Statistiques |
Visiteurs: 22472
|
|
|
Ecrit par pascal
|
06-10-2005 |
En vu de ce voyage d'environ un an et dans un souci d'un certain
confort, nous désirions emporter avec nous quelques appareils
électriques et électroniques. Nous avons apporté avec nous un appareil
photo numérique, un caméscope numérique, un walkman, un lecteur
minidisques, des frontales et enfin des diodes pour les soirées au
campement. En contre partie, tout ce matériel nécessite quelques
besoins en énergie. L'idée de créer sa propre source énergie est venue
en janvier 2004 lors de la rencontre faite par Pascal avec Matthieu
Monceaux, en Patagonie. Ce tour-du-mondiste disposait d'un panneau
solaire de 5W et d'une dynamo lui permettant de recharger une petite
batterie au plomb. Cette batterie au plomb permettait à son tour de
recharger et d'alimenter l'appareil photo numérique, un mini ordinateur
portable, un walkman, une tondeuse, la lumière, etc. Malgré le poids de
cette installation (2,5 kg env.), ce principe nous a séduit pour son
aspect écologique et totalement autonome. Ce système, que nous avons
adapté exactement à nos besoins, n'est bien entendu pas commercialisé
et c'est aussi par pur plaisir de créer notre propre prototype de A à
Z.
Dans ce qui suit, nous exposons notre conception et notre réalisation,
mais nous ne prétendons en aucun cas détenir La solution, nous ne
sommes ni l'un ni l'autre électronicien. Notre approche est sans doute
contestable, mais en tout cas, après 10 mois d'utilisation, notre
système a relativement bien fonctionné et nous a donné satisfaction.
I. Principe
La source énergie, le panneau solaire ou la dynamo, recharge une petite
batterie au plomb. Cette batterie au plomb recharge ensuite la batterie
Li-ions du caméscope et les accus (frontales et appareil photo
numérique) de plus elle fournit l'énergie nécessaire au fonctionnement
des diodes, du walkman et du minidisque. La batterie au plomb qui fait
office de batterie tampon, est indispensable. On aurait pu utiliser une
batterie tampon beaucoup plus légère au lithium, au Ni-Cd ou au Ni-Mh,
mais toutes ces batteries nécessitent un cycle de charge bien
spécifique, parfois complexe et incompatible avec une intensité
variable et non contrôlable produite par un panneau solaire ou une
dynamo. Cette batterie tampon au plomb accepte très bien les recharges
à intensité variable, les surcharges et les décharges totales. Cette
batterie est aussi extrêmement fiable, se trouve partout et à bon
marché (batterie type scooters ou alarmes, 12 V, 1200 mA.h, 20 euros
env.). Néanmoins, cette batterie est lourde : 600 g pour une batterie
de ce type.
Voyons les raisons de l'utilisation d'une batterie tampon au plomb en
fonction des différents appareils électriques et électroniques :
- Les accus Ni-Cd pour les frontales et l'appareil
photo numérique ont besoin d'une intensité constante pendant 14-15
heures d'affilées. Recharge en journée.
- La batterie au lithium du caméscope numérique a
besoin d'une tension constante et très précise. Lors de la recharge de
cette batterie, l'intensité de départ, qui est alors maximale, doit
être de 1,5 A env. Cette intensité décroît avec le temps pour atteindre
zéro en fin de charge.
- L'alimentation du walkman et du minidisque doit
fournir une tension constante. Emploi en soirée généralement, sur le
vélo parfois.
- Les diodes électroluminescentes ont besoin d'une
intensité et d'une tension constante. Emploi en soirée
uniquement.
Un peu de théorie a propos des accus au plomb :
Nous partirons avec une batterie de 12 V, la tension maximale de notre
installation étant celle du caméscope, 8.4 V). La tension nominale
d'une batterie traditionnelle dite de 12 V est de 12.6 V. C'est ce
qu'on doit lire sur une batterie venant d'être chargée et ensuite
débranchée pendant une nuit. La tension de recharge doit être comprise
entre 13.8 V et 14.4 V pour un bloc de 12 V à 25°C. La batterie est
rechargée à fond lorsque la tension à ses bornes est de 14.4 V.
L'intensité de charge est de 1/5 de la capacité nominale. Par exemple,
pour une batterie de 12V/5A.h, le courant de charge maximal est de 1 A.
Un gros dilemme se pose a nous : comment recharger cette batterie tampon au plomb,...
II. Dynamo ou panneau solaire ?
Nous avons minutieusement étudié la question, pesé le pour et le contre de ces deux sources de production énergie.
