10 octobre 2010UPVD Perpignan

Projet de valise à énergie propre.

Concept mobile.

Autonomie et légèreté.

Augmentation d'autonomie d'un ordinateur portable et de téléphone mobile.

Solution développée pour utiliser l'énergie solaire en situation de mobilité.

Conception avec possibilités d'évolution et d'augmentation des performances.

Dominique Marc DeschampsTel 06 76 08 55 01 France

rdm-row@orange.fr

1. Les sources d'inspiration.2. Présentation de la solution solaire.3. Le choix des composants.4. La base technologique.5. Le futur usage d'une valise à énergie propre.6. Les produits concurrents.7. Les prix et solutions similaires.8. Les contacts industriels9. Les tests.10.L'augmentation des capacités.11. Les développements possibles et imaginables.12.Exploration solaire internationale.

1. Les sources d'inspiration.

Il existe de nombreuses solutions mobiles pour le chargement de téléphones portables, delecteurs de musique, de batterie de camping-car ou d'ordinateur portable.L'éventail des gadgets et des solutions professionnelles montre un manque d'esprit de conceptionsérieuse pour les solutions à bas prix, ou un poids excessif pour les versions professionnelles.Capter le flux solaire pour le transformer en énergie électrique peut se faire selon différentestechnologies, ce qui n'exclue pas que certains concepteurs cherchent à créer en s'épargnant l'effortd'une réflexion aboutie. En effet, l'électricité produite par des cellules photovoltaïques estdisponible dès la sortie des cellules, quelque soit la technologie de cellule choisie. L'accumulationde cette énergie électrique requière des précautions particulières du fait de la création d'un potentielélectrique, générateur d'étincelles et de courts-circuits qui peuvent déclencher des incendies ou desdommages corporels.

La sécurité n'est pas une question de voltage, mais de risques induits par une puissancedisponible. Les solutions non solaires proposées pour des véhicules de transport courant montre quedes incendies provoqués par les batteries sont relativement fréquents. Une batterie bien connectéepeut sortir de son siège et venir en contact de la tôle du véhicule, initier un court-circuit qui peut setransformer rapidement en source de chaleur et d'incendie. C'est la décharge incontrôlée de lapuissance accumulée qui dépasse la capacité admissible des câbles ou des composants qui sontconnectés à la dite batterie. Même un accumulateur de très faible puissance, quelques centaines demWh, peut se révéler dangereux s'il est mal utilisé ou lui-même mal conçu. Il n'est pas rare deconstater l'explosion d'une batterie de téléphone portable ou la coulure de liquide interne d'unaccumulateur, dit aussi 'pile rechargeable'. C'est la surchauffe des couches composant le principed'accumulation qui est alors en cause.

Pour se prémunir de ces inconvénients, il existe des règles de conception valables pour lessystèmes de forte puissance également applicables aux circuits de très bas voltage.Le premier principe de fonctionnement est que l'on ne branche pas directement une sourcephotovoltaïque sur un appareil que l'on souhaite alimenter avec de l'énergie électrique. Il fautcependant comprendre que la présence de batteries internes aux appareils de lecture de musique,aux ordinateurs portable ou navigateurs GPS permet de connecter des panneaux solaires par la prisede chargement. En effet, le système électrique de l'appareil est conçu pour être alimenté par unesource externe en vue d'accumulation de l'énergie électrique. En revanche, la connexion sansprésence de la batterie présente un risque car la stabilité de l'alimentation électrique n'est pasassurée par des panneaux photovoltaïques. Cette énergie produite dépend du flux de photonstraversant l'atmosphère pour venir stimuler les particules de silicium, ou de CIS, de CIGS voirautres technologies photovoltaïques en cours de développement. Cette stimulation des particulesproduit un potentiel électronique augmenté par la création d'une barrière isolante appelée 'jonctionPN'. La jonction PN est une manière astucieuse de diriger la circulation des électrons, et surtout deles inciter à circuler.

Le deuxième principe de fonctionnement tient au fait que l'environnement immédiat de lavalise solaire sera une composante de la sécurité d'utilisation. Le fait de brancher et débrancher unesource de courant continu, quelque soit le voltage, provoque des micro étincelles. Ces microétincelles pourraient enflammer un gaz explosif dans un espace réduit ou un lieu de stockagepétrolier. On ne peut donc négliger le lieu d'utilisation d'un tel dispositif.

