l’alimentation du PC portable qui parle des pompes de charges, c’est exactement le même montage. 
Sur de grosses installations, la basse tenson sera transformée en 220 V alternatif par un convertisseur pour diminuer les pertes ohmiques, puis exploitée par un chargeur évolué (qui sert aussi à quai) afin d’optimiser la charge en fonction de l’énergie disponible.

Dans le cas d’un élévateur, l’électronique sera 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.

 

Considérations sur le retour sur investissement

La démarche pour des énergies douces est intellectuellement satisfaisante, mais qu’en est t’il en terme de rentabilité ?
Pour une installation fixe à terre,  il est raisonnable d’estimer que si tout se passe bien, en établissant un contrat EDF de rachat de l’énergie, l’équilibre financier risque d’être atteint au bout de 10 ou 15 ans, car pour le moment la revente d’énergie personnelle est largement sur payée.
Sur un voilier, ce calcul ne tient pas, il ne faut pas considérer la valeur comptable de l’énergie au tarif EDF mais sa valeur d’agrément d’utilisation qui est beaucoup plus élevée. Le fait d’être autonome en énergie et de ne pas avoir à actionner le groupe électrogène est un luxe qui se paye très cher. 
Il semble raisonnable de considérer que sur dix ans d’utilisation sur un voilier, pour mille euros investis dans des énergies douces, seulement quelques dizaines de litres de gazole auront été économisés, mais le point très positif est de ne pas avoir pollué un mouillage tranquille par un groupe pétaradant et agressif.
Cela semble un prix exorbitant du litre économisé, mais ce n’est pas ainsi qu’il faut raisonner.

 

Tension de service

Lors du choix d’un aérogénérateur ou d'un panneau solaire, l’idée simpliste est de prendre un modèle à la tension de son parc à batteries. C’est un très mauvais choix, en particulier pour du 12 volts, car le courant sera très fort et imposera de grosses sections de cuivre pour limiter les pertes.
Il est préférable de partir de la tension le plus élevée possible pour qu’à puissance donnée, P=V*I, le courant soit le plus faible possible.
Les pertes par effet joule sont le produit du carré du courant par la résistance ohmique ! (Voir le chapitre sur le calcul des sections de cuivre)
Les installations de qualité ont des aérogénérateurs qui sortent une centaine de volts ou plus.
Il est facile ensuite, au plus près des batteries, de convertit par une pompe de charge, la tension trop élevée en basse tension de service, et ce, avec un très bon rendement.

 

Choix de la conversion

Un convertisseur 24 > 12 est très basique et ne se préoccupe pas du rendement (toujours médiocre), il est fait pour adapter des matériels 12 V sur un réseau 24, par exemple pour les camions. C’est de l’électronique très rustique.

Un système à pompe de charge est plus complexe. Coté source en 24 V, il règle sa charge en permanence pour tirer le maximum de puissance,  le produit V * I 
Plus on tire de courant, plus la tension s’écroule, la courbe est une gaussienne, le dispositif se maintient au sommet.
Cette puissance récupérée est envoyée à un autre dispositif, le chargeur intelligent qui va optimiser la charge batterie.
Evidement ce système complexe n’a d’intérêt que pendant la phase de charge de la batterie, une fois le palier flottant atteint, l’énergie est gaspillée en pure perte et u  système basique suffit.
Le système intelligent à pompe permet de charger beaucoup plus vite et s’impose quand les parcs à batteries sont sollicités.

Fin du chapitre commun «  soleil / vent  »

 

Fonctionnement des panneaux solaires

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 :

La qualité et le rendement du panneau (très variable !).

Le rendement des panneaux solaires dépend de la technologie. Un panneau classique convertit 10 à 15% de l'énergie solaire reçue en énergie électrique. Il ne faut pas espérer d'amélioration sensible par une évolution technologique future. Le fabricant vous donne pour chaque panneau la tension et le courant (donc la puissance P = V * I) maximale du panneau. Cette puissance est un maximum absolu, à midi en plein été dans un désert tropical aride (pas en mer, la vapeur d'eau absorbe), panneau bien perpendiculaire au rayonnement. Il faudra bien sûr diviser cette puissance gonflée par divers facteurs successifs.

A puissance égale, les panneaux les plus performants monocristallins auront une surface plus petite que les médiocres poly cristallins.
Il faut noter que la puissance des panneaux baisse nettement après une année d’utilisation.
En conditions d’éclairement maximum (ensoleillement très puissant > 1000 W/m²), ne soyez pas surpris si vous mesurez que votre panneau neuf fournit plus d’énergie que celle commerciale, mais cela ne va pas durer…

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  • La surface : l'énergie est directement proportionnelle à la surface pour une technologie identique.
  • L'éclairement (intensité solaire et écart angulaire par rapport à l'axe perpendiculaire).
  • Les masquages, ombre, couche de sel ou fiente d’oiseau (ou d’équipier ?) qui écroulent le rendement.
  • L'échauffement traité chapitre suivant
  • Le rayonnement dans votre zone de navigation, suivant la saison, très inférieur aux conditions maximales données par le constructeur.
  • L'éloignement de l'heure du midi solaire, plus le soleil est bas, plus la masse atmosphérique absorbe l'énergie et le sinus de l'angle faible.
  • 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.

 

Rendement du panneau

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.

 

L'échauffement catastrophique

Ce paramètre négligé est très important, le rendement d'un panneau décroit fortement avec la température.
C'est pour cela que paradoxalement le rendement sous le soleil écrasant des tropiques sera plus faible que plus au nord en des zones moins ensoleillées.
Il faut tout faire pour éviter l'échauffement du panneau, en particulier le jamais le coller sur un roof, mais laisser une circulation d'air pour la face inférieure en séparant les panneaux par des cadres aérés. Il est évident que des cadres en cornières alu ne sont pas du plus bel effet sur le bateau, mais il faut laisser respirer le dos du panneau.

 

 

Le montage au sol

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.

 

Poursuite astronomique calculée

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.

 

Poursuite optique

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 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.

 

 

Installation sur le voilier

Voyons maintenant l'adaptation sur un voilier.
C'est beaucoup plus complexe et les résultats sont moins bons. En principe l'installation fixe, panneaux horizontaux sera utilisée.
Sur l'arceau arrière, le panneaux sont bien protégés. Sur le pont ils sont trop fragiles. Il faut faire très attention aux ombres parasites. Les cellules sont disposées par bandes, en série, une seule cellule à l'ombre isole toute la bande. Une jonction diode Silicium développe 0.6 volt, avec les pertes 0.5 volt utile, il faut donc plus de 33 à 36 cellules en série pour charger une batterie.
Sur le panneau à droite, vous comptez (6*6) - 1 = 35 cellules :
Donc, avec un bon ensoleillement, pour sortir 14 volts, avec la perte de la diode anti retour de 0.6 volt, chaque cellule fournira 14.6/35 =0.42 volt

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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.
Les panneaux solaires chinois à prix casés n'ont évidement aucune diode de protection.

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.

 

Les pompes de charge

Un panneau solaire n'est pas optimisé pour fournir son maximum d'énergie à sa tension commerciale, son rendement augmentera à tension plus faible. Pour fournir une énergie maximale, il faut donc élever cette tension pour s'adapter à la tension idéale demandée par la batterie suivant son cycle de charge.
Il faut rechercher en permanence le produit maximal (tension du panneau * courant).
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 de puissance, à la tension de la batterie…

Les catalogues "Maxim Dallas", "Linear Technology" et autres proposent un grand choix de pompes de charges et de convertisseurs, spécialisés et excellents dont les rendements tournent autour de 90%, pour ceux qui veulent réaliser l'électronique adaptée.
Le gain obtenu avec une pompe bien calculée est maximum en faible éclairement. Il est en moyenne d'environ .30% ce qui est intéressant compte tenu de la simplicité de montage.

MPPT

De nombreuses réalisations commerciales, spécialement développées pour les panneaux solaires sont aussi proposées dans des qualités diverses. Ces systèmes savent évidement détecter la fin de charge et passer en mode floatting.
Cherchez dans votre moteur "maximum power point tracking" pour faire votre marché.

 

Installation en 24 V

Plusieurs bonnes solutions sont envisageables

* Quatre (ou plus) panneaux en 24 V, chacun avec son propre régulateur
Inconvénient un panneau 24 V peut être plus cher que deux de 12 V à puissance identique.

* Variante du précédent, remplacer un ou des panneaux 24 V par deux 12 V en série.

N'utiliser exclusivement  que des " Régulateurs MPPT", il sont plus efficaces et fiables que les bas de gamme chinois proposés en prix d'appel.
Ces régulateurs (Maximum Power Point Tracking) sont équipés d'une pompe de charge comme décrit plus haut afin d'optimiser en permanence le produit"  P = V * I " en entrée, et fournir en sortie la tension convenable de charge à la batterie.
Certains permettent de rentrer en 12 V et de sortir en 24 V (ou 48, ou 110 V...)

Les modèles élévateurs permettent d'utiliser directement des panneaux 12 V sur des installations de tension supérieure avec des fils plus fins (* troisième variante).

 

 

Relier ensemble les points intermédiaires

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) par un câble flottant.
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. Ce système soit être utilisé si la disposition impose de monter les panneaux avec des orientations différentes pour exploiter au mieux ceux bien exposés.

 

 

Modification des panneaux 12 V en 24 V

Nous avons vu qu'il est beaucoup plus intéressant de travailler avec des tensions élevées pour réduire les pertes.
Un panneau est constitué d'assemblages de cellules élémentaires silicium, chaque cellule fournissant à son rendement maximum une tension (seuil de diode) de l'ordre de 0.6 volts.
Pour réaliser un panneau 12 V, il faudra assembler plus d'une trentaine de cellules en série afin de compenser les pertes, la marge de 50% assure le débit en conditions habituelles 
Un panneau 12 V est donc constitué de bandes d'une trentaine de cellules en série (et plus si elles sont à faible rendement) , ces bandes étant mises en parallèle pour augmenter le courant.
Pour un panneau 24 V, la bande élémentaire sera évidement constituée d'une soixantaine de cellules.
Il est théoriquement possible de modifier des panneaux 12 V en 23 ou 36 V, s'ils ont deux ou trois bandes, à condition de pouvoir accéder aux contacts derrière le panneau.
Je déconseille fortement ce bricolage douteux ,il est extrêmement risqué d'aller gratter l'isolant, mais certains panneaux font faciles à modifier. Les fils des bandes arrivent dans une petite boite étanche comportant aussi la diode anti retour, ils sont commutables en série ou parallèle. Les panneaux bas de gamme ont les connections noyées dans la résine et le silicone, en ne laissant accessible que les deux bornes ou le fil de sortie.