1) La dynamo
Nous avons tout de suite recherché des dynamos 12V à haut rendement
(supérieur a 55%), montées sur roulements a billes, éliminant ainsi les
dynamos de qualité moyenne a faible rendement (10 % env. pour une
dynamo de base). Nous avons trouvé une dynamo répondant à ces critères,
la dynamo Dymotec S12 distribuée par Bush & Muller :
• Avantages
- Faible encombrement (moins de risque de vol)
- Faible poids
• Inconvénients
- Capacité de charge excessive : 2 A dès 10 km/h. Souhait : 0.25-0.3 A maximum
- Il est nécessaire de pédaler régulièrement !
- Impossibilité de recharger la batterie en montée, ou par fort vent de face (trop d'effort dépensé)
- Très onéreux : 245 euros env.
- Faible tension à vide, seulement 12 V. Souhait : 13-14V minimum
2) Le panneau solaire
Il existe trois types de panneaux solaires : le monocristallin, le polycristallin et l'amorphe.
Nous nous sommes orientés vers un panneau amorphe, en voici les raisons :
- Un rendement supérieur en faible luminosité
- Seule la zone ombragée est affectée, contrairement
à la technologie cristalline où le rendement global d'un module amorphe
est donné par la cellule la plus faible
- Mieux adapté aux applications de faible puissance
- Le prix plus faible : 60 euros env. pour un panneau de 5 W
En contre partie, ces panneaux sont pénalisés par un encombrement et un poids plus importants.
Il existe également des panneaux solaires souples et légers, pouvant se
rouler et se ranger facilement, mais le prix est nettement supérieur :
170 euros pour un panneau de 5 W.
• Avantages des panneaux solaires amorphes
- Utilisation à l'arrêt ou en route sur le vélo
- Utilisation même par temps nuageux
- Tension à vide assez importante : de l'ordre de 20-25 V
• Inconvénients des panneaux solaires amorphes
- Encombrement important, 350x350 mm pour un panneau
de 5 W, d'où l'impossibilité de le ranger dans une sacoche
- Poids important, 1.4 kg pour un panneau de 5 W
- Faible rendement par fort ensoleillement, de l'ordre de 5 à 7 %
III. Bilan électrique et détermination de la capacité de la batterie au plomb
Nous avons mesuré à l'ampèremètre la consommation de nos différents appareils. Les résultats figurent dans le tableau ci-après :
|
Appareils
|
Intensité (mA)
|
Heures / jour
|
Bilan A.h
|
1
|
Accus Ni-Cd
|
A déterminer
|
14.5
|
A déterminer
|
2
|
Minidisque
|
150
|
3
|
450
|
3
|
Walkman
|
87
|
3
|
261
|
4
|
Diodes
|
26
|
3
|
78
|
5
|
Batterie Lithium du
caméscope
|
/
|
/
|
730
|
SOMME (2+3+4+5)
|
/
|
/
|
1519
|
En utilisant en même temps les diodes, le walkman, le minidisque et la
recharge complète de la batterie Lithium-Ions du caméscope, notre
batterie au plomb devra avoir une capacité d'au moins 1519 mA.h. Les
temps d'utilisation étant approximatifs (3 heures en soirée) et ayant
calculé un cas assez pessimiste, nous partirons avec une batterie 12 V
de capacité 1200 mA.h. Cette batterie sera sans entretient et sera du
type alarme : 600 g, 20 euros.
Nous pouvons alors déterminer la capacité des accus Ni-Cd pour les
frontales et l'appareil photo numérique, qui devra forcement être
inférieure à la capacité de la batterie au plomb, c'est-à-dire
inférieure à 1200 mA.h. Nous partirons donc avec des accus Ni-Cd de
capacité 700 mA.h. Une journée complète devra être nécessaire à la
seule recharge de ces accus : 14.5 x 700 = 1015 mA.h
IV. Détermination de la puissance du panneau solaire amorphe
Nous nous sommes basés sur la moyenne annuelle de la puissance solaire en France qui est de 3.18 kWh/m2/j
La moyenne des rendements d'un panneau solaire
amorphe est de 6 %, donc la puissance transmise par le panneau solaire
est de : 0.060 x 3.18 = 0.1908 kWh/m2/j
Les constructeurs donnent la puissance du panneau
solaire pour une tension en charge de 17 V, d'où : 0.1908 x 1000 / 17 =
11.2 Ah/m2/j
D'après ce qui précède (voir III.), nos besoins
journaliers sont de 1.2 A.h (recharge complète de la batterie qu
plomb), on peut donc en déduire la taille du panneau : 1.2 / 11.2 =
0.107 m2, soit un panneau de 345 x 345 mm. Ces dimensions correspondent
à un panneau solaire amorphe de 5W (dimensions du panneau : 352 x 338
mm), le constructeur donnant cette puissance maximale pour un
ensoleillement de 1000 W/ m2, à 25°C (le rendement d'un panneau solaire
augmente lorsque la température diminue). Ce panneau solaire amorphe
pèse 1.4 kg et coûte 60 euros environ.
V. Conception du circuit électronique
1) Recharge de la batterie Lithium Ions du caméscope
Avant toutes choses, nous nous sommes sérieusement renseignés sur le
caméscope (Sony DCR HC 30 E, modèle 2004) et la charge de sa batterie.
Nous nous sommes bien assurés que tout le cycle de charge, qui est
relativement complexe, était bien géré PAR le caméscope (arrêt de la
charge quand la batterie Li-Ions est pleine...) et non pas au niveau du
chargeur secteur. Cette charge de 2 heures s'effectue lorsque la
batterie est en place sur le caméscope. En quelque sorte, il ne nous
reste « plus » qu'à imiter et à reproduire le chargeur secteur. Ce n'a
pas été une mince affaire !
Cette fonction a été la plus délicate puisque la charge des batteries
au Lithium-Ions doit être réalisés selon un processus bien spécifique
et très précis. Le Lithium-Ions doit être chargé avec une tension
constante et un courant décroissant. La dite tension constante ne doit
en aucun cas dépasser la tension de fin de charge de plus de 1%. Mais
elle ne doit pas non plus se situer à une valeur inférieure de plus de
1% à ladite tension de fin de charge, sinon l'accu n'engrange qu'une
quantité inférieure à sa capacité nominale. Dans notre cas, la tension
théorique de charge de l'accu 7.2 V est de 8.4 V. En pratique, la
tension de charge devra alors être comprise entre 8.32 V et 8.48 V,
ceci impose peu de possibilité de débattement ! Nous avons donc branché
avec la batterie au plomb, dans l'ordre :
- En parallèle, deux condensateurs électrolytiques polarisés 16 V : 470 μF et 100 ηF.
- En série, un régulateur de 10 V : 7810, la tension d'entrée devra être comprise entre 10+2 V et 30 V.
- En parallèle, deux condensateurs électrolytiques polarisés 16 V : 100 ηF et 470 μF.
- En série, deux diodes qui permettent de rabaisser
la tension entre 8.32 et 8.48 V. En théorie, chacune des diodes
permettent une chute de tension de 0.6 V, mais la réalité en est tout
autre. Nous avons donc essayé et déterminé le nombre adéquat de diodes
afin d'obtenir le résultat voulu.
- En série, la batterie Lithium-Ions complètement déchargée.
Afin de vérifier que la charge se déroulait pour le mieux, nous avons
tracé deux courbes de charge (intensité en fonction du temps). La
première réalisée avec le chargeur secteur vendu avec le caméscope
(courbe rouge), et la seconde tracée avec notre propre chargeur (courbe
bleue). Nous avons vérifié que les courbes de charge étaient les plus
confondues possible. En calculant l'intégrale de la courbe (aire sous
la courbe), on peut facilement vérifier la capacité de la batterie, qui
est d'ailleurs un peu plus élevée que celle annoncée par le
constructeur (730 mA.h au lieu des 700 mA.h annoncés).
Nous avions placé, dans un premier temps, un régulateur de 9 V (tension
d'entrée comprise entre 9+2 V et 30 V) et une diode en série, mais ce
branchement ne fonctionnait pas. Nous avons détecté ce problème en
visualisant les courbes de charge (courbe noire, charge incomplète).
2) Recharge des accus Ni-Cd
Nous avons opté pour des accus Ni-Cd plutôt que des accus Ni-Mh car ces derniers sont beaucoup trop sensibles aux surcharges.
La charge normale doit se faire au courant constant au 1/10ème du
courant nominal de la batterie, sous une tension de charge disponible
d'au moins 1.45 V par élément (minimum pour que ça charge). Ce courant
doit être maintenu entre 14 et 15 heures lorsque, au départ, la
batterie est totalement déchargée. Pour réaliser cette charge, une
alimentation stabilisée limitée en courant fait très bien l'affaire.
Nous avons donc utilisé un régulateur de courant lui-même basé sur un
régulateur de tension variable du type LM317.
Par définition, la valeur de la tension aux bornes de la résistance R
est de 1.25 V. Nous avons des accus de capacité 0.7A.h, l'intensité
constante de charge sera donc de 0.07 A. La valeur de la résistance R
est donc : R = U / I = 1.25 / 0.07 = 18 Ω
3) Alimentation du minidisque et du walkman
- Minidisque : sa tension aux bornes est de 5 V. Nous
avons donc branché en série un régulateur de 5 V (régulateur 7805 :
tension d'entrée comprise entre 5+2 V et 30 V) et le minidisque.
- Walkman : sa tension aux bornes est de 3 V environ.
Nous avons donc branché en série un régulateur de 5 V (le même que
celui du minidisque) et trois diodes.
4) Diodes électroluminescentes
La tension aux bornes d'une diode est de 4 V et l'intensité maximale
est de 0.02 A. Nous avons donc branché en série deux diodes (une
chacun) et une résistance R. La valeur de la résistance R est donc :
(12.6 - 4 x 2) / 0.02 = 230 Ω
5) Schéma d'ensemble récapitulatif
Remarques :
- Les régulateurs consomment entre 5 et 10 mA, d'où l'utilité des interrupteurs.
- Une diode anti-retour est placée entre le panneau
solaire et la batterie au plomb, afin d'éviter la détérioration du
panneau lorsque la batterie est chargée.
- Nous avons un vumètre mécanique qui nous permet de
voir l'état de la batterie. Nous avons adapté la valeur de la
résistance (130 kΩ) afin d'avoir la plus grande déviation d'aiguille
possible.
- Un interrupteur, que l'on bascule sur la position «
1 », permet de voir si le panneau est bien branché à la batterie ou non
(faux contacts éventuels) : système indispensable car très pratique.
- Nous avons monté des radiateurs sur les 3
régulateurs. Les régulateurs pour le caméscope et les accus chauffent
particulièrement.
- Tous les régulateurs sont prévus pour 2 A maximum
(surtout pour le caméscope, dont l'intensité de début de charge est de
1.5 A).
- Le panneau solaire et les différents appareils
(excepté les accus qui se logent dans un coupleur d'accus) sont
branchés au circuit électronique par des connecteurs RCA.
- L'ensemble de ce système pèse 2.6 kg : 1 kg pour le
boîtier électronique et 1.6 kg pour le panneau solaire et sa housse.
- Tout ce dispositif nous a coûté 140 euros environ, dont 60 euros pour le panneau solaire.
VI. Et après 10 mois d'utilisation quotidienne ?
- Caméscope : le régulateur 10 V doit avoir une
tension d'entrée comprise entre 12 V et 30 V. La tension maximale aux
bornes de la batterie au plomb est de 12.6 V. Donc, lorsque la batterie
au plomb se décharge pour recharger la batterie du caméscope, la
tension diminue et en théorie, au moment où cette tension est
inférieure à 12 V, la charge du caméscope s'interromps (en pratique,
cette tension est de 11.6 V). Il est donc impératif de brancher le
panneau solaire afin d'effectuer correctement ces deux heures de
charge. A la fin du voyage, ce régulateur a grillé. Essayer donc de
prendre des composants de très bonne qualité.
- Accus Ni-Cd : la charge s'effectue à courant
constant, I = 0.07 A, pendant 14-15 heures. La batterie au plomb doit
alors fournir 0.07 x 14.5 = 1.015 A.h. Notre batterie au plomb ayant
une capacité de 1.20 A.h, on pouvait penser que la charge
s'effectuerait pour le mieux. Et bien non ! Nous avons essayé de
recharger les accus pendant la nuit, notre batterie au plomb s'est
retrouvée à plat le lendemain matin! Comme pour le caméscope, cette
charge doit être opérée avec le panneau solaire.
- Les diodes : nous avons beaucoup apprécié ces
diodes pour leur très faible consommation. Nous avons placé chacune de
ces diodes à l'intérieur d'un vieux stylo à billes. Nous pouvions
glisser ces stylos dans les cheveux, l'accrocher dans la tente... Des
capuchons protégeaient les diodes quand on ne les utilisait pas.
- Panneau solaire : il est indispensable d'avoir une
housse de protection du panneau. Le panneau peut se détériorer quand il
est débranché et laissé à la lumière. Il est alors impératif de le
couvrir.
En conclusion, il a fallu un petit moment pour bien connaître le
fonctionnement réel de notre système et apprendre certaines règles de
bases, énumérées ci-dessus. Dans l'ensemble, nous en sommes très
satisfaits (bien qu'un peu lourd !) : que c'était agréable d'être
totalement autonome lorsque nous restions plusieurs jours en pleine
nature, éloignés de toute civilisation. Cependant, si c'était à
refaire, nous partirions plutôt avec deux jeux d'accus à grandes
capacités pour le caméscope, l'appareil photo et les autres appareils.
A notre avis, ce système est adaptable pour une utilisation en bateaux
de croisière, en camping caravaning, en randonnée canoë kayak (nous
avons vu des Canadiens qui randonnaient sur la côte pacifique et avait
jusqu'à un mois d'autonomie en nourriture !), traversée de déserts,etc.
VII. Sources et informations complémentaires
www.icpsolar.com
énergies nouvelles
Tout sur les accus au plomb, Ni-Cd, Ni-Mh, Li-Ions
: www.ni-cd.net
|
Dernière mise à jour : ( 02-11-2005 )
|
|
|
|
|