Un troisième principe recouvre la durée de vie des composants. Si l'on conçoit un systèmetrès performant mais peu durable, on perd rapidement tout avantage en ce qui concerne lapréservation de l'environnement terrestre par utilisation de l'énergie solaire. Il est préférable deconcevoir des systèmes suffisamment fiables et d'une longue durée d'utilisation pour que l'énergieconsacrée à leur production soit compensée par plusieurs dizaines d'années d'usage.

2. Présentation de la solution solaire.

Depuis plus de trente ans des solutions ont été conçues et testées par divers types dechercheurs et amateurs passionnés. Du programme de recherche de la NASA, jusqu'aux tréteauxd'un garage de banlieue, des solutions innovantes ont vu le jour. Si les énergies solaires sont souventréduites à la captation des rayonnements du soleil, il faut également songer que les recherches surles énergies photovoltaïques ne concernent pas seulement l'utilisation électrique de cette source. Onpeut actuellement transformer le potentiel électrique par la création de courants induits et générerainsi du froid au sain de systèmes complexes tels que les armoires d'ordinateurs. Ce principephysique découvert par le chercheur Peltier permet de faire circuler le courant dans un circuit fermé.Cette circulation évacue le potentiel de chaleur par des dissipateurs et aspire donc cette énergiecalorifique en provenance d'une source dont il est nécessaire de l'extraire.

Exemple parmi de nombreuses applications spécifiques, l'effet Peltier est ainsi générateur defroid alors que l'énergie électrique utilisée provient du soleil. Une solution beaucoup plus connue etévidente réside dans le captage de rayonnements solaires dans l'espace pour générer de l'énergieélectrique essentielle au fonctionnement des ordinateurs des stations orbitales et des satellites.

Loin d'être les cellules les plus efficaces en ce qui concerne le rendement, les cellulesphotovoltaïques embarquées sur les volets rétractables des navettes et autres vaisseaux d'explorationinter-planétaires sont avant tout des compromis réfléchis entre la légèreté et la génération decourant. On ne peut pas imaginer faire décoller des panneaux solaires classiquement installés sur lestoits de nos habitations pour les utiliser en dehors de l'atmosphère. Pour différentes raisons, cespanneaux ne seraient pas adaptés. Ils sont trop lourds du fait des complexes montages du cadred'aluminium, des revêtements de verre et du fond du panneau. De même les connexions ne seraientpas suffisamment sécurisées pour ne pas courir de risque d'un manque d'énergie dans des espacesconfinés, éloignés de la terre et très dépendants de la source d'énergie.

Cette réflexion incite donc à la conception de systèmes adaptés aux besoins spécifiques d'uncontexte unique et d'une utilisation particulière. La création des centrales photovoltaïques répond àla croissance de consommation électrique des habitants de l'hémisphère nord autant qu’elle répondau développement industriel des entreprises de Chine. Quand un système est créé pour uneutilisation spécifique on peut penser à l'installer dans des conditions de fonctionnement similaires,mais on peut rarement faire fi des besoins réels du contexte en espérant qu'un système complexeréponde 'par chance' à la demande énergétique particulière de ce contexte.

Il est simplement vrai que de nombreux projets d'électrification en Afrique répondait plus àune envie des européens de bien faire et d'apporter ce qui semblait utile. En faisant l'économie d'uneanalyse des besoins en énergies, les techniciens et maîtres d'ouvrage sont alors des exportateurs detechnologie plus que des concepteurs de solutions adaptées. De plus, les systèmes ou réseauxélectriques conçus 'à l'européenne' ne tiennent pas compte de la nécessaire implication de la sociétélocale pour que les systèmes soient acceptés, utilisés et entretenus. On observe sinon undélaissement de systèmes trop compliqués, générateurs de frais de fonctionnement et demaintenance exorbitant. Le manque de pièces détachées ou de personnes compétentes signe parfois'la mort' de belles idées conçues unilatéralement.

La solution solaire, comme les technologies plus répandues requière donc une réflexion surles besoins énergétiques, la définition des contraintes d'utilisation, les coûts induits, l'esprit durableet un cahier des charges sans failles. Cette étude est préalable et ne peut prétendre qu'à conduire leprojet vers un idéal, vient ensuite la capacité du système à perdurer et répondre de manière adéquateaux besoins identifiés.

