L`énergie solaire au service du voyageur

Le soleil est la source principale d’énergie
exploitée sur cette planète ; les autres
étant la géothermie, l’énergie attractive
des corps célestes (la marée en est une
manifestation exploitable par une usine
marémotrice) et l’énergie inhérente à la
matière : le nucléaire. A part celles-ci donc,
tout résulte du soleil : le pétrole, le bois, le gaz,
le cycle de l’eau sont des sources d’énergie
qui proviennent de l’énergie du rayonnement
solaire. Le bois est un produit de l’activité
photosynthétique de la plante qui structure
les composés simples en matière organique
complexe ; cette photosynthèse nécessite
de l’énergie (celle du soleil), et
comme “rien ne se perd, rien ne
se crée, tout se transforme”, on
pourra récupérer cette énergie,
par combustion du bois par
exemple. Le pétrole et le gaz
sont les vestiges transformés
de matières organiques très
anciennes (résultant, elles aussi,
de l’activité photosynthétique),
c’est l’énergie fossile. L’eau
“remonte au sommet des
montagnes” par évaporation
– principalement due à l’effet du
soleil – puis précipitations : c’est le cycle de
l’eau, bien connu de tous. L’énergie potentielle
de l’eau est récupérée par les barrages
hydroélectriques. Le vent (éoliennes, moulins,
voiles) résulte, quant à lui, de l’échauffement
inhomogène des masses d’air par le soleil.
C’est ainsi que, depuis longtemps, nous
récupérons et utilisons indirectement l’énergie
solaire. La technologie permet aujourd’hui
de transformer la lumière directement en
électricité. Le gros intérêt de cette technologie
est qu’elle est “propre”, simple à utiliser,
accessible au particulier et fiable.
L’élément de base du panneau
solaire : la cellule photovoltaïque
Quelques bases théoriques pour ceux qui sont
intéressés :
La cellule photovoltaïque est fabriquée à
base de silicium (du sable) qui peut être
monocristallin, polycristallin ou amorphe
(moins coûteux mais moins performant). De
nouveaux matériaux plus performants sont en
phase d’expérimentation, l’avenir s’annonce
plutôt prometteur.
Le principe de la cellule – en simplifiant
– est d’exploiter une propriété des semi-
conducteurs : le panneau est constitué de 2
semi-conducteurs différents et soudés l’un à
l’autre. Quand un photon (particule porteuse
d’énergie, issue du rayonnement solaire)
vient frapper la petite zone frontière des deux
semi-conducteurs, celle-ci reçoit cette énergie
et l’utilise pour mettre en mouvement un
électron. On produit ainsi un courant électrique
de type continu (comme les piles ou batteries,
par opposition au courant alternatif fourni par
EDF).
Les semi-conducteurs peuvent être déposés
sur un socle en polymère, on obtient alors
des cellules souples, bien pratiques en expé.
Une cellule photovoltaïque génère une faible
tension. Il faut donc les associer en série pour
obtenir une tension – et par extension une
puissance – exploitable.
On admet que la puissance brute solaire reçue
au niveau du sol (lumière directe + diffuse) est,
dans un cas favorable, de 1000 W/m2. Avec
des nuages fins, cette puissance descend
à 300 W/m2, et tombe à 100 W/m2 avec des
nuages épais.
La position angulaire du soleil sur l’horizon
(sa hauteur) a aussi son importance. En
effet, l’atmosphère dissipe une grosse
partie de l’énergie solaire : plus la distance
d’atmosphère à traverser est grande, moins
l’énergie disponible au sol sera importante.
Si le soleil est bas sur l’horizon, ses rayons
traversent l’atmosphère de manière oblique,
le chemin que doit parcourir la lumière en
milieu atmosphérique est plus long, l’énergie
récupérable est donc plus faible. La puissance
récupérable varie bien entendu en fonction de
l’heure et de la saison.
Suivant ses caractéristiques propres, un
panneau de 1 m2 recevant 1000 W/m2 génère
une puissance électrique comprise entre
40 W et 150 W : seulement 4% à 15% du
rayonnement est converti en énergie électrique,
il y a encore des progrès à faire...