 

Conclusion

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

 

 

Les liens énergie solaire

Cette page est de complément de la charge des batteries par panneaux solaires 

Oh grand Gourou, quel modèle dois j'acheter ? La réponse est ici 

Pour approfondir la conversion par pompe de charge, alimentation de PC portable 

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

Toiture : echosysteme.qc.cal
La thermophotovoltaique : solar-club.web.cern.ch

Chercher avec mot clef <Photovoltaic>, sur les sites anglais, parmi les milliers de réponses :
Simulation d'énergie : mauisolarsoftware.com
Energie photovoltaïque, bateaux solaires : lien mort

Installation de chauffe eau amateur : amet.pierre.free.fr

Les Aéro-générateurs ( Eoliennes )

Publié dans Dossiers mercredi, 12 novembre 2014 00:00 0

Document original publié par C. Couderc sur www.voilelec.com (édulcoré par P. Surmont. L'auteur ayant un point de vue assez tranché sur la question).

Introduction

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 :
Panneaux solaires

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 

Aérogénérateurs (cette page).

Fort curieusement, la France est extrêmement en retard sur l'éolien en général, les implantations de grosses machines commencent à peine. Les nordiques entre autres sont beaucoup plus avancés. Cet énorme retard ne pourra être rattrapé avant des décennie, le lobby du pétrole est très puissant et bloque ces développements. Les grosses machines sont importées. La France est un des pays les moins équipés, alors que les régions Languedoc Roussillon et Provence sont très ventés et disposent de sites éloignés des habitations pour installer d'énormes parcs. Nous n'avons aucune installation offshore, nous sommes les sous-développés de l'éolien.

Des intégristes écologiques qui prônaient l'éolien contre le nucléaire, luttent maintenant contre la création de ces champs, prétextant que cela défigure le paysage et tue les oiseaux, il faudrait un peu de sérieux pour arrêter de dire autant de stupidités...
Il est évident qu'il faut éloigner les gros aérogénérateurs à quelques kilomètres des habitations, la pollution infra-sonique étant très importante, mais en zones ventées et désertes, c'est une bonne solution.

 

En toute rigueur il faut parler d'aérogénérateurs, machines qui produisent de l'électricité à partir du vent et non pas d'éoliennes, machines pour pomper de l'eau.

 Le terme Eolienne est toutefois maintenant largement usité.

 

Soleil ou vent ?

Ce chapitre est commun aux panneaux solaires et aérogénérateurs.

À 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 vous 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 :

 

Le vent

En zone bien ventée, l’aérogénérateur fonctionnera quasiment  toute l'année, jour et nuit, la moyenne peut être de  12 volts * 2 ampères = de l'ordre de 24 watts, soit en 24 heures, 24 W * 24 heures = environ 500 Whj.
Un demi kilowatt*heure par jour est alors possible en moyenne 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. Il y a toutefois moyen de limiter ce bruit et des éoliennes tel que les Aerogen sont quasi silencieuse. Il est aussi conseillé d'utiliser un système de cylindre Block pour limté la propagation des vibrations à la coque

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 soleil

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 ".

 

Le sillage

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.

 

Alors que choisir ?

C'est simple, pour un programme de voyage, avec un bateau disposant de nombreux équipements voraces, il faut combiner toutes les énergies douces possibles, aérien, solaire, arbre d'hélice, en plus évidement des alternateurs des moteurs, des groupes et piles à combustible. 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.

 

Amélioration importante du rendement

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 efficacement.

Il existe un moyen évolué pour gonfler le flux d’énergie récupérable. Le principe d'un "booster" ou gonfleur 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 P = V source * I source 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 (au midi solaire, panneau perpendiculaire, cela ne sert à rien) ou en cas de panne. Un très bon montage a un rendement de l’ordre de 87% et peut doubler l’énergie fournie en conditions faibles. Voir le chapitre de l’alimentation du PC portable qui parle des pompes de charges, c’est exactement le même montage. 
Sur de grosses installations, la basse tenson sera transformée en 220 V alternatif par un convertisseur pour diminuer les pertes ohmiques, puis exploitée par un chargeur évolué (qui sert aussi à quai) afin d’optimiser la charge en fonction de l’énergie disponible.

Dans le cas d’un élévateur, l’électronique sera 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.

 

Considérations sur le retour sur investissement

La démarche pour des énergies douces est intellectuellement satisfaisante, mais qu’en est t’il en terme de rentabilité ?
Pour une installation fixe à terre,  il est raisonnable d’estimer que si tout se passe bien, en établissant un contrat EDF de rachat de l’énergie, l’équilibre financier risque d’être atteint au bout de 10 ou 15 ans, car pour le moment la revente d’énergie personnelle est largement sur payée.
Sur un voilier, ce calcul ne tient pas, il ne faut pas considérer la valeur comptable de l’énergie au tarif EDF mais sa valeur d’agrément d’utilisation qui est beaucoup plus élevée. Le fait d’être autonome en énergie et de ne pas avoir à actionner le groupe électrogène est un luxe qui se paye très cher. 
Il semble raisonnable de considérer que sur dix ans d’utilisation sur un voilier, pour mille euros investis dans des énergies douces, seulement quelques dizaines de litres de gazole auront été économisés, mais le point très positif est de ne pas avoir pollué un mouillage tranquille par un groupe pétaradant et agressif.
Cela semble un prix exorbitant du litre économisé, mais ce n’est pas ainsi qu’il faut raisonner.

 

Tension de service

Lors du choix d’un aérogénérateur ou d'un panneau solaire, l’idée simpliste est de prendre un modèle à la tension de son parc à batteries. C’est un très mauvais choix, en particulier pour du 12 volts, car le courant sera très fort et imposera de grosses sections de cuivre pour limiter les pertes.
Il est préférable de partir de la tension le plus élevée possible pour qu’à puissance donnée, P=V*I, le courant soit le plus faible possible.
Les pertes par effet joule sont le produit du carré du courant par la résistance ohmique ! (Voir le chapitre sur le calcul des sections de cuivre)
Les installations de qualité ont des aérogénérateurs qui sortent une centaine de volts ou plus.
Il est facile ensuite, au plus près des batteries, de convertit par une pompe de charge, la tension trop élevée en basse tension de service, et ce, avec un très bon rendement.

 

Choix de la conversion

Un convertisseur 24 > 12 est très basique et ne se préoccupe pas du rendement (toujours médiocre), il est fait pour adapter des matériels 12 V sur un réseau 24, par exemple pour les camions. C’est de l’électronique très rustique.

Un système à pompe de charge est plus complexe. Coté source en 24 V, il règle sa charge en permanence pour tirer le maximum de puissance,  le produit V * I 
Plus on tire de courant, plus la tension s’écroule, la courbe est une gaussienne, le dispositif se maintient au sommet.
Cette puissance récupérée est envoyée à un autre dispositif, le chargeur intelligent qui va optimiser la charge batterie.
Evidement ce système complexe n’a d’intérêt que pendant la phase de charge de la batterie, une fois le palier flottant atteint, l’énergie est gaspillée en pure perte et u  système basique suffit.
Le système intelligent à pompe permet de charger beaucoup plus vite et s’impose quand les parcs à batteries sont sollicités.

Fin du chapitre commun «  soleil / vent  »

 

 

Les axes verticaux

Il existe deux familles basées sur des principes de construction très différents, celles à axe vertical et celles à axe horizontal. Nous allons considérer en premier les aces verticaux qui sont les matériels les plus anciens.
Ces machines ont été développées car elles présentaient un avantage, le moteur est placé en bas, c'est très pratique pour les installations lourdes à terre, et il n'y a pas à les orienter en fonction de la direction du vent. Cela n'a pas été un avantage pour les machines puissantes, car le poids et les contraintes de torsion sont énormes sur le palier inférieur. 
Ces matériels ont été abandonnés comme petits aérogénérateurs sur les bateaux.
Les axes verticaux peuvent revenir d’actualité dans le cas de tours à vent qui seraient capables de fournir un solide palier supérieur.

Une très rare autre application de ces rotors est le remplacement de la voile, testée sur des petits catamarans de plage et sur les prototypes des bateaux de Cousteau Alcyone. La rotation de la voilure turbine peut entraîner un générateur électrique ou directement l'arbre d'hélice. De tels bateaux auraient l'extraordinaire propriété de remonter vent debout et de produire de l’énergie au mouillage !


Malheureusement, aucune technologie ne permet de résoudre les problèmes bloquants. Par principe, il est impossible de tenir la tête de la structure tournante par haubanage. Il serait simple de réaliser l’articulation de base du mât posée sur les fonds mais impossible de fiabiliser le colossal palier au niveau du pont. L’effet de levier produit par les masses en rotation cisaillerait le mât au palier du pont. Par mauvais temps les poids considérables placés dans les hauts sont incompatibles avec les contraintes de la mer. Nous ne parlerons même pas des bruits et vibrations que génèreraient un tel dispositif dans le bateau.
Des prototypes fonctionnent très bien sur maquettes en bassins calmes, mais les contraintes augmentent comme le poids, au cube des longueurs, et les jouets de bassins calmes ne sont pas transposables à la mer. Ces projets n'ont montré aucune possibilité de développement, mais ils étaient très porteurs sur le plan publicitaire et donnaient une bonne image d'écologie de façade.
Pour développer l'introduction nous distinguerons les deux seuls modèles connus.

Les rotors de Darrieus ressemblent à un grand batteur à œufs, formés de deux pales cintrées, ils ont un rendement acceptable mais doivent être lancés car ils ne démarrent pas seuls. Ils sont maintenant abandonnés

Les rotors de Savonius sont constitués d'une feuille en tôle rectangulaire et cintrée avec une section en forme de S approximatif. Il est facile d'en bricoler un (très mauvais) avec deux demi bidons. Ils ne peuvent pas tourner vite et ont un faible rendement, les meilleurs ne dépassent pas 50% de la limite de Betz (pourcentage maximum théorique de l'énergie du vent pouvant être récupérée). Les rotors de Savonius ne permettent pas de développer de grandes puissances et n'ont qu'un très faible rendement, ils ne connaissent pas un grand développement.
Sous forme dégradée, ils ne sont maintenant utilisés que pour les enseignes publicitaires tournant au vent...

Pour les esprits curieux, voir l'effet Magnus : wwwetu.utc.fr/~nouendez/moulin

 

Les axes horizontaux

Ce sont les seules machines possibles pour la plaisance, dont certaines sont très performantes et toujours en évolution. Le corps est une structure profilée, avec un empennage auto-directif et une hélice. Mais il existe des modèles de qualité très variable.

 

Les matériels efficace


Le choix du nombre de pales d’un matériel performant ne doit rien au hasard.

L’aérodynamique nous apprend qu’une monopale serait la plus efficace, car l’énergie récupérable dépend au premier degré de la surface balayée, mais l’expérience a montré qu’elle était inexploitable. Elle a été essayée en aéronautique, mais la nécessité du contrepoids à modifier suivant le régime ruine l’intérêt.
L’augmentation du nombre de pales a pour effet négatif d’augmenter les pertes par traînées de turbulences sans apporter de gain.
La bipale est la plus simple à réaliser et vibre beaucoup moins, elle a marqué les débuts de l’aviation.
La tripale ne vibre pas, elle a un rendement acceptable et les technologies actuelles en font le très bon choix. Certaines tripales peuvent toutefois être extrêment bruillante tel que le modéle vendu un temps par West Marine. Les grands nombres de pales complexes adoptées sur les turbopropulseurs qui travaillent en flux guidés à grande vitesse ne sont pas adaptables sur un aérogénérateur.
Les pales sont étudiées comme celles des hélicoptères et des avions, avec des profils variables, et réalisées en matériaux composites. Ils sont évidement bien plus efficaces et d'un bien meilleur rapport qualité/prix que les moulinettes.

Ces machines existent dans toutes les tailles, depuis quelques dizaines de watts par vent moyen pour nos petits bateaux jusqu'aux monstres de centaines de kilowatts avec les pales de plusieurs dizaines de mètres, disposés par dizaines dans les champs de production.
Nous sommes bien loin des petites puissances des panneaux solaires, ces machines sont très efficaces mais malheureusement entachées de l'énorme défaut de la pollution sonore et vibratoire.
Le problème à terre est résolu en éloignant les grosses machines à plusieurs kilomètres de toute zone habitée, ou comme au Danemark en les installant en mer à plusieurs milles du rivage. Ce problème est catastrophique. A titre anecdotique divers modèles de très bons aérogénérateurs ont été installés sur l'île du Planier, en face de Marseille, pour alimenter le phare du temps où il était encore habité. Les machines de 3 mètres de diamètre produisaient avec le violent Mistral une énorme énergie, mais les vibrations transmises à toute l'île par le rocher étaient telles qu'aucun matériel n'a pu être conservé.

Le bruit émis par les turbines éoliennes peut être classé en deux catégories que l'oreille humaine perçoit différemment. Premièrement, il y a le bruit produit par le passage de l'air dans l'hélice et deuxièmement, il y a le bruit produit par la rotation des éléments mécaniques tels les boîtes d'engrenages et génératrices. Le premier bruit est un sifflement rythmique. Bien que ce soit généralement le plus bruyant des deux catégories de bruit quand on le mesure en décibels, c'est le moins perturbant et le moins sujet aux plaintes, à l'opposé du grincement aigu de la seconde source. L'impact du bruit est facilement minimisé par un choix judicieux de l'emplacement de l'éolienne par rapport aux caractéristiques topographiques et à la proximité d'habitations.

Sur le bateau, la pollution la plus importante est vibratoire, les vibrations basse fréquence et infrasons se propagent partout, le maximum est atteint avec les bateaux métalliques, mais évidement bien plus faibles qu'avec les moulinettes précédente.

Une hélice (mono, bi ou tripale) de 43 m de diamètre permet de fournir 750 kW. Sur nos bateaux nous utiliserons un diamètre légèrement inférieur... 
N'oubliez pas que l'énergie maximale disponible est proportionnelle à la surface donc au carré du diamètre. Le facteur de proportionnalité est extrêmement variable suivant la machine:
Pour 43 m nous obtenons 750 kW, donc pour 43 cm, 100 fois moins en diamètre, 1002 = 10.000 fois moins en surface balayée, donc en énergie soit 75 W, ne rêvons pas, ce n'est qu'un dixième de cheval (1 Cheval Vapeur = 736 watts), votre moteur diesel de 20 CV produit 200 fois plus d'énergie, mais l'alternateur n'en absorbe que très peu pour charger...

Les aérogénérateurs de qualité sont pourvus d'une hélice à pas variable, avec mise en drapeau dans la tempête. Dans ce cas, l'inclinaison des pales est contrôlée, permettant de conserver un rendement élevé quelles que soient la vitesse du vent et la vitesse de rotation. Les modèles à pas variable ont comme autre avantage de commencer à produire de l'énergie par vents faibles. Le pas est ajusté automatiquement en permanence pour optimiser le rendement. La vitesse de rotation est toujours maintenue faible en jouant sur l'excitation, donc le couple moteur, pour optimiser en permanence la puissance maximum. Ce contrôle évolué diminue considérablement la pollution et assure la meilleure efficacité. L'électronique n'est pas très compliquée, le microcontrôleur a dans sa mémoire les courbes relevées au tunnel pour toutes les vitesses de vent et de charge électrique, il lit la vitesse de rotation et les niveaux électriques et ajuste par découpage le courant d'excitation donc la puissance restituée.

 

En résumé

En considérant les matériels plaisance de qualité :
Les modèles évolués, bi ou tripales tournent toujours lentement pour deux raisons.
L'excitation est pilotée suivant la vitesse du vent et la charge batterie.
Dans les petits airs, l'excitation est faible pour permettre de démarrer la rotation.
Dès que le vent monte, l'excitation est poussée afin de maintenir une vitesse régulière pour un rendement maximum. Un microcontrôleur qui possède la table de rendement de l'alternateur en fonction des courants de sortie pour les fcem (force contre-électromotrice liée à la tension de la batterie).
Si le vent est trop fort les pales s'effacent allant jusqu'à se mettre en drapeau pour faire ne pas emballer l'hélice.
Cela intervient par vent fort batterie chargée à bloc, L'énergie en excédent est basculée sur une résistance ballast
Avec ces dispositifs, l'hélice tournera toujours lentement, avec bruits et vibrations minimaux pour la puissance maximale. Il faut accepter de payer le produit plus cher pour éviter la médiocrité des moulinettes.

Je ne peux pas citer les marques qui offrent un matériel lamentable, cela me vaudrait des ennuis juridiques, mais à vous de regarder les bateaux qui vous entourent. Beaucoup de moulinettes sont bloquées par un bout dans les pales, elles sont tellement inefficaces et bruyantes qu’il n’est pas possible de les laisser tourner a équipage à bord. Quand le vent forcit, la vitesse s’emballe et les vibrations détruisent rapidement les roulements de pacotille.
Quand le vent souffle fort, regardez sur les bateaux les bi ou tripales à rotation lente et invitez le propriétaire à prendre l’apéritif pour qu’il vous parle de son matériel.

Les raisons de la décision d'achat

Sur nos bateaux les matériels de type "moulinettes " sont inacceptables, et il est regrettable qu'ils encombrent les catalogues des shipchandlers.
L'incompétence des vendeurs et des clients fait qu'ils constituent l'offre la plus importante.
Curieusement le rapport qualité/prix intervient peu dans la décision d'achat du consommateur lambda, pour les produits techniques.
Si deux produits sont en compétition, un produit "A " médiocre, mais deux fois moins cher qu'un produit "B " de qualité dix fois meilleure, c'est le produit "A " qui sera vendu majoritairement. Un fabricant a donc intérêt à vendre un produit très médiocre, en investissant beaucoup plus dans la publicité que dans la recherche et la production, il gagnera beaucoup plus d'argent. De toutes manières, lorsque vous achèterez un objet, vous paierez de plus en plus la publicité et de moins en moins le produit.

Attention aux mauvaises copies, il y a sur le marché des cochonneries qui imitent de loin les bonnes machines, un peu moins chères, mais se sont des pièges à gogos. Regardez avec soin ce que vous achetez, c'est le type de petits matériels le plus difficile à sélectionner pour un plaisancier moyen.

Un (bon !!!!) aérogénérateur, surtout dans les Caraïbes à l'Alizé toujours soutenu, est un investissement durable et utile.

/* Fin de l'aparté philosophico économique */

 

Tension de service

Lors du choix d’un aérogénérateur, l’idée simpliste est de prendre un modèle à la tension de son parc à batteries. C’est une erreur, en particulier pour du 12 volts, car le courant sera très fort et imposera de grosses sections de cuivre pour limiter les pertes.
Il est préférable de partir de la tension le plus élevée possible pour qu’à puissance donnée, P=V*I, le courant soit le plus faible possible.
Les pertes par effet joule sont le produit du carré du courant par la résistance ohmique !
(Voir le chapitre sur le calcul des sections de cuivre)
Les installations de qualité ont des aérogénérateurs qui sortent une centaine de volts ou plus.
Il est très facile ensuite, au plus près des batteries, de convertit par une pompe de charge, la tension trop élevée en basse tension de service, et ce, avec un très bon rendement.

 

Précautions de montage

Il faut soigner le montage d'un aérogénérateur pour diminuer les vibrations transmises à la coque. Un montage sans précautions sur mât métallique rigide, fixé sur le pont ou sur l'arceau et une absurdité et fera vibrer le bateau. Il faut utiliser des liaisons souples et absorbantes, en privilégiant les tubes emboîtés sur manchon caoutchouc callé et les plaques de néoprène dur, fixées par collage sans transmission des vibrations par les boulons.

Il est possible de haubaner, mais seulement la base du pylône hors du champ de l'hélice, ne jamais utiliser de haubans inox, mais du kevlar ou du textile. Un morceau de mât de planche à voile absorbe mieux les vibrations qu'un tube en alliage léger ou en inox.

Un montage sur portique à l'arrière est délicat, il sera très difficile d'absorber les vibrations de l'arceau, l'antenne radar en particulier souffrira beaucoup. Dans ce cas les tubes inox doivent être surdimensionnés, mais l'esthétique en souffrira l'ensemble sera très lourd. Sur un 38 pieds, un diamètre de tube inox de 50 mm est minimum, et plus du double si le portique sert aussi de bossoir. Écartez les pieds au maximum longitudinalement. Prévoir de nombreux barreaux raidisseurs et montez l'ensemble sur plaques élastomères au niveau du serrage sur le pont avec entretoises caoutchouc.

Voici un exemple sur deux bateaux voisins. Deux plaques inox sont séparées par des silentblocs type industriels. Ceux de pieds de mâts de planche à voile sont trop durs. Les renforts entre le tube et la plaque sont efficaces. Ce petit dispositif minimum est assez efficace et casse une bonne partie des vibrations infernales.  Montage silentblocs

Il faudra évidement essayer de monter l'aérogénérateur en un endroit où ses remarquables propriétés de hachoir à viande ne se manifesteront pas trop. Prévoir du fil pour les sutures et la petite panoplie de chirurgien si l'équipage n'est pas casqué au voisinage de l'objet.

Une autre précaution à ne pas oublier est de soigner la régulation. Le problème n'est plus celui des panneaux solaires qui produisent peu, quelques heures par jour, un aérogénérateur produira beaucoup trop d'énergie pendant l'hivernage en particulier. Si l'équipage n'est pas à bord pour consommer de l'énergie, il faudra réguler avec un système très fiable pour ne pas détruire les batteries au premier coup de vent. En croisière, le problème ne se pose pas, il n'y aura jamais trop d'énergie. Je traiterai ce cas dans la page batteries et alternateurs.

 

Technologie

Le vent produit l'énergie de rotation transmise à l'arbre. Cet arbre comporte un alternateur, ce matériel sera décrit dans une autre page. C'est toujours un aimant tournant, permanent pour les machines bas de gamme, électro-aimant pour les machines évoluées.
L'avantage de l'aimant fixe (comme sur les vélos) est la simplicité, pas de contact tournant, mais pas de régulation par l'excitation possible et rendement plus faible.

L'électro-aimant c'est le contraire, comme l'aurait dit Monsieur de la Palisse.

La boîte d'engrenage des meilleures machines à un facteur multiplicateur très important, car l'hélice de l'aérogénérateur ne tourne qu'à quelques dizaines de tours/minute alors que l'alternateur tourne à plusieurs milliers pour un rendement optimal.
La puissance transmise étant importante, il est facile de comprendre que la qualité des roulements à rouleaux, les profils des pignons, la qualité de la lubrification, sont des éléments déterminants de la qualité de l'ensemble, pour la fiabilité, le rendement les vibrations et le bruit parasite.
Il est plus facile de réduire la vitesse (par vis sans fin) que de l'augmenter, le transfert de puissance n'est pas une fonction réversible.

Un bon aérogénérateur offre la possibilité de vidanger la boîte à pignons lors de la maintenance annuelle. Lors de cette maintenance, les bagues et frotteurs de rotation verticale seront nettoyés des dépôts de sel, les bagues et charbons de l'alternateur vérifiés, les paliers et embouts électriques graissés...
Si le constructeur vous promet que le graissage des pignons est à vie, méfiez-vous, cela ne peut pas être sérieux.

Attention, dans ces matériels, le pire côtoie le meilleur… Je ne veux pas dénoncer, mais il y a vraiment des matériels lamentables dans les catalogues, choisissez bien, mais ne me m'écrivez pas pour me demander si le modèle " Ventalaize super extra balaize, garanti compatible an 2000 " est un bon choix...

 

Les courbes

Vous serez surpris de ne pas trouver de courbes de rendement sur cette page. C'est voulu, vous en trouverez dans les liens, mais elle sont à considérer avec prudence.
Regardez les courbes d'énergie fournies sur la fiche en fonction de la vitesse du vent, elles sont plus réalistes que les courbes des panneaux solaires, mais en vérifiant les valeurs à bord vous n'obtiendrez pas ces chiffres optimistes. Pensez que la vitesse lue sur l'anémomètre en tête de mât est très supérieure à celle au niveau de l'arceau arrière et que le gréement freine. Comparez les vitesses avec un anémomètre à main au niveau de l'axe pour tracer votre courbe, et pensez que le courant est souvent indiqué pour une tension de sortie de 12 volts au bornier de la machine. Si les batteries sont déjà chargées à 14 volts, avec en plus 2 volts de perte dans les câbles, ce qui est très courant à 20 ampères, la tension de sortie sera de l6 volts. Vous mesurerez donc au maximum les 12/16 soit 75% de la fiche constructeur, c'est normal, mais ce sera souvent beaucoup moins car il y a toujours une inflation publicitaire… Plus la machine est médiocre, plus les chiffres sont gonflés.
Les courbes des fabricants sont trop optimisées et ne reflètent pas une réalité, ce ne sont jamais des rapports de tunnels de soufflerie, mais des mesures non vérifiées. La réalité et inférieure sur plusieurs points, vous ne reproduirez jamais ces valeurs.
Les vitesses de début de charge sont plus basses que dans la réalité, je ne peux pas afficher des courbes annonçant un début de charge à 4 nœuds, c'est idiot, les meilleures machines démarrent à une dizaine de nœuds.
La puissance croit ensuite régulièrement jusqu'à 20 ou 30 nœuds, pour atteindre un maximum, ensuite vous trouverez souvent un palier constant sur la courbe.
Ce n'est pas réaliste, passé ce pic, les rendements baissent à cause des phénomènes d'écoulements turbulents, pour quelques nœuds de plus, l'énergie tombe de moitié. Comme ce n'est pas très flatteur, la courbe est truquée.
Les moulins à vent saturent vite, seuls les aérogénérateurs de haut de gamme à pales avec pas contrôlé démarrent à faible vitesse et ne s'écroulent pas à vent fort.

Avant l'achat, lisez bien avec beaucoup de perspicacité et de suspicion la fiche très optimiste jointe et le matériel avant de l'acheter.

 

Diminution des nuisances

L'aérogénérateur peut produire beaucoup d'énergie mais il génère des pollutions vibratoires et sonores très pénalisantes pour les modèles bas de gamme. Un montage d'amortisseurs soignés, par plaques et silentblocs, améliore toujours la situation.
Quand cela est possible, il faut remplacer les paliers ou roulements usés et médiocres par des roulements à rouleaux inox étanches et de qualité. Il est possible de faire encore beaucoup mieux en ralentissant encore les pales. Plus la rotation est rapide plus les vibrations sont intenses.
Les bas de gamme à grand nombre de pales, ou moulinettes déjà citées, sont sans espoir, ils comportent un aimant permanent, il n'y a rien à faire, sauf de ne pas les acheter.
Les tri ou bipales sont beaucoup moins polluants mais plus dangereux, car ce sont des lames de sabre dont le contact est à éviter, mais cela est simple en élevant suffisement le mât porteur. Ces matériels comportent un alternateur accéléré par boîte à pignons.
Il faut remplacer l'électronique trop rustique de régulation des premiers prix par un système intelligent qui augmente l'excitation quand le vent forcit, donc le couple moteur, empêchant les pales d'accélérer. Le dispositif est alors très peu bruyant, comme sur les grands systèmes de plusieurs dizaines de mètres de diamètre, optimisés à moins d'un tour par seconde. La limitation est qu'il y a beaucoup plus d'énergie produite donc plus d'échauffement. Il faut impérativement contrôler la température et diminuer la charge quand la limite est atteinte, mais les pales accélèrent alors à nouveau, le rendement tombe et les vibrations infra soniques reprennent. Un soin particulier sera porté au refroidissement pour gagner en puissance, c'est pour cela que les carénages des meilleurs ne sont jamais peints mais en aluminium anodise à ailettes.
Quand les batteries sont à pleine charge (cas fréquent ou mouillage sans équipage), l'énergie en excès est évacuée sur résistances et radiateur dans la cale moteur. Les ampoules sont à éviter à cause de la durée de vie trop faible. Attention à ne pas mettre le feu au bateau car la puissance dissipée est de plusieurs centaines de watts par vent fort, il faut bien ventiler naturellement, éloigner le radiateur des réservoirs de fuel et des parois, surtout si elles sont couvertes de mousse insonorisante, et prévoir des sécurités thermiques.

 

Le rotor de Savonius "Eodyn "

Beaucoup se souviennent d’un ancien produit, un petit rotor de Savonius qui couinait sur beaucoup de barres de flèches dans les allées 80. Ce petit moulinet vibrait un peu et sifflait dans les rafales, mais avait l’avantage de maintenir les batteries chargées à l’hivernage. Le peu d’énergie produit suffisait à compenser les pertes d’autodécharge en hiver. Il déchirait un peu les génois lors des virements de bord ratés et les grand voiles au plein vent arrière, mais enfin…
Ce matériel n’est plus proposé à la vente, les tripales à axe horizontal étant bien plus efficaces, mais impossible à monter dans les barres de flèches.
C’était à ma connaissance la seule réalisation commerciale sur ce principe.

 

Les pannes classiques des systèmes tournants.

Nous ne parlerons pas des classiques roulements grippés ou qui prennent du jeu dans les logements, le diagnostic est évident. 
Si le circuit électrique est coupé quelque part, le rotor s’emballe sans courant de charge. Il faut rechercher les causes les plus probables :

 Dans tous les matériels, fil coupé à une soudure ou un serrage, à cause des oxydations et des vibrations.

 Sur les systèmes à balais en charbon, usure et coincement. Tout cela se voit lors du démontage.

 Sur les rotors magnétiques sans balais, claquage des diodes du pont de redressement. Un contrôleur universel facilite ce diagnostic.

 

Réalisation amateur

La réalisation amateur d’un bon aéro ou hydro générateur n’est pas aussi simple qu'il semblerait.
Il faut réaliser ou récupérer un moteur performant (pales aériennes ou immergées) pour commencer le projet.
Un alternateur quelconque pourrait être adapté, mais son rendement dépendra étroitement des caractéristiques en fonction du couple et de la vitesse disponible sur son arbre.
Il est essentiel qu’il soit entraîné à sa vitesse nominale, l’excitation réglant le couple réactif sur l’arbre, donc le courant utile fourni. Hors de cette vitesse, le rendement sera médiocre ou nul.

Il faut étudier très soigneusement deux points pour mettre le rotor à la bonne vitesse :
Aérodynamique classique pour calculer les pales aériennes ou de l’hydrodynamique pour l’hélice traînée, pour les différents paramètres de vitesse du fluide moteur (environ 6 courbes du minima à la mise en sécurité).
Mécanique de la boite à pignons accélératrice.

L’étude se déroule ainsi :
Le moteur (hélice) est testé en premier sur frein de Prony et dynamomètre de couple (création des courbes de charge mécanique) soit au tunnel utilisé pour tester les profils d'ailes, soit monté sur une voiture comme évoqué pour l'étalonnage des anémomètres.
Ensuite le multiplicateur est calculé et testé pour obtenir les courbes des facteurs de perte, les échauffements, les régimes vibratoires critiques...
Ensuite l’alternateur est choisi après exploitation des courbes et des données constructeur.

 

Les liens vent

Oh grand Gourou, quel modèle dois j'acheter ? La réponse est ici 

Autant l’éolien peut constituer malgré ses nuisances une énergie de complément à bord, autant sur le plan industriel c’est une imbécilité et une imposture prônée par les intégristes écologistes politiques.
La grande arnaque de l'éolien français : ventdecolere.org
Petits modèles : wanadoo.fr/energies-nouvelles-entreprises
Terrestre belge : compagnons-eole
Liste marine intéressante : dcss.org/ayrs/24
Photos de rotor de Savonius : lien mort
Pico turbine, joli projet scolaire : picoturbine.com/rotorsim
Variante de Savonius : lien mort
Rotors verticaux : lien mort
Liens : web.jet.es/plopezp/viento/mol_mode
Détails de structure : eole.org/SitIngF . . . Petites éoliennes, site à explorer : eole.org/EolMoyF
Troubled times : zetatalk.com/energy/tengy027
Energy development : unlimited-power.co.uk
Guide d'achat de petites éoliennes : uqar.uquebec.ca/chaumel/guideeolien
ElectroVent, Canada : electrovent.com
Nouveau concept à voir : gual-industrie
Gros matériels : aquitaine-aerogenerateurs

Les alternateurs

Publié dans Dossiers mercredi, 12 novembre 2014 00:00 0

Document original publié par C. Couderc sur www.voilelec.com

Généralités sur les alternateurs

Définition : L'alternateur est une machine tournante, conçue pour transformer une énergie mécanique (arbre en rotation) en énergie électrique alternative. Il a été inventé par le Belge Zenobe en 1878.
Le principe élémentaire : Un alternateur est un aimant tournant, le rotor, passant devant un bobinage fixe, le stator. L'alternance des changements de polarités magnétiques induit un courant alternatif par induction électromagnétique.
L'exemple le plus simple possible est la "dynamo " (terme impropre) de vélo. Un vieil article d'Elektor, traitant de la réalisation d'un régulateur rustique est à lire pour approfondir le principe de base de l'alternateur.

Quelques notions simples sur les alternateurs.

Les alternateurs utilisés sur le bateau sont évidement des modèles automobiles, la marinisation consistant simplement à les peindre sommairement. La part des alternateurs marines est infime dans la production des équipementiers automobiles, il n'y a pas de gamme dédiée.

Quelle est la différence entre un alternateur de vélo et d'automobile ?

Le second est plus gros et fournit plus de puissance. Pour cela l'aimant permanent bipolaire est remplacé par des bobines croisées, produisant ainsi plusieurs cycles par tour. Autre avantage, ces bobines sont alimentées par un petit courant de polarisation (très inférieur à celui produit) qui permet de réguler facilement la puissance. L'alimentation du rotor se fait par deux bagues cuivre et balais frotteurs carbone. Il y a trois paires de bobines sur le stator, la sortie est en triphasé avant redressement.

Quels éléments vérifier et remplacer ?

Les balais, collecteurs et les paliers de roulement sont les éléments qui s'usent sur les alternateurs qui sans cela seraient éternels (hors corrosion). La maintenance consiste à vérifier ces points ainsi que l'usure et la tension de la courroie. Les paliers avec feutre demandent une goutte d'huile périodiquement. Le démontage est en principe assez facile. Il faut avoir en rechange balais et courroies pour le grand voyage et si possible un complet (casse automobile).

Un alternateur est-il réversible ?

Oui et non… Par construction oui, mais le ventilateur impose un sens de rotation. Accessoirement l'usure et le jeu des charbons privilégient un sens, mais pour de courtes durées l'alternateur (monté sur l'arbre) peut tourner à l'envers.

Peut-on tirer plus de puissance d'un alternateur que celle indiqué par le constructeur ?

Absolument pas, le constructeur donne une vitesse limite au-delà de laquelle le rotor explosera et un courant maximum au-delà duquel il brûlera. Respecter avec prudence ces limitations.
Les régulateurs modernes comportent une régulation électronique et un redressement limitant tension et courant. Nous verrons toutefois que cette tension peut être manipulée pour compenser les pertes des répartiteurs à diodes.

Peut-on transformer un alternateur en moteur ?

Oui, mais pas simplement. Il faut éliminer le redressement et la régulation interne. Les trois bobines sont à alimenter par générateur triphasé de puissance piloté par un capteur de position sur le rotor. Cette adaptation est utilisée sur certains hydrogénérateurs hors-bord (voir chapitre). Les anciens dispositifs combinant générateur et démarreur (Dynastart) sont abandonnés depuis quelques dizaines d'années, mais ressortiront sous forme beaucoup plus moderne (Dynalto) prochainement.
Les dispositifs réversibles ont un grand avenir avec l'arrivée de l'automobile électrique

L'alternateur moteur

L'alternateur moteur est installé d'origine par le constructeur du moteur. Il a généralement une grande durée de vie car il ne travaille pas aux limites. Le rapport de démultiplication des poulies fait tourner l'alternateur à son régime maximal au régime maximal du moteur. En utilisation normale, le moteur n'atteint jamais ces limites, le régime de croisière ne dépassant pas les 2/3 du maximum, ce qui correspond au meilleur point de la courbe du rendement. L'inconvénient est que l'alternateur est alors en sous régime, son rendement est moyen. Au ralenti la charge est très faible. Il n'y a pas de solution simple conservant le régulateur intégré pour améliorer ce montage. Dans la majorité des cas, le montage d'origine sera conservé.

L'alternateur secondaire

Pour éliminer le problème précédent, un deuxième alternateur est rajouté sur un gros bateau. Ce sera souvent un modèle beaucoup plus puissant que celui d'origine. Il est très intéressant de le faire tourner à sa vitesse nominale quand le moteur tourne au ralenti, environ le tiers du régime de croisière. Cela permet ce charger très efficacement avec un bruit supportable. Cela pose évidemment un très gros problème, il est interdit d'accélérer sous peine d'explosion de l'alternateur. Il faut donc barder ce dispositif de sécurités de sur régime.

Les bons bricoleurs adaptent le système très intelligent des Mobylettes, basé sur un plateau à écartement variable. Suivant le régime, régulé par masselottes à action centrifuge, les plateaux s'écartent en diminuant le rayon de la poulie motrice. L'alternateur, monté sur bras oscillant, ramené par un puissant ressort, tournera ainsi toujours à sa vitesse optimale, du ralenti au régime maximum du moteur. Ce montage est absolument parfait mais demande une adaptation mécanique bien pensée.

Cet alternateur pouvant fournir de grosses puissances, de l'ordre du kilowatt (12 V* 100 ampères= 1.2 kW), il faudra particulièrement soigner la régulation et le contrôle thermique.

Certains bateaux de voyage utilisent une solution rustique. La poulie motrice est fixe, mais avec courroie débrayable par levier et excentrique, avec parfois deux poulies pour régime de ralenti et de croisière. Le skipper a la responsabilité de l'embrayage, c'est très simple et fiable mais ne tolère pas l'erreur humaine.

L'alternateur d'arbre d'hélice

Très curieusement, on considère que l'hélice débrayée tournante équivaut à une surface freinante égale à l'aire balayée, alors qu'une hélice fixe ne présente que la surface des pales, soit une force de freinage très inférieure.

Sous voiles, deux choix sont possibles avec une hélice fixe.

 

Soit bloquer le réducteur

La marche arrière est embrayée. Il n'y a plus de bruit ni usure, mais évidemment aucune énergie récupérable.

 

Soit laisser l'hélice débrayée

Elle tourne en permanence. Le bruit, les vibrations et les usures sont importants. Certains réducteurs ne sont bien lubrifiés que si entraînés par le moteur.

Si l'hélice est laissée libre, une énergie très importante peut être récupérée en ajoutant un alternateur attelé sur l'arbre. Cette solution est utile pour le voyage. Il faut toutefois soigner le montage. En aucun cas ne monter de poulie sur l'arbre d'hélice. La traction de la courroie cintrerait l'arbre et détruirait rapidement le palier d'étanchéité.
Il est impératif de monter le plateau sur l'inverseur, avant les silentblocs, au plus près du gros palier de sortie. Il n'y aura alors aucune contrainte sur l'arbre. Comme pour le cas précédent, le rapport des poulies sera choisi pour éviter le sur régime. Plateau de Mobylette et débrayage sont utiles, en marche moteur la vitesse de rotation de l'arbre sera beaucoup plus élevée que sous voiles. L'optimisation de la régulation ralentira beaucoup l'hélice pour tirer l'énergie maximum, le facteur de multiplication sera très élevé, l'arbre tournera à une centaine de tours par minute sous voiles et l'alternateur à quelques milliers !

Le problème est évidement résolu en utilisant une hélice repliable, qui évite des problèmes de traînée.

Récupération d'énergie par système Solomon

Je développerai ce chapitre prochainement, une étude est en cours. 
C'est un sujet complexe,à suivre dans de futures pages "propulsion électrique"...

L'alternateur à hélice traînée

Les hélices traînées constituent deux familles d'hydrogénérateurs très différentes, le montage style moteur hors-bord relevable et les hélices traînées par orin.

Le montage hors-bord.

Mise en place simple sur tableau droit par chaise coulissante. Les meilleurs sont réversibles, ils possèdent une électronique supplémentaire et peuvent permettre à un bateau léger sans moteur de parcourir les quelques centaines de mètres au ralenti pour rentrer au port sur une batterie de voiture. Ils se mettent en place et s'escamotent sans problème en route. La forme du tableau doit permettre de monter une chaise coulissante. 
Leur inconvénient est de transmettre des vibrations à la coque.

La ligne traînée.

L'autre montage utilise un poisson, lourde hélice traînée par orin de quelques dizaines de mètres pour sortir de la perturbation du sillage. C'est la solution classique et ancienne du grand voyage. L'alternateur est son boîtier de multiplication à pignons est solidement fixé par deux bouts nylon sur le balcon. Cette disposition élimine les vibrations. Cette solution présente toutefois divers inconvénients :
La longue ligne traînée interdit toute utilisation en côtière à proximité d'autres bateaux.
La mise à l'eau et remontée du poisson sont difficiles et ne peuvent se faire qu'en arrêtant totalement le bateau.
L'hélice traînée est une proie pour les grands prédateurs qui l'avalent. C'est une pièce très onéreuse et ce dernier inconvénient doit donner à réfléchir, beaucoup de grands voyageurs ont eu l'ensemble arraché et perdu.
Des bateaux de voyage montent un alternateur fixe dans le coqueron arrière, avec poulies et courroie pour multiplier la vitesse, et un anneau tournant sur le tableau.

Les adaptations d'une poulie sur arbre (sans hélice repliable !) sont délicates car il faut compenser la tension de la courroie sur l'arbre et les paliers et ne pas risquer de sur régime en marchant au moteur.
Amel est le seul constructeur à monter en standard un alternateur sur son système unique et original d'hélice à l'arrière de la quille. Le système est très éprouvé et efficace, il fournit 5 A en vitesse de croisière sous voiles.

Ces matériels sont beaucoup moins répandus que les aérogénérateurs d'un emploi plus simple. Je ne donnerai pas de marques ni d'avis détaillés sur ces produits, toutes les revues ayant fait des comparatifs. Il y a une grande dispersion des prix et de qualité.

L'alternateur " moteur hors-bord"

Le montage d'alternateur entraîné par une embase genre moteur hors-bord s'avère bien plus pratique que l'hélice sur arbre trainé, bien que les vibrations soit importantes.
Les solutions commerciales (Sea Watt) sont optimisées.
Il ne fait pas espérer réussir un bricolage approximatif en couplant un alternateur avec boite accélératrice dans l'axe de l'hélice, les problèmes de fiabilité liés à l'étanchéité au niveau du joint à lèvres auront tôt fait de noyer l'alternateur.
Il ne reste donc que la solution du renvoi d'angle perpendiculaire pour placer l'alternateur et sa boîte multiplicatrice en zone sèche. Ce renvoi contient deux pignons perpendiculaires dans l'huile, qu'il sera difficile de rendre étanche.
L'hélice est très spécifique, sa modélisation n'est pas à la portée de l'amateur, aucune hélice hors-bord de propulsion ne peut convenir. La solution réaliste est d'acheter l'hélice commerciale spécifique d'un prix très élevé.
La partie sèche du multiplicateur et de l'alternateur ne posera pas de problème pour peu que l'on connaisse les caractéristiques de l'hélice. Pour chaque vitesse d'écoulement les courbes donnent le couple pour la vitesse d'arbre et permettent les calculs de boite et d'alternateur qui doit tourner à sa vitesse nominale de l'ordre de 3500 tours minute en charge.
 
Ne sous estimez pas les difficultés de cette réalisation réservée aux seuls bricoleurs très avertis.

Le but de ces pages est de donner un regard original des problèmes spécifiques à la voile et en aucun cas de reprendre ce qui a déjà été écrit sur d'autres supports.

 

Aérogénérateur

Les aérogénérateurs sont aussi des alternateurs. Ils sont entraînés par pales aériennes et boîte à pignon accélératrice tout comme les précédents. Une page spéciale est dédiée à ce matériel.

 

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Borne excitation sur alternateur

Alternateur sans borne de référence

La sortie de puissance de l'alternateur B +, attaque au travers de l'ampèremètre moteur le répartiteur est constitué par 2 ou 3 diodes en étoile reliées par les anodes.
L'effet pervers d'une diode en série dans la charge batterie est de faire chuter la tension de charge de presque 1 volt.
Il est donc impératif de câbler directement au travers d'un petit fusible, le positif de la batterie la plus sollicitée (servitude) à la borne référence de l'alternateur, en principe marquée D+.
Les alternateurs bas de gammes n'ont pas cette entrée, la référence est prise sur le boulon puissance. En électricité automobile c'est normal, il ne peut y avoir qu'une seule batterie, cette référence est alors inutile.
Si votre alternateur n'a pas cette référence, il faut la créer par un boulon supplémentaire.
Après dépose de l'alternateur, vous en profiterez pour changer paliers et charbons s'ils sont usés, démontez le capot des borniers.

La borne W est une sortie non redressée, fournissant l'information vitesse au compte-tours.

Il y a 6 grosses diodes de puissance montées directement sur plaque radiateur.
Les 3 négatives, à anode commune, sont à la masse du corps métallique, le négatif étant transmis par les boulons de fixation au moteur.
Les 3 positives, à cathode commune, sont sur un bloc radiateur isolé, relié par un gros câble à sortie de puissance positive.
En interne, sur cette même borne, un fil part pour l'excitation qui sera régulée par un bloc électronique, un autre pour la référence. Il y aura deux fils d'entrée du bloc à identifier, le plus gros sert au courant d'excitation (quelques ampères), il ne faut pas y toucher.
Le petit est la régulation (quelques milliampères), il faut le séparer, il servira à créer la borne de référence.

Manipulation pratique

Créez la nouvelle borne et remontez tout, en installant provisoirement un petit strap entre la référence et la puissance. Tout doit remarcher comme avant avec le répartiteur à diodes.
Maintenant il faut tester la borne, il serait préférable de faire le test suivant avec la batterie servitude un peu déchargée.
Enlevez le strap et reliez la borne servitude à une alimentation de laboratoire réglable entre 10 et 16 volts, 2 ampères.
Moteur arrêté, alimentez la borne en débutant à 16 volts, vérifiez que le courant est très inférieur à un ampère !
Attention ne faites jamais le montage avec des fils volants et pinces crocodiles qui lâcheront inévitablement avec les vibrations.

Démarrez le moteur, puis réglez au régime de croisière une fois chaud, le courant de charge sera nul, la référence voyant une batterie surchargée.
Descendez doucement la tension sur l'alimentation en notant le courant de charge en fonction de la tension. Il augmentera constamment, si une batterie est vide, vous atteindrez le maximum de l'alternateur (par exemple 80 ampères) vers 11 volts, n'insistez pas, l'alternateur n'est pas prévu pour tenir longtemps à cette puissance.
Arrêter le moteur puis l'alimentation. Vous pouvez maintenant câbler définitivement.

Coupure de l'excitation !

Il faut tester sur votre alternateur qu'il n'y a pas de fuite sur l'excitation. C'est très simple, moteur arrêté ouvrez le circuit positif batterie vers borne d'excitation et intercaler un milliampèremètre ou une ampoule 12 V de très faible puissance.
Seulement si le courant de fuite à vide est significatif (plus de 10 mA), il faut impérativement isoler la ligne hors charge quand le moteur est coupé. Cela se fait avec un simple relais automobile, bobine alimentée sur le contact moteur. Cette manipulation est dangereuse en cas de panne, il ne faut pas jamais laisser l'excitation en l'air en rotation.

Danger !

Il y a toutefois un danger. Les mauvais alternateurs n'ont pas de sécurité, c'est à dire une résistance entre la sortie puissance et la borne régulation. Le risque est alors de couper accidentellement le robinet à batterie servitude pendant que le moteur tourne. La référence en l'air voit une tension nulle à zéro, l'alternateur passera en puissance maximale, il faudra s'en apercevoir rapidement.
Testez prudemment à quai, moteur puissance moyenne, un oeil sur l'ampèremètre, charge à une dizaine d'ampères, coupez la batterie. Si l'ampèremètre part à fond, mauvais signe, coupez et méfiez-vous, vous n'aurez pas droit à l'erreur.
Si le courant reste limité, vous avez un bon alternateur, vous ne risquez rien, sinon prudence...

 

Il existe des systèmes commerciaux plus élaborés, comportant une électronique fournissant la référence au régulateur. Voir les liens "battery combiner "

 

Câblage du deuxième alternateur

Lorsque l'on rajoute un alternateur supplémentaire sur un moteur, il n'est évidement pas possible de câbler l'excitation sur celui existant, cela empêcherait la régulation. Ce deuxième alternateur doit passer par un régulateur séparé intelligent. 
Reste le problème du contact d'excitation. Il ne faut surtout pas mettre un deuxième contact par clef ou interrupteur, les erreurs et oublis seraient trop fréquents. La seule bonne solution est de monter un relais temporisé qui n'enclenche l'alternateur que lorsque le moteur est lancé, c'est-à-dire quelques dizaines de secondes, contact mis et démarreur coupé. Cela laisse le temps au moteur de se lancer avec un couple freinage minimum, en effet l'alternateur au démarrage présence une résistance mécanique considérable. 
Il ne faut enclencher les alternateurs qu'une fois le moteur lancé, c'est trop aléatoire en le faisant à la main, il faut automatiser l'enclenchement. 
Tant que vous y êtes, temporisez aussi l'alternateur d'origine, cela pourra vous sauver le démarrage batterie à plat s'il y a eu un retour d'eau par les échappements. Dans ce cas, il faut décaler les deux enclenchements d'excitation, avec un retard d'une minute sur celui d'origine et d'une vingtaine de secondes supplémentaires sur le deuxième. Vous sentirez le ralentissement moteur aux enclenchements car la puissance absorbée par un alternateur est de l'ordre des 10 % de la puissance moteur.

Ne bricolez pas avec le relais temporisé, il faut du rustique et très fiable, une électronique improvisée est exclue. Cela se trouve sur les catalogues US, mais avec seulement un fil de commande à prendre sur le contact, sans prise en compte du démarreur. C'est ennuyeux si le moteur ne démarre pas au premier coup, il faut penser à recouper le contact entre les tentatives.

Si vous préférez bricoler une électronique maison, c'est possible, mais il ne faut pas commander des relais. Cette électronique (simples temporisateurs et comparateurs !) commande des leds à disposer sous les interrupteurs des interrupteurs d'excitation indiquant dans quel sens le bouton doit être positionné, avec un buzzer signalant une anomalie. 
Avec l'habitude cela évite toute erreur et cela s'avère une très bonne solution.

 

La diode mystérieuse

Certains grimoires confus parlent d'une diode magique à insérer dans l'arrivée régulation pour compenser la perte du répartiteur. Vous trouvez aussi cette diode dans les répartiteurs médiocres. Il s'agit d'une petite diode montée comme les autres de puissance en anode commune, la cathode étant branchée sur l'entrée régulation.
Ce montage est astucieux car il remonte la tension du régulateur d'un seuil de diode. Il est très simple, économique et présente l'avantage de compenser la perte due à l'élévation de température des diodes de puissance, la diode supplémentaire étant couplée thermiquement. Plus le bloc s'échauffe, plus la chute des diodes augmente, (de 0.6 V à parfois 2 V pour des bas de gamme sous dimensionnées).
Si toutes les batteries en charge sont identiques et au même état de charge initial, cela marche parfaitement bien. Si le parc est déséquilibré, nous retrouvons le problème évoqué, la charge se régule sur la plus chargée (celle moteur), la servitude n'est donc jamais chargée à bloc.
Il faut donc oublier cette diode inutile et reprendre le branchement précédent. Il s'agit d'une petite diode, le courant d'excitation n'étant que de quelques pour-cent du courant maximum de sortie.

 

J'ai des doutes, je veux vérifier !

C'est bien gentil tout ce que me dit ce monsieur, mais mon électricien, qui pourtant n'est pas un imbécile (cela se voit sur le montant de ces honoraires), me dit qu'il ne s'en est jamais occupé de ces conneries et que personne ne s'en est jamais plaint.
Je veux donc vérifier moi-même personnellement ! Voici donc le moyen de le tester si vous n'avez pas d'alimentation de laboratoire comme décrit au chapitre manipulation pratique. Il faut tester avec la batterie servitude à plat et la batterie moteur bien chargée.
Reliez provisoirement la borne régulation à un fil, l'autre extrémité étant branchée par pince sur le positif batterie moteur.
Démarrez, stabilisez le régime, la charge est nulle. Déplacez rapidement la pince sur le positif servitude, l'ampèremètre partira à fond.
Convaincu maintenant ? Faites voir cela à votre électricien, vous lirez une insondable perplexité au fond de ses yeux, mais il continuera à monter comme avant, comme le faisait son grand-père du temps des machines à vapeur …

 

Pour résumer

  • Répartiteur à diode sans compensation, sur l'alternateur borne de régulation branchée sur la sortie. Solution déplorable, les batteries ne seront jamais chargées à bloc.
  • Monter une diode de compensation (couplée thermiquement à celles de puissance) vers la régulation. Solution médiocre, la charge se régule sur la plus chargée (moteur).
  • Tirer la régulation sur la batterie la plus sollicitée. Solution idéale sans aucun risque pour le parc, équilibrage des charges. Le courant baisse au fur et à mesure quand une batterie se charge.

 

Remplacement de batterie PB antimoine par batterie PB calcium (14 V vers 15.4V)

L'alternateur basique d'origine est conçu pour les anciennes batteries automobiles ordinaires (antimoine) à basse tension.

En passant à des technologies de batteries plus modernes, la tension de service monte sensiblement, si l'on ne change rien, la batterie ne sera jamais chargée à sa valeur de service, et sa capacité semblera très faible. Il faut absolument corriger cela.
Si l'installation comporte plusieurs batteries de technologies différentes et un seul alternateur, ce n'est pas simple.
Il faut passer sur des régulateurs plus évolués qui se substituent à celui très basique de l'alternateur de première monte.
Une recherche sur le Net "alternator regulator" vous amènera chez les gros constructeurs américains qui ont les produits adaptés au catalogue, en particulier  "Xantrex".

Pour un petit bateau avec une seule technologie de batteries, des diodes de compensation montées en série comme évoquée au dessus remonteront à coût minimal la tension de régulation. Ce n'est qu'un bricolage, une solution évoluée est préférable, car les nouvelles technologies de régulation sont plus efficaces que les montages basiques.

 

Quelques compléments sur le fonctionnement

Dés qu'un alternateur est dans sa plage de vitesse, bien refroidi, il  pourrait délivrer la puissance maximum annoncée sur sa plaque. Cette plage est normalement calée par le fabricant du moteur, en jouant sur le rapport de poulies, entre le régime nominal et les ¾, soit la vitesse de croisière moyenne.
Il suffit de faire varier la puissance d'excitation pour passer du zéro au maximum.
Le régulateur interne se cale sur la tension de sa borne de référence pour ajuster le courant suivant une courbe de batterie standard, dont la capacité prise comme référence correspond au courant maximum de l'alternateur pour une charge en un peu plus d'une heure.
Il sait détecter un passage au maximum de tension pour réduire le courant, à la seule condition que rien ne consomme pendant la charge, c'est bien là le problème insoluble !

Cas d'utilisation de répartiteurs, soit de sources de charge, soit de batteries.

Évidement si plusieurs batteries sont chargées avec diodes en étoile avec strap entre référence et sortie, la plus chargée bloquera la charge de toute les autres. C'est une très mauvaise solution.

Les dispositifs à plusieurs entrée sources sont de deux types. Soit toutes les bornes sont strappées en interne, c'est la version " trompe couillon ", soit elles contiennent des diodes (cathode commune si sources) de qualité très diverses, pour éviter les retours des dispositifs non protégés.

Les dispositifs basculant la charge en fonction du temps sont totalement inadaptés car incapables de tenir compte de l'état du parc.

 

L'ampèremètre de charge

Il est absolument indispensable pour contrôler le fonctionnement de l'alternateur. Il y a toutefois un problème, les modèles montés sont souvent des bas de gammes automobile à zéro central et shunt incorporé. C'est absurde car le contrôle de charge soit des trouver en sortie puissance, le courant sera toujours dans le même sens, donc la seule partie droite sera exploitable avec un très faible écart angulaire donc très imprécis. Il est bien préférable d'utiliser un shunt et de lire le courant en mesurant la perte après étalonnage. Le câble d'origine qui part vers le répartiteur à diodes convient parfaitement, il suffit de souder deux petits fils sur les cosses que vous ramènerez au tableau. Un millivoltmètre (prix une dizaine d'euros) sera réglé par une résistance série pour afficher directement le courant en ampères.
J'utilise un 2000 points, qui affiche donc de 0 à 1999. Le point est calé sur le premier digit ce qui permet de lire 199.9 A pour 200 mV aux bornes. Un alternateur classique ne montera jamais à 100 A, en régime de croisière la charge tournera à quelques dizaines d'ampères seulement.

Rappel :

Toutes les sources de charge auxiliaires (panneaux solaires, aérogénérateurs, chargeur de quai…, arriveront sur la borne alternateur pour pouvoir comptabiliser toutes les sources simultanées.
Il vaut penser à vérifier chaque source qui ne doit pas présenter un courant de fuite trop important hors service. Ce courant parasite provoquerait une perte d'énergie.
Certains mauvais chargeurs fuient beaucoup hors alimentation, il faudra donc câbler un relais supplémentaire sur l'arrivée secteur pour couper la sortie positive si débranché.
La vérification est simple. Branchez le chargeur sur une batterie sans l'alimenter, avec un milliampèremètre en série.
Si la fuite est acceptable (quelques milliampères), ne modifiez rien.
Si la fuite est importante, un relais alimenté secteur indispensable.

Il est évident que cela existe commercialement, c'est l'irremplaçable ampèremètre heure décrit en page énergie, mais il ne mesure que le courant global sur une batterie. Les maniaques rajoutent des instruments pour tout tester individuellement.

 

Résumé : Montage minimaliste, un alternateur, deux batteries

La solution minimaliste d’un seul alternateur avec répartiteur à diodes basiques pour charger une batterie de démarrage classique et une batterie servitude de technologie très différente est évidement un mauvais compromis, mais c’est le moins cher possible.
Cela fonctionne à peu près et satisfait le plaisancier moyen.
La batterie moteur se décharge peu en navigation car elle n’est sollicitée que rarement par un petit coup de démarreur.
La batterie servitude souffre beaucoup plus sous voiles et demande toujours de la charge s’il n’y a pas de panneaux solaires.
Il y a donc une alternative offrant deux mauvaises solutions.

  • Soit le régulateur est calé en tension basse, la batterie moteur sera normalement chargée, mais l’alternateur ne fournira que très peu d’énergie car le seuil de la batterie servitude étant très supérieur, elle ne pourra jamais être bien chargée
  • Soit le régulateur est calé en tension haute, la batterie servitude sera normalement chargée, l’alternateur fournira un maximum d’énergie, mais la batterie moteur sera en surcharge permanente, chauffera, perdra de l’eau et se dégradera vite.

A vous de choisir…

Pour un puriste, ce n’est pas acceptable, il faudra mettre en place de meilleures solutions, par exemple :

  • En gardant l’unique alternateur d’origine et en remplaçant les médiocres régulateur et pont de diodes par un régulateur évolué à découpage, avec double sortie pour des technologies de batteries différentes. 
  • En montant un deuxième alternateur, le petit pour la batterie moteur, le gros pour la servitude.

Il est souhaitable d’avoir une réflexion globale car le même problème se pose pour les autres énergies, en particulier pour le solaire qui demande un régulateur à découpage par technologies de batteries.

Note complémentaire de la page énergie 

Liens alternateurs

Les liens énergie, batteries, diodes, alternateurs étant très liés, tout est regroupé dans une seule page: Liens énergie

Mesure de niveaux des cuves

Publié dans Trucs et astuce - divers samedi, 01 novembre 2014 00:00 0

Introduction

Après les pages lourdes décrivant des dispositifs délicats et complexes, une petite page facile à écrire et à lire, sur un dispositif simple, amélioré par un peu d'électronique.
Je ne savais pas trop où la mettre, elle aurait pu être aussi bien en "Voile ", car c'est surtout le principe qui est intéressant ou en "Électronique ". J'ai lancé ma pièce de monnaie à trois faces, c'est tombé sur "Voile ".

 

Le dispositif d'origine

J'ai découvert ce système installé par le premier propriétaire, lorsque j'ai acheté le Feeling 326, et j'ai été frappé par l'ingéniosité du dispositif.

C'est très simple, comme le montre ce synoptique, une petite pompe à main, permet de mettre le circuit en pression par quelques aller-retours du piston. Le volume des tuyaux fait office de réservoir tampon. Une vanne multivoies aiguille la pression vers un des tubes capillaires qui plonge dans un des réservoirs, eau ou fuel.

Le tube est un capillaire, en quelques secondes la pression est équilibrée, les micro bulles ne sortent plus du tuyau, la pression à l'entrée du tuyau s'équilibre avec la pression hydrostatique de la colonne de liquide, il suffit alors de lire sur le manomètre la pression qui correspond à la hauteur de la colonne de liquide.

Pour mémoire, 10 mètres de hauteur d'eau exercent une pression de 1 kgf/cm2, donc une hauteur d'eau dans la cuve de 50 cm exercera une pression de 50 gf/cm2. Un manomètre sensible gradué en g/cm2 donnera donc directement la hauteur de liquide en cm.

Pour le fuel plus léger, il faut compenser la densité, mais il n'est même pas utile de faire une règle de trois ! La forme des cuves étant complexe, il est impératif d'étalonner le dispositif une première fois. Il faut partir de la cuve vide, remplir au jerrican, 10 litres par 10 litres et faire chaque fois la mesure. Ces points seront reportés sur une feuille de calcul Excel, lissés pour détecter les erreurs, et le résultat affiché sur un panneau à proximité.

Ce système rustique est précis et très fiable. La vignette clickable montre la réalisation commerciale originale, d'une fabrication parfaite, le "Tank Tender " (voir liens).

   Click !  Le dispositif commercial

 

La mesure électronique

Une jauge électrique très fantaisiste est montée d’origine sur les bateaux et les camping-cars.
Ce matériel est vendu une cinquantaine de dollars.

 

 

L'étalonnage

Les systèmes de mesure par niveau imposent toujours une conversion non linéaire (sauf pour le cas très rare de cuves à section horizontale constante).
Il faudra relever la courbe d’étalonnage et transformer des centimètres en litres, par simple table linéarisée sous Excel, affichée sous forme de tableau ou intégrée à l’électronique.

Hauteur

en mm

Volume

en litres

90

10

120

20

150

30

170

40

190

50

210

60

220

70

240

80

250

90

260

100

270

110

290

120

300

130

Voici en exemple la table d'étalonnage de la cuve à eau du Feeling 326. Elle est de forme tronconique pour épouser la coque, sous la couchette arrière.
La relation volume = f (hauteur) est complexe et ne peut être rendue par une équation simple.

Il faut donc maintenant rentrer cette table dans l'eeprom du microcontrôleur, c'est la phase d'étalonnage. Une patte de port en entrée du PIC sert de sélection lecture/écriture, d'autres pattes de choix des directions des cuves.
En position écriture, après le reset, la mémoire eeprom est vidée. Un poussoir sur une autre patte, incrémente le tableau, l'anti-rebond est effectué par le soft. A la mise sous tension poussoir enfoncé, le cycle d'étalonnage est lancé. Chaque appui est interprété comme 10 litres de plus dans la cuve. Il est validé par un bip sur le buzzer, l'afficheur clignote affichant alternativement en volume (en multiples de 10 litres) et en pression mesurée. Quand la cuve et pleine, un long appui sur le poussoir est interprété comme fin du cycle de remplissage. Le petit calculateur lisse les valeurs et fabrique sa table de conversion (look-up table), puis affiche séquentiellement les paliers de pressions. Pour passer en mode d'affichage normal, il suffit de couper l'alimentation et de rallumer.

L'étalonnage est effectué pour chaque cuve, le bateau à plat, la précision de lecture des volumes est d'environ 5 % cuve pleine, meilleure quand le volume diminue.

C'est exactement la même procédure qui est utilisée pour le <voltmètre à led>, il suffit de remplacer les paliers de "10 litres " par "0.1 volt "…

Divers autres moyens médiocres de mesurer le niveau

 

Tube à niveau visible 
Moyen le plus rustique, un tube transparent collé dans un angle protégé, relié en bas à la sortie de cuve en haut à la mise à l’air.
Le niveau se voit, mais le tube se salit à la lumière, il y a risque de prolifération d’algues et de bactéries.

Tige de jauge 
Comme pour le niveau d’huile du moteur, on ne peut faire plus simple mais c'est peu pratique.

Réglette sur flotteur
Les bateaux Amel utilisent ce système astucieux. Une longue tige graduée est fixée verticalement sur un flotteur. Elle coulisse sur un guide près d’une cloison. C’est très simple, rustique, et parfaitement fiable.

Flotteur et potentiomètre
Ce vieux dispositif était utilisé en auromobile pour mesurer le niveau d’essence, avant l’électronique, sur un simple galvanomètre. Le manque de fiabilité du potentiomètre qui s’oxyde interdit cette solution.

Capsule manométrique 
Un capteur de pression relative est monté au point bas. La référence est reliée à l’air ambiant pour compenser la pression atmosphérique très variable.
L’inconvénient est que le logement de la membrane présente une zone d’eau morte propice au développement bactérien. Ce n’est pas une bonne solution.

Mesure ultrasons
Une pastille à ultrasons est collée sous le réservoir, une petite électronique (sondeur simplifié) mesure le niveau converti en volume.
C’est une application simple et fiable à microcontrôleur mais peu précise.

Mesure résistive

Deux électrodes résistives plongent dans la cuve, la résistance est mesurée en alternatif. Cette méthode est très médiocre car les électrodes s’oxydent.

Mesure capacitive ou selfique

Deux rubans métalliques isolés sont collés à l’extérieur de la cuve plastique. Le niveau intérieur fait varier la capacité. 
Il est également possible d’utiliser la technique inductive, une bobine  longue ou deux bobines couplées remplacent alors les lignes capacitives, pour un résultat voisin, l'inductance et le couplage dépendent du niveau d'eau..
C’est une méthode classique, simple et efficace, demandant une électronique légère.

 

Contamination par la jauge


La mesure du niveau dans un réservoir d’eau potable présente un vrai danger de contamination bactérienne si elle fait appel à un tuyau sans circulation d’eau, à plus forte raison si ce tuyau est transparent et à la lumière.
Dans ce milieu stagnant, impossible à nettoyer, les mousses et bactéries trouvent un environnement idéal pour proliférer et contaminer le réservoir.

Il faut tout faire pour éviter ces bras morts, qui sont des zones à risque, lors de la conception d’une jauge.

 

Méthode parfaite : Mesure de la quantitée consommée

Il existe de petits débitmètres très fiables et économiques qui s’intercalent sur le tuyau en sortie de pompe.
Ils se composent d’un tiroir à piston qui libère un volume précis et génère une impulsion tous les quelques millilitres.
Le principe n’est plus alors de mesurer un niveau mais de totaliser l’eau consommée (intégration).
Un simple compteur suffit, avec un poussoir de remise à zéro à chaque plein. Le résultat est d'une grande précision, indépendant des problèmes d'horizontalité.
Avec un affichage sur écran LCD, un petit microcontrôleur comptera les impulsions et traduira en litres. Il sera alimenté au déclenchement de la pompe et temporisé.


Si l’on se contente d’un compteur électromécanique, l’électronique se réduit à un simple compteur CMOS.
C’est probablement la méthode électronique la meilleure, et il est possible d’analyser les consommations.

Pour choisir la bonne plage de débit, considérez que la pompe à eau douce a un débit inférieur à 5 litres/minute.

flow

 

Utilisation d'un compteur classique

Un classique compteur domestique à tambours et aiguilles fournit une autre méthode. Ces matériels se trouvent facilement sur le Nnet, en version plastique légère.
Utilisés seuls, ils permettent une lecture facile et précise au litre près, avec toutefois quelques inconvénients :
. Pas de reset, il faut donc noter la valeur des derniers litres et faire la soustraction.
. Gros et très difficiles à placer dans un endroit à la fois abrité, discret et lisible, sans grosse modification du circuit de pompe.

Amélioration du dispositif. La petite aiguille tourne et possède souvent un aimant sur son axe. Plusieurs bricolages sont décrits sur le Net pour monter un capteur magnétique ou optique et fournir les impulsions pour un compteur précis.

 

Liens

Tank Tender stearnsonline.com
Compteurs d'impulsions et totalisateurs parfaitement bien adaptés à bas prix : futurlec.com chercher hardware, sensors, flow

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