3. Le choix des composants.

Toute technologie comporte des limites et des des capacités. La technologie est définie par lapossibilité d'assemblage et de mise en oeuvre de principes physiques connus et maîtrisés. Lescomposants d'un système sont pourvus de caractéristiques techniques intrinsèques qui sont desconséquences des choix de fabrication et au rôle qui leur est attribué. Dans les systèmes on peutidentifier des rôles moteurs, des gestions d'évènements et des fonctions répétitives. Ces fonctions etleur organisation au sein du système sont créatrices de la réponse aux besoin. Il est donc importantde bien connaître le besoin en terme technique afin de faire les choix correspondant dans l'éventailtrès fourni des composants industriels.

La différence entre la réponse artisanale et les solutions industrielles provient d'un objectif àcourt terme pour l'un et à long terme de l'autre. Il ne s'agit pas d'un jugement qualitatif à propos deces activités, mais d'un rôle social et économique de portée différente.

La production industrielle vise la création de produits standardisés dont l'échange permet deconserver le fonctionnement, l'utilité ou éventuellement l'esthétique. Les composants que l'industrieveut diffuser sont pourvus de caractéristiques constantes, et de coûts scientifiquement calculés.

L'artisanat s'approche de la réponse aux besoins dans une optique singulière. Le systèmeainsi conçu doit prendre en compte les paramètres locaux, sans but de production à grande échelle.Il s'agit donc d'un processus plus coûteux car l'analyse des besoins doit être reconduite chaque fois.

Choisir des composants technologiques pour un système revient à décomposer les rôles dechaque sous-ensemble. L'organisation du système technologique répond à un cahier des chargesrédigé pour que chaque intervenant connaisse la finalité de l'installation. Contrairement à des choixesthétiques dans les domaine artistique, les choix technologiques sont effectués selon des fonctionsà remplir par les-dits composants.

Concernant la qualité des composants, la réputation des marques et des produits jouent unrôle important pour la visibilité et le retour d'expérience du fonctionnement réel des articles. Lesmatériaux, les modes de production et la qualité des concepteurs sont essentiels pour présager de ladurée de vie des systèmes. Alors que les entreprises européennes ont tenu le haut de l'affichependant les cent premières années suivant la révolution industrielle, les pays récemmentindustrialisés sont maintenant capables de fournir des objets techniques de qualité équivalente ousupérieure. La grande capacité de production de l'industrie européenne est remplacée par laflexibilité et la réponse rapide à la demande de séries courtes et de très haute technicité. Il ne s'agitplus de fabriquer des millions de tubes de télévision pour les répartir dans dix usines concurrentesqui apposent leur marque sur des cadres de plastique. Ceci étant valable pour la téléphonie mobile.

Dans le domaine des énergies renouvelables ont assiste au phénomène inverse. Les systèmessont toujours en évolution et de grands groupes industriels s'engagent dans la production en grandvolume de cellules photovoltaïques. La base de la technologie photovoltaïque étant le captage durayonnement, le besoin de panneaux est croissant. Un groupe automobile chinois s'est récemmentengagé à devenir le plus grand fabricant mondial de cellules. Il le deviendra au vue des milliards dedollars levés dans cette stratégie de conquête de marché.

Le choix des composants pour la valise à énergie propre s'est porté sur des produitsstandards, compatibles entre eux et disponibles sans modifications. Les possibilités d'augmentationde capacité et de puissance proviennent d'un coefficient de fonctionnement et de sécuritésuffisamment élevé pour doubler l'intensité admissible. La puissance maximale stockée résideseulement dans l'espace physique disponible dans le coffre de la valise.

4. La base technologique.

Le principe de captation de l'énergie solaire est connu pour faire augmenter la chaleur parconcentration du flux lumineux. Ce flux lumineux étant un assemblage de fréquences visibles etinvisibles, il reste alors à choisir quel type de capteurs on souhaite utiliser pour une productioncalorique ou électrique. Les recherches actuelles se dirigent vers un cumul du traitement desénergies par juxtaposition des technologies de captage. A l'inverse, certaines recherches s'oriententvers la simplification extrême du capteur qui n'est plus qu'une impression de cellule photovoltaïquesur du verre. N'ayant plus besoin d'encapsulage, la cellule est quasiment sans poids ni volumelaissant toute liberté de l'imprimer sur la surface du verre. L'encapsulage des cellules résidait jusqu'àmaintenant à faire le choix de verre plus ou moins épais et translucide, de technologie avancée oubasique. Le choix du verre comme contenant avait déjà été décidé par une entreprise allemandeproduisant des tuiles photovoltaïques, très esthétique et totalement fondue dans la toiture qui lesreçoit. C'est l'absence de contenant qui révolutionne cette technologie, car il n'y a alors plus decontrainte de forme ni de poids.