Note : toutes les photos de ce test ont été faites avec un appareil photo rechargé par les panneaux testés
72 Carnets
d’Expé
Dossier énergie solaire
L’énergie solaire
au service du voyageur
Le « banc de test » Carnets
d’Expé

Le panneau
Le panneau solaire est donc un assemblage de
cellules photovoltaïques. En général la tension
utile des panneaux est de 12 V.
Les caractéristiques techniques des panneaux
sont données en général pour une puissance
reçue de 1000 W/m², ce qui veut dire que la
plupart du temps on aura des puissances
inférieures.
Pour charger un accu d’une tension U, il faut
un panneau dont la tension utile (notée Up) est
égale à U. Si Up > U, la charge est possible
mais pas optimale. Si Up < U, pas de charge
possible.
Utilisation de plusieurs panneaux
Pour des besoins importants, on pourra mettre
les panneaux soit en parallèle, soit en série.
Dans les deux cas on augmente la puissance
du système.
a) montage en parallèle
En parallèle, les
puissances des panneaux
se somment (quelles que
soient leurs puissances) :
le montage en parallèle
de 2 panneaux de 10 W
aura une puissance de 20 W ; le montage en
parallèle d’un panneau de 10 W et un panneau
de 5 W aura une puissance de 15 W.
La mise en parallèle de panneaux permet
d’augmenter le courant fourni. Recharger
un accu de 12 V mettra deux fois moins de
temps si on utilise deux panneaux de 12 V en
parallèle au lieu d’un seul panneau.
b) montage en série
En série, les puissances
ne se somment que si
les panneaux ont les
mêmes caractéristiques
(puissance et tension) :
le montage en série de
2 panneaux identiques de 10 W aura une
puissance de 20 W.
La mise en série permet d’augmenter la
tension d’un système en gardant la même
intensité de courant. La mise en série est
nécessaire quand la tension du panneau est
inférieure à la tension de l’élément à charger :
2 panneaux de 12 V en série fournissent
une tension de 24 V. Ainsi, pour alimenter un
accu de 24 V avec des panneaux de 12 V, il
faut en mettre 2 en série. Il est recommandé
d’utiliser des panneaux de même type (même
puissance) pour ce montage.
Les panneaux sont caractérisés par leur
tension (en Volts) et leur puissance nominale
(en Watt) ; cette puissance est la puissance
maximale à une tension donnée (16,5 V en
général). Un panneau de 12 V a une tension
de charge utile de 12 V, mais en circuit ouvert
la tension à ses bornes est de plus de 20 V
(pour les panneaux ICP et Unisolar que nous
avons testés). Le panneau solaire ne peut
pas être considéré comme une source de
tension à l’inverse d’une pile ou d’un accu qui,
eux, peuvent être approximés par une source
de tension. La puissance max d’un panneau
est obtenue lors de conditions optimales
(1000 W/m² reçus) ; en pratique on aura, la
plupart du temps, des valeurs inférieures.
La connectique et les chargeurs
La plupart des panneaux ont une sortie allume-
cigare femelle à laquelle on peut connecter
pas mal de chargeurs pour petits matériels
électroniques. Attention cependant : beaucoup
de ces appareils de chargement consomment
eux-mêmes de l’énergie ; ils sont pensés pour
être utilisés sur une batterie de voiture qui peut
délivrer longtemps un fort ampérage (nous
avons constaté qu’une batterie d’appareil
photo rechargée “en direct” est parcourue
par un courant de 380 mA, alors que la
même batterie rechargée via son chargeur
est traversée par un courant de 300 mA ; en
revanche, alimenté par une batterie de voiture,
ce même chargeur délivre 600 mA). Cependant
il est quand même préférable d’utiliser ces
chargeurs lorsqu’il s’agit de recharger de petits
accus à faible contenance, un ampérage trop
élevé pouvant les endommager. Dans tous
les cas vérifiez quand même que l’intensité
de sortie de votre panneau ne dépasse pas
l’intensité de charge recommandée pour votre
accu (parfois notée sur l’accu). Souvent on ne
dispose pas de telles infos, il faut alors se fier
à son flair ;-) (voir section accus). Il faut savoir
que l’on n’obtiendra pas une charge optimale
(i.e. : l’accu ne sera pas complètement
rechargé, mais cette charge aura pris moins
de temps) en chargeant un accu en direct, car
le fonctionnement interne des accus est assez
complexe et un bon chargeur va faire varier
son intensité au cours de la charge.
Les panneaux ICP ont une connectique très
pratique, de type alimentation standard de
petits appareils électriques, de plus la jonction
Carnets 73
d’Expé
Courbe intensité/tension
Le panneau en court circuit délivre
son intensité maximale (le point
tout à gauche de la courbe), dans
ce cas la tension aux bornes du
panneau est 0V.
Lorsque le panneau est en circuit
ouvert, l’intensité est, bien entendu,
0 ampère et on obtient la plus
forte tension. Entre les deux on
a la caractéristique du panneau.
On peut constater qu’un panneau
délivre sensiblement le même
ampérage sur une “large” plage
de tension. Le panneau doit être
considéré comme une source de
courant (bien sûr il s’agit d’une
approximation) plutôt que comme
une source de tension or, on a
naturellement tendance à se figurer
un panneau comme une source
de tension (comme une pile). Une
fois que l’on considère le panneau
comme une source de courant,
on comprend bien mieux les
mécanismes qui le régissent.
La puissance maximale du panneau
correspond à la surface du plus
gros rectangle que l’on peut placer
sous la courbe (P=U.I)
Connectique des panneaux ICP
Sortie allume cigare
1. Montage en parallèle
Les bornes + sont toutes reliées
ensembles
Les bornes – sont toutes reliées
ensembles
2. Montage en série
La borne + de chaque élément
va se connecter à la borne – du
suivant
1
2

entre la prise mâle et femelle est rendue
étanche par un petit joint torique. A la
sortie du panneau (Unisolar et ICP/
Coleman), on peut mettre des cosses
simples, des pinces crocodiles, une prise
allume cigare femelle… et cela facilite pas
mal les montages “maison” qui peuvent
être différents si on a plusieurs types
d’appareils à recharger.
Les accus
Les accus permettent de stocker de
l’énergie sous forme chimique. Lors de
la charge, le courant passant dans un
sens entraîne une réaction chimique qui
est réversible ; à la décharge, la réaction
chimique a lieu dans l’autre sens et libère
un courant opposé à celui de la charge.
La “contenance” (j’utilise contenance
plutôt que capacité pour qu’il n’y ait pas
d’amalgame avec cette autre grandeur
électrique) des accus s’exprime en
ampères heures (Ah), cela représente
la quantité d’électricité disponible. Pour
recharger un accu de 2 Ah il faudra (en
simplifiant, en pratique c’est toujours un
peu plus) un courant d’1 A pendant 2
heures, ou 2 A pendant 1 heure ou 0,5 A
pendant 4 heures. Bref pour recharger un
accu de contenance C il faut un temps T
donné par T=C/I
Chaque type d’accu a ses propres
caractéristiques. Suivant l’utilisation que
l’on souhaite en faire, il est nécessaire de
les connaître pour optimiser leur utilisation
et leur recharge.
Plomb
La vieille techno qui marche bien mais
qui est lourde et polluante. En revanche,
ces accus sont économiques. Ils sont
capables de fournir un courant de
décharge élevé. De plus, ces accus sont
tolérants à des techniques de recharge
“exotiques”. L’intensité de charge
optimale est de 1/5 de la contenance de
l’accu. Si votre batterie 12 V fait 2 Ah,
le courant d’entrée optimal sera de
0,4 A. Un courant d’intensité supérieure
risquerait d’endommager votre batterie.
Un panneau de 5 W est bien indiqué pour
ce cas de figure.
Ni-Cd (Nickel Cadmium)
Léger. Le Ni-Cd ne craint pas trop les
surcharges. L’intensité de courant lors de
la décharge peut être élevée, jusqu’à une
valeur d’environ 10 fois la contenance
(un accu de 2 Ah pourra débiter 20 A),
les accus Ni-Cd sont donc utilisés par
les appareils gourmands (perforateur…).
Mais cette techno est polluante (cadmium)
et sera probablement bientôt interdite
(pour les batteries de véhicules tout au
moins).
A noter : Effet mémoire gênant, il faut
complètement vider l’accu avant de
le recharger sinon ses performances
diminuent.
Le courant de charge d’un accu Ni-Cd
doit être d’environ 1/10 de la contenance
de l’accu. On peut utiliser temporairement
(1h max) un courant de charge équivalent
à la valeur de la contenance. On peut
recharger à 1/20 de la contenance de
l’accu pendant autant de temps que l’on
veut.
Donc un accu au Ni-Cd de 12 V et 2 Ah
pourra être rechargé avec un courant
de charge compris entre 0,1 et 2 A. La
gamme des panneaux pouvant recharger
de tels accus est large (de 1 W à 20 W)
mais le temps de charge sera différent
bien évidemment.
Ni-Mh (Nickel Métal-hydrure)
Moins polluants, ces accus ont une
meilleure “contenance” (environ 40%
de plus à volume égal) que les Ni-Cd et
surtout, ils n’ont pas d’effet mémoire.
L’intensité de décharge maximale est
plus faible que les Ni-Cd, et de ce fait les
appareils gros consommateurs d’énergie
utilisent en général des batteries Ni-Cd.
Leur prix est plus élevé que les Ni-Cd. En
stockage, les Ni-Mh se déchargent plus
vite que les Ni-Cd.
Conseils pour la charge : intensité de
charge comprise entre 1/20 et 1 de la
valeur de contenance, comme les Ni-Cd ,
en revanche, il faut impérativement éviter
de surcharger un accu Ni-Mh car le risque
d’altération est élevé.
74 Carnets
d’Expé
Dossier énergie solaire
Les usages des panneaux
Les panneaux peuvent servir à recharger la plupart des appareils électriques fonctionnant sur
batteries. Par exemple : GPS, téléphone satellite, téléphone portable, appareil photo numérique,
lampes frontales, VHF, ordinateur portable, caméra, perforateur (utilisé et rechargé en pleine paroi
comme on l’a vu à Madagascar au Tsaranoro : un Espagnol était parti plusieurs jours dans la paroi
de 800 mètres avec son perfo 12 V et son panneau souple), dessalinisateur et bien d’autres choses
encore. On peut aussi alimenter directement de petits appareils, à condition que la puissance de ces
derniers soit bien inférieure à celle du panneau.

Li-ion (Lithium Ion)
C’est bien souvent le type de batterie des
téléphones mobiles. C’est une techno
compacte mais onéreuse.
Il est préférable d’utiliser un chargeur
spécifique pour ces accus car, en cas de
mauvaise utilisation, on peut les détruire,
voire risquer l’explosion.
Si vous rechargez en direct, l’intensité de
charge ne doit pas être supérieure à la valeur
de contenance. I < C, C/2 est le courant
optimal. Il ne faut surtout pas surcharger une
batterie Li-ion.
A noter : pour charger des piles rechargeables
avec un panneau 12 V, il faut les placer en
série entre elles, on peut les grouper de 4 à
12 (pour des accus de 1,2 V). Les meilleures
performances de charges seront obtenues
vers 10-12 accus. En mettant les accus en
série, on obtient un accu avec une tension
plus élevée, mais la contenance de l’ensemble
est celle d’un élément (10 accus de 1,2 V
et de contenance 1 Ah mis en série seront
équivalents à un accu de 12 V de contenance
1 Ah). Il est important de mettre en série des
éléments de mêmes caractéristiques. Les
contenances se somment quand on met les
accus en parallèle, dans ce cas la tension de
l’ensemble reste celle d’un élément (10 accus
de 1,2 V et 1 Ah montés en parallèle seront
équivalents à un accu de 1,2 V de 10 Ah).
Accu tampon
Un accu tampon de grande “contenance”,
c’est à dire d’au moins 4 Ah, peut être chargé
durant la journée, puis on peut s’en servir
pour recharger ou alimenter de manière
optimale, le soir venu, les divers appareils
électriques. L’intérêt d’un tel système est
de stocker de l’énergie qui pourra être
mobilisée rapidement, donc alimenter des
appareils nécessitant une grande puissance.
Typiquement, un dessalinisateur consomme
beaucoup d’électricité (cf. Carnets d’Expé
N°4, dossier sur l’eau potable en expé). Le
dessalinisateur 40E de Katadyn fonctionne
en 12 V et consomme 48 W en produisant
5,7 litres d’eau douce par heure. Pour le
faire fonctionner en continu, il faudrait au
moins 60 W en panneau solaire (puisque
nous savons que 60 W est la puissance maxi
obtenue en conditions très favorables) ce
qui représente une belle surface… le mieux
est de charger un accu tampon et de faire
ensuite fonctionner le dessalinisateur sur
l’accu rechargé. L’accu pourra débiter les 4
ampères nécessaires au bon fonctionnement
du dessalinisateur. Pour le faire fonctionner
1 h, il faut donc un accu 12 V de 4 Ah chargé
à bloc. En pratique, il vaut mieux prendre un
plus gros accu. Avec un panneau de 20 W
(1,2 A en puissance max pour moins de 600 g
chez ICP), on va devoir charger cet accu
pendant 3h30 environ dans des conditions
optimales, soit en pratique toute la journée. Le
soir, en vidant l’accu dans le dessalinisateur
on obtiendra 5l d’eau douce…
Avec un accu tampon, on dispose toujours
d’une réserve d’électricité qui peut servir
à recharger ou utiliser un appareil dans
l’urgence, la nuit par exemple. Il est cependant
à noter que le rendement d’un tel système est
moins bon du fait qu’on a un cycle de charge
intermédiaire où de l’énergie sera forcément
perdue. Attention : l’accu tampon va
potentiellement délivrer un ampérage élevé
(beaucoup plus que le panneau), or on sait qu’
un ampérage trop élevé peut endommager
l’accu à recharger. Il est préférable d’utiliser
un régulateur de courant pour recharger
les «petits» accus. Le plus sûr dans ce cas
est d’utiliser les chargeurs allume-cigare
spécifiques à chaque batterie.
Dossier réalisé par Olivier Nobili
Stéphane Egly
et Hugues-Marie
Bonnel
Carnets 75
d’Expé
Le panneau en utilisation
Quand on se sert d’un panneau,
on n’a pas toujours les conditions
optimales d’ensoleillement, ni le
bon positionnement du panneau
par rapport au soleil, surtout si on
recharge en chemin (panneau fixé
comme on peut sur le sac, les sacoches
du vélo ou le pont du kayak).
Nous avons fait quelques mesures
d’intensité de sortie des panneaux
dans plusieurs situations différentes.
Variation angulaire
Test réalisé par ciel clair, vers 12h
solaire en octobre dans le sud de la
France.
Angle par rapport au soleil (angle des
rayons solaires par rapport à la droite
orthogonale au panneau solaire,
0° signifie panneau bien en face du
soleil, 90° signifie panneau parallèle
aux rayons et donc non éclairé
directement).
0° (angle optimal) : 320 mA, intensité
max ce jour.
30° : 270 mA, soit 84 % de l’intensité
max.
45° : 230 mA, soit 72 % de l’intensité
max.
60° : 190 mA, soit 59 % de l’intensité
max.
Ces résultats ont été effectués avec
les panneaux 5 W ICP/Coleman et
Unisolar qui donnaient sensiblement
les mêmes résultats, avec un léger
mieux pour le Unisolar (environ
10 mA).
Temps nuageux
Avec de gros nuages qui cachent le
soleil vers 14h solaire :
Les panneaux 5 Watts délivrent
environ 100 mA (environ 30% de
son intensité max) dans un accu
7,4 V de 800 mAh, il faudra donc
environ 8h dans ces conditions pour
le recharger.
Le ICP 10 Watts dans les mêmes
conditions délivre 190 mA
(également environ 30% de son
intensité max).
Avec un temps nuageux l’inclinaison
par rapport à la position du soleil
a moins d’influence puisque le
rayonnement reçu provient d’une
source diffuse (l’ensemble du ciel).
Température d’utilisation
La plage de température des
panneaux va de -40°C à +60°C
(source ICP).
Web
- http://solar-club.web.cern.ch/solar-club : un site sur l’énergie solaire et les énergies renouvelables en général, assez complet.
- www.ni-cd.net : un excellent site très complet sur les accus.
En pratique
Pour sortir un peu des chiffres théoriques, voici quelques résultats expérimentaux obtenus avec un appareil
photo numérique.
Test réalisé avec un accu vidé de 7,8 V Li-ion d’un appareil photo numérique, vers 15h solaire en octobre.
10 minutes de charge avec le ICP 10 watts donne : 68 photos réalisées en 6 minutes.
10 minutes de charge avec un des panneaux 5 watts (Coleman et Unisolar) donne : 32 photos réalisées en 4
minutes.
L’appareil était en mode autofocus constant et écran allumé.
Recharge d’un accu en direct avec la sortie «pinces
crocodiles».
La sortie + du panneau sur la borne + de l’accu, la
sortie – du panneau sur la borne – de l’accu.

Quelques produits du marché que nous avons testés
ICP Solar (nous avons testé le panneau 10 watts)
ICP Solar est une entreprise canadienne qui utilise des technologies
développées par la Nasa pour la fabrication de ses panneaux. Il en résulte
des panneaux extra fins, extra flexibles (ils se roulent) et très légers.
Utilisation possible : tous domaines d’application (pont du kayak, sac à dos,
etc.), leur gamme de puissance est étendue car on peut les mettre en parallèle
très facilement grâce à un câble prévu à cet effet.
Livrés avec une sortie cosse + et - simple, une prise allume cigare femelle et
une rallonge.
Les +
Le rapport puissance poids est excellent
Connectique très pratique
La surface, cellule/support, est vraiment très bonne
Se roule
Etanche
On peut très facilement coupler les panneaux
Les -
Caractéristiques non inscrites directement sur le panneau
Caractéristiques
10 W : 0,6 A à 16,5 V
Poids : 550 g, taille mesurée : 107 cm X 27 cm X 0,1 cm. Ratio puissance/poids : 55 g de panneau pour 1 watt.
Prix env. 250 euros, prix du watt : 25 euros
Les cellules (la zone réellement active) couvrent 65 % de la surface totale du panneau.
Existe aussi en 5 W et 20 W
►5 W : 0,3 A à 16,5 V, 360 g, prix env. 145 euros, prix du watt : 29 euros
►20 W : 1,2 A à 16,5 V, 860 g, prix env. 350 euros, prix du watt : 17,50 euros
Vous pouvez trouver ces panneaux notamment via la boutique Carnets d’Expé (www.expemag.com) et Au Vieux
Campeur.
ICP/Coleman
Le Coleman est fabriqué par ICP.
Utilisation : le Coleman peut recharger la plupart des petits appareils
électriques. Il ne peut pas être utilisé en milieu très humide (pont d’un kayak)
car il est weatherproof (résistant aux éclaboussures et ruissellements).
Ce panneau est livré avec une prise allume cigare femelle. On l’a testé en
situation lors d’une rando à pieds pour recharger un appareil photo numérique
et la pile de notre réchaud à bois. On l’a trouvé très pratique car super compact
et léger.
Les +
La possibilité de le replier, il devient alors ultra compact
Très léger
Connectique très pratique
Les -
Il est dommage que les cellules ne couvrent que 42% de la
surface du support, on aurait pu avoir un système encore
plus compact.
Caractéristiques non inscrites directement sur le panneau.
Caractéristiques
Puissance 5 watts, poids constaté hors connectique 290 g, taille mesurée 21,5 cm X 14,5 cm x 1,5 cm replié, et 21,5 cm
x 71 cm x 0,3 cm.
Le rapport puissance/poids est de 58 g de panneau pour 1 watt.
Déplié, la surface des cellules est de 42 % de la surface totale du panneau.
Prix public : env. 100 euros, prix du watt : 20 euros
Vous pouvez trouver ce panneau via la boutique Carnets d’Expé et Au Vieux Campeur.
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