J'ai réalisé ce chargeur photovoltaïque en 2004, lors de la préparation de mon voyage à vélo entre le Mexique et l'Alaska. Vous trouverez ci-dessous une note technique concernant la conception de ce chargeur solaire :

• Introduction

• Principe

• Dynamo ou panneau solaire ?

• Bilan électrique et détermination de la capacité de la batterie au plomb

• Détermination de la puissance du panneau solaire amorphe

• Conception du circuit électronique

• Et après 10 mois d’utilisation quotidienne ?

• En conclusion

• Sources et informations complémentaires

Introduction

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 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 m'a séduit pour son aspect écologique et totalement autonome. Ce système, que j'ai adapté exactement à nos besoins, n’est bien entendu pas commercialisé et c’est aussi par pur plaisir de créer mon propre prototype de A à Z.

Dans ce qui suit, j'expose ma conception et ma réalisation, mais je ne prétends en aucun cas détenir La Solution, je ne suis pas éléctronicien de formation. Mon approche est sans doute contestable, mais en tout cas, après 10 mois d’utilisation, ce système a relativement bien fonctionné et nous a donné satisfaction.

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). 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 à propos des accus au plomb

Nous partirons avec une batterie de 12 V, la tension maximale de notre installation étant celle du caméscope, (8.4V). 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 à nous : comment recharger cette batterie tampon au plomb?

Dynamo ou panneau solaire ?

J'ai minutieusement étudié la question, pesé le pour et le contre de ces deux sources de production énergie.

La dynamo

J'ai tout de suite recherché des dynamos 12V à haut rendement (supérieur a 55%), montées sur roulements à billes, éliminant ainsi les dynamos de qualité moyenne à faible rendement (10% environ pour une dynamo de base). J'ai 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 environ

• Faible tension à vide, seulement 12 V. Souhait : 13-14V minimum

Le panneau solaire

Il existe trois types de panneaux solaires : le monocristallin, le polycristallin et l’amorphe. Je me suis orienté 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%

Bilan électrique et détermination de la capacité de la batterie au plomb

J'ai mesuré à l’ampèremètre la consommation de nos différents appareils. Les résultats figurent dans le tableau ci-après :

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.

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

Détermination de la puissance du panneau solaire amorphe

Je me suis basé 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 %, la puissance transmise par le panneau solaire est donc 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, 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.

Conception du circuit électronique

Recharge de la batterie Lithium Ions du caméscope

Avant toutes choses, je me suis sérieusement renseigné sur le caméscope (Sony DCR HC 30 E, modèle 2004) et la charge de sa batterie. Je me suis bien assuré 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 me 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 réalisée 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 ! J'ai 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. J'ai 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, j'ai 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). J'ai 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).

J'ai 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. J'ai détecté ce problème en visualisant les courbes de charge (courbe noire, charge incomplète).

Recharge des accus Ni-Cd

J'ai 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. J'ai 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

Alimentation du minidisque et du walkman

• Minidisque : sa tension aux bornes est de 5 V. J'ai 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. J'ai donc branché en série un régulateur de 5 V (le même que celui du minidisque) et trois diodes.

• Diodes électroluminescentes : la tension aux bornes d’une diode est de 4 V et l’intensité maximale est de 0.02 A. J'ai 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 = 230Ω

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.

• Un vumètre mécanique permet de voir l’état de la batterie. J'ai 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.

• J'ai 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.

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’interrompt (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. Le nettoyer souvent, ses parformances en sont accrues.

En conclusion

Il m'a fallu un petit moment pour bien connaître le fonctionnement réel de mon 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 mon 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.

Sources et informations complémentaires

• INES : Institut National de l'Energie Solaire

• Solar Irradiation Database : irradiation solaire mensuelle de 2300 villes dans 120 pays (site américain)

• Energies Nouvelles Entreprises : électification de sites isolés

• Ni-Cd : tout sur les accus au plomb, Ni-Cd, Ni-Mh, Li-Ions