Quand on prend l'option de faire fonctionner des systèmes ou fournir de l'énergie électriqueà un réseau électrique on crée une dépendance de ces systèmes à l'exposition solaire. Le meilleurconcepteur d'installation photovoltaïque ne peut faire abstraction de l'orientation d'une toiture oudes panneaux disposés en plein champs. C'est une part importante de la rentabilité énergétique del'installation qui se joue dans la disposition géographique, inclinaison et hauteur des modules.

Nombre d'installateurs n'ont pas su préparer correctement leur étude d'exposition, ontdélaissé l'analyse des masques en fonction de la course du soleil, on abouti finalement à desinstallations théoriquement efficace, mais mal orienté par rapport à la trajectoire du soleil, oubénéficiant de l'ombre généreuse des cheminées ou arbres du voisinage. Un ennemi fatal desinstallations photovoltaïques s'appelle construction. En effet, j'ai pu observer des installations trèsbien orientées et conçues intelligemment qui sont finalement mis à l'ombre par la construction d'unétage supplémentaire sur le bâtiment voisin.

La technologie permet de faire des choix de capteurs très performants pour palier à unmanque d'ensoleillement ou un déficit de temps d'exposition. Il s'agit d'installer les systèmesoptimisés en rendement bien que le coût soit supérieur. Le temps d'exposition manquant est donccompensé par une rentabilité énergétique accrue.

Dans la problématique photovoltaïque on connait la variation des capacités de productiondes cellules en fonction de leur type de fabrication. Il existe plusieurs matériaux photo-sensiblesdont les coûts de production sont influencés par la complexité des techniques d'élaboration. Lesrendements au soleil sont finalement une indication aléatoire, car on ne compose pas un systèmeuniquement par juxtaposition des meilleurs rendements, mais par un processus itératif et logique decompatibilité, de surface disponible et de coût global de l'instrument de production électrique.

Dans le cas d'une valise autonome, la légèreté, l'efficacité et l'encombrement des composantsjouent les rôles prépondérants. Les panneaux mono-cristallins se rangent facilement dans lecouvercle et sont de taille idéale pour ce concept. Le CIS, Cuivre Indium Sélénium est plus sensibleà la lumière visible que le silicium, l'assemblage des deux permet de façonner un capteurbénéficiant de la lumière directe autant que du reflet sur le panneau dépliant. Il s'agit donc depouvoir augmenter l'autonomie d'un ordinateur et d'un téléphone mobile par génération d'énergiepropre, photovoltaïque, qui est stockée dans une, deux ou trois batteries spécialisées pour cetteénergie. La possibilité de connexions de différents ordinateurs dépend simplement des formes defiches, et l'autonomie est fonction de la puissance consommée et des réglages des appareils.

5. Le futur usage d'une valise à énergie propre.

La prolifération des outils et appareils nécessitant des batteries et des chargeurs laisseprésager qu'une valise à énergie propre est un produit d'avenir. Les technologies actuellementutilisées pour charger les batteries de téléphone et d'ordinateur consiste à brancher untransformateur de 5 ou 14 volts sur une prise de courant alternatif de 110 à 220 volts. C'est unesolution rapide et efficace au niveau de la puissance de charge, mais le principe reste encoredépendant de la présence du réseau électrique.

Dans les circonstances de travail mobile pour des commerciaux, des chercheurs de terrain oucontrôleurs d'installations isolées il faut disposer d'une énergie indépendante d'un câblage nationalsous-terrain ou aérien de type ERDF. La génération d'énergie électrique par captage des rayonssolaires devient une solution adéquate. Il ne s'agit pas de prétendre que des valises solaires seraientune solution généralisée à la demande de chargement des appareils de très faibles voltages. Leprincipe de la valise solaire demande une savante gestion de l'énergie stockée, car elle reste unefaible quantité devant une nécessité éventuelle de travail très intense sur un ordinateur portable.

La valise solaire répond à un besoin d'autonomie énergétique et d'augmentation de lamobilité par la mise à disposition de stockage dans des batteries à décharge lente. L'utilisation peutnéanmoins devenir quotidienne car j'ai testé le système depuis plus de trente jours à mon domicile.Constatant les contraintes d'orientation face au soleil j'ai conclu que la tolérance d'angled'inclinaison est d'environ 15 degrés selon l'axe de la course réelle du soleil, et +/- 10 degrés selonl'azimut. L'azimut de la position réelle du soleil dépend de l'heure, et devient un problème quand lespanneaux ne peuvent être orientés chaque heure. Il faut en effet définir une position fixe qui sera lamême pour toute la journée. J'ai pour cela choisi l'orientation plein sud car le zénith correspond à lapuissance d'ensoleillement maximale, les +/- 10 degrés étant alors compensés par un rendementélevés des panneaux en milieu de journée.

Dans le cahier des charge que j'ai défini, je suppose que la valise solaire est conçue pour unusage mobile et immédiat, la personne utilisatrice se trouve donc à proximité immédiate et sera àmême de compenser l'angle d'exposition au fur et à mesure de la progression du soleil dans le ciel.Le constat pendant la période de test d'un mois n'est donc pas un inconvénient, mais innérant auxconditions de test. La capacité de charge de la première batterie est atteinte à 100% en 10h30 si lesconditions solaires sont correctes. En hiver, lors des tests entre le 20 décembre et le 28 janvier, lesoleil s'est fait rare. Il n'est apparu en rayonnement direct que très rarement entre le 20 décembre2010 et le 5 janvier 2011. Il a cependant été possible d'atteindre plusieurs fois une charge complète,et de procéder également à un travail 'en charge' pour tester l'autonomie en pleine journée. Lapossibilité de régler les ordinateurs pour une consommation minimale d'énergie augmente d'autantplus la durée d'utilisation effective. Il est également possible de disposer de l'énergie et de lapuissance maximale de l'ordinateur par configuration 'sur secteur', la batterie de la valise solaireapporte alors son stockage d'énergie jusqu'à décharge de 56%.

Ajout de batteries 9500 mAh il sera possible de dépasser 15960 mAh de stockage soit:− 2h30 de consommation à pleine puissance multiplié par trois. 7H30 à 3,5 A de débit.− 7h20 de consommation à puissance réduite multiplié par trois. 22H à 0,7 Ah de débit.− En pratique cela correspond à 4h x 3 de visionnage télé TNT, le soleil étant absent.

Ajout de batteries 12000 mAh il sera possible de dépasser 18760 mAh de stockage soit:− 2h30 de consommation à pleine puissance portée à 5H21 à 3,5 A de débit.− 7h20 de consommation à puissance réduite portée à 47H50 à 0,7 Ah de débit.− En pratique cela correspond à 4h42 de visionnage télé TNT, le soleil étant absent.

6. Les produits concurrents

Les produits concurrents sont absents dans le sens ou il n'existe pas de modèles pourlesquels le concepteur se soit astreint au même cahier de charge. Pour la mobilité, la légèreté j'aiexpliqué l'utilisation de composants standards sans nécessité de fabriquer des élément électroniquesspécifiques ou une valise pouvant contenir, pour certaines marques: QUINZE kilogrammes debatteries, sans contenir les panneaux solaires qui restent à transporter de façon externe.

L'idée d'une valise solaire n'est pas une nouveauté car j'ai contacté un importateur ayantcommercialisé un modèle léger, composé de deux volets dépliables. Les commentaires sur levolume de vente montre que le produit n'a pas séduit les consommateurs, soit parce que latechnologie était trop avancée au moment de la proposition en 2002/2004, soit parce que lescapacités du modèle n'avaient pas convaincu les clients. On ne peut rien conclure sur la qualité duproduit car les caractéristiques annoncées étaient correctes. La présence de batteries extra platesdans les volets solaires suppose une fabrication spécifique, et donc un coût élevé de production.L'avantage d'une construction compacte est forcément un résultat séduisant, mais, les coûts demontage augmentent sensiblement si les composants utilisés sont conçus spécifiquement. Enutilisant des éléments standardisés, de nombreux fabricants ont pu toucher le coeur de cible qu'ilsvisaient: des clients intéressés par un coût maîtrisé et une fiabilité garantie.

La recherche de solutions et le développement de nouveaux produits passe par desapproximations. La possibilité d'enquête sur les demandes de la clientèle réduit actuellement lesrisques d'erreur de conception. Par ce type d'enquête, l'expression des besoins de la clientèle permetégalement d'identifier de nouvelles applications. Les appareils disponibles sur le marché trèsinnovant des applications électroniques stimule la demande en permanence. Ce fait implique unenécessité de proposer les produits régulièrement, pour satisfaire les besoins des consommateurs aumoment opportun. Proposer un produit trop tôt est certainement une erreur stratégique majeure,quand on sait que la concurrence est en veille permanente, les développeurs d'autres marquesseraient immédiatement alertés des recherches en cours, trouvant eux-même des solutions adéquatesrapidement. Des marques moins pionnières ont parfois réussi à cannibaliser un marché par unemeilleure réponse à la demande du marché.

D'autre part, la recherche de partenaire requière une certaine prudence lorsque l'on présenteun produit innovant. Plus les personnes invitées sont compétentes plus le risque est grand de voir sacréation copiée ou spoliée. Un consentement à signer un accord de confidentialité démontre unerenoncement à tenter de développer une solution similaire après une présentation.

Pendant le salon ENERGAÏA j'ai demandé aux dix personnes rencontrées de signer cetaccord de confidentialité. Aucune n'a refusé, certains affirmant que leur entreprise ne développaientpas ce type de produit, d'autres étant porteurs d'affaires sans lien direct avec la technologie nepouvaient pas expliquer eux-même le contenu de mon projet.

L'intérêt du projet de valise à énergie propre réside dans la production indépendanted'électricité dans une mesure adaptée à l'alimentation d'un ordinateur portable ou de petits appareilsélectroniques. La possibilité de charger ces appendices tactiles ou téléphoniques n'apparait pascomme une nécessité pour les citadins français. Les personnes plus réceptives à cette solutionportative sont originaires de pays où ces solutions seraient immédiatement utiles. La Turquie etl'Afrique du Sud sont d'éventuels marchés porteurs, comme des localités africaines dans lesquellesl'énergie électrique reste rare.

7. Les prix et solutions similaires.

Le milieu de l'énergie solaire sait que les batteries sont un coût important dans la conceptionde systèmes photovoltaïques en situation isolée. La nécessité de stocker l'énergie électrique estconcomitante à la périodicité d'exposition solaire. Tant que le soleil peut stimuler les cellules desilicium, de CIS ou d'autres technologies l'énergie électriques est disponible. Mais, lorsque lesnuages, ou la nuit empêche cette exposition directe on ne peut plus compter sur la production despanneaux solaires. Il devient impératif de diriger une partie de l'énergie produite vers desaccumulateurs spécialisés, appelés également batteries solaires. La technologie de stockageélectrique continue sa progression. Les anciennes solutions où les batteries contenaient du plomb nesont pas adaptés à l'excitation électrique variable et parfois faible de l'énergie photovoltaïque. Lesaccumulateurs performants équipant des moteurs à explosion interne peuvent délivrer des courantsimportants, mais ce n'est pas la caractéristique recherchée pour les accumulateurs solaires.

On préfère une décharge lente à la disponibilité de forte puissance, pour des raisonsd'autonomie. C'est l'essentiel de l'utilisation de l'énergie électrique qui dépend de la capacité desbatteries à conserver une charge longtemps, et de restituer un courant continue pendant une périodeallant de quelques heures à plusieurs jours. La possibilité de tirer un courant fort de batteries auplomb fait courir le risque d'un manque d'autonomie dans la durée. Un autre avantage des batteriessolaires réside dans l'absence d'entretien et d'émission de gaz. La technologie de stockage dans legel présente l'avantage d'une décharge lente, sans émission et sans risque d'épanchement de liquide.

Bien sur, une autre caractéristique importante des systèmes de production autonomes résidedans le débit de cette production, et donc de la quantité d'énergie disponible, en voie d'être stockée.La plus grande surface photovoltaïque, combinée à des rendements élevés permet d'optimiser lesinstallations en terme de surface rapportée à la puissance générée. Le choix de panneaux de fortrendement se justifie lorsque la surface d'installation est réduite. Il faut également tenir compte de lacourse du soleil entre les montagnes si le site isolé est situé entre les flancs de montagnes ou sur uncoteau.

Dans le cas des systèmes autonomes et portables, la problématique est toute autre; il s'agit dedéfinir un compromis entre la puissance délivrée, la capacité de stockage, le poids et lestechnologies employées. Il est certes courant d'annoncer de grandes puissances dans les documentscommerciaux des valises à énergie propre, seulement une partie de ces annonces recouvrent laréalité. Comme dans le cas des puissances acoustiques, certains promoteurs des valises solairesmettent en avant la capacité de délivrer de l'énergie en affichant les stockage de l'énergie, mais pasla puissance de production des capteurs. Autre argument commercial, la taille de l'équipement estprésentée sans prendre en compte la surface réelle des panneaux solaires, mais seulement le volumecontenant les batteries. J'ai également vu des plaquettes de présentation pour des valises pesant plusde quinze kilogrammes, équipées de panneaux larges de type mural. Cette conjonction de facteursme permet de mettre en doute l'aspect portatif du système. Transporter d'une main une valise dequinze kilogrammes, pourvue de deux panneaux externes devient critique.

Le projet de valise à énergie propre que j'ai conçu tient compte des paramètres de poids, detaille, de quantité d'énergie et d'espace disponible pour ranger un ordinateur et plusieurs accessoiresliés à son utilisation. L'objectif principal est de pouvoir contenir la mini centrale solaire, la capacitéde stockage et l'appareil portable informatique qu'elle est amenée à alimenter. Cette conception n'estpas rencontrée dans l'éventail des produits autonomes similaires disponibles sur le marché.

8. Les contacts industriels

Le salon ENERGAÏA présentait des intérêts certains en terme de recherche de partenariat.J'ai pu rencontrer une dizaine de personnes liées aux énergies solaires ou aux activités connexes.Les expositions professionnelles sont des terrains propices aux contacts commerciaux, mais lespartenariats techniques ne sont pas très courants. J'ai pu organiser des rencontres tout le long de lajournée. Une organisation spécifique se charge de mettre en relation des partenaires éventuels. Cesrencontres s'effectue dans des bureaux sobres, situés dans un bâtiment d'exposition. Les discussionss'orientent vers le produit ou le marché, parfois sans rapport réel avec la personne rencontrée. Eneffet, la prise de contact est rapide, réalisée à travers le site internet Pro Energy. Certainsinterlocuteurs ont été sincèrement intéressés par le projet, mais il ne correspondait pas à leurdomaine industriel.

Les trois rencontres les plus riches ont eu lieu pendant la visite et les premiers rendez-vous.La discussion autour du concept portable et autonome a suscité la curiosité d'industriels turque, d'unentrepreneur sud africain et d'un expert photovoltaïque argentin. Je crois en effet qu'il faut avoir uneexpérience internationale pour comprendre l'utilité de la génération d'énergie par une valise àénergie propre.

Je continue à imaginer des solutions de partenariat avec des entreprises, cependant lescontacts montrent que les organisations chargées de lier les porteurs de projets aux chefsd'entreprise sont presque des freins. Ils se placent en conseil avant même d'avoir saisi le coeur duprojet. Pensant donner des conseils sur la conception du produit, ils tentent d'influencer leconcepteurs sans avoir eux-mêmes cerné la problématique.

La protection du projet par la signature d'accords de confidentialité permet d'aborderrapidement les aspect financiers et de participation technique.

9. Les tests

Depuis l'apparition des technologies solaires les concepts les plus prometteurs ont étéenvisagés. De la théorie à l'utilisation, les systèmes ne fournissent pas toujours les capacitésespérées. Les tests en situation réelle sont très intéressants pour connaître les performances despanneaux solaires et appareils connexes. De grandes surfaces solaires sont installées par lesfabricants de cellules afin de soumettre ces modules aux effets de la météorologie. La variation del'exposition au soleil pendant les saisons et durant la journée permet de constater les rendementseffectifs des installations.

Des accords particuliers sont parfois conclus pour des éléments placés en situation extrême.Par exemple des panneaux photovoltaïques placés sur le toit d'un fortin napoléonien à la frontièrefranco-italienne. Cet édifice militaire appartient à un acquéreur privé qui a conclu un accord avecEDF. Il s'agit de fournir de l'électricité à un Musée privé, celui-ci étant situé sur une haute collineprès d'une frontière alpine. Le but technologique est de tester la résistance des panneaux auxconditions de froid, de vent et mesurer leur rendement réel. Le fortin est situé au sommet d'unecolline, celle-ci étant entourée d'un arc montagneux. J'ai remarqué l'orientation des panneaux pourune exposition permanente d'une partie des cellules, ceci permet d'avoir une fourniture constanted'électricité durant la journée. La puissance maximale n'est probablement jamais atteinte car lacourse du soleil délaisse progressivement les panneaux orientés vers Est-Sud-Est. Deux panneauxverticaux offrent un peu d'énergie, mais les 90 degrés avec la surface terrestre augurent d'unemauvaise exposition permanente.

Pour la valise à énergie propre, j'ai choisi de tester les premiers circuits assemblés avec lespanneaux choisi parmi les modèles 12 volts 10 watt 0,88 A. Il s'agit de connaître les capacités deproduction d'un système léger et conçu pour une utilisation spécifique. La batterie choisie répond àdes exigences de légèreté et de puissance disponible pendant une dizaine d'heures. La profondeur dedécharge imposée par le régulateur de charge solaire permet de protéger cette batterie d'un vidagetotal de la charge électrique. On observe pour une batterie solaire que l'absence de contrôle de ladécharge réduit la durée de vie de l'accumulateur. Lors de décharges profondes répétées le matériauinterne perd des capacités de rétention de l'énergie, ainsi, la décharge totale peut réduire la duréed'utilisation. Une utilisation constante en décharge profonde a pour conséquence de porter cetteutilisation à 300 cycles. Une décharge contrôlée à 56% augmente le nombre jusqu'à 800 cycles. Ladurée de vie est donc proportionnelle à la profondeur de décharge programmée et à l'intensité desollicitation des batteries.

Les tests en milieu urbain de la valise permettent de constater une charge de la batterie en10h30 lorsque l'ensoleillement d'hiver est fort. L'exposition de test était est-sud-est le matin, avecpivotement vers le sud puis vers ouest-sud-ouest. La valise solaire est conçue pour une utilisationpersonnel, il est donc supposé que l'utilisateur se trouve en permanence aux alentours. Cetteproximité explique que les tests comportent une modification de l'orientation des panneaux àmesure que le soleil se déplace dans le ciel. L'inclinaison choisi est également adaptée au solsticed'hiver soit proche des 40 à 50 degrés. Ce n'est pas la chaleur solaire reçue qui compte, maisl'intensité de photons traversant les cellules photovoltaïques. Il ne faut pas confondre l'intensitéélectrique et l'intensité théorique d'exposition régionale. L'intensité électrique est calculée oumesurée sur le système, c'est une énergie produite. L'intensité d'exposition solaire dépend de lalatitude du lieu d'utilisation du système. Pour un système complet conçu pour une forte expositionsolaire de la région de Nice, correspondrait un rendement plus faible malgré une orientation sud enrégion normande. De plus, la courbe moyenne d'exposition solaire n'est pas réellement exploitable.A chaque site d'exploitation, ou chaque position géographique correspond des valeurs optimalesd'exposition. Cette exposition varie selon la période de l'année, plus faible en hiver qu'en été. Ellebaisse à mesure que l'on se déplace vers un pôle. Les pôles ont une particularité défavorable, ilsimpliquent une orientation verticale des panneaux solaires et reçoivent des rayons solairestangentiels à l'horizon. Ceci a pour conséquence de recevoir des rayons ayant traversé une longuedistance de couches atmosphériques. Des panneaux placés sur la latitude de l'équateur reçoivent aucontraire des rayonnements directs ayant traversé perpendiculairement la couche d'ozone, donc uneplus courte distance. La conséquence de la traversé d'une longue distance dans les couchesatmosphérique est une perte d'énergie solaire par diffraction. Une partie du spectre est donc déviéepour se diriger vers un autre azimut ou une autre altitude. Dans le cas de matériel portatif,l'orientation est rapidement corrigée et nécessité une attention chaque heure, mais un délai plus longn'a qu'un faible incidence sur le rendement. En effet, j'ai constaté une tolérance d'orientation enazimut d'environ +/- 15 degrés, quand l'inclinaison peut accepter une variation de +/- 10 degrés.Cela signifie concrètement que la course du soleil peut être anticipée de quasiment 30 degrés sansgrande variation de l'intensité électrique produite par le système. Cette tolérance n'est évidemmentpas la même pour les panneaux fixes, intégrés en toiture ou fixes sur des terrasses. C'est alors lacourse du soleil qui fait varier l'intensité d'électricité produite car c'est l'élément mobile, le reste dusystème étant solidement arrimé.

Une autre variable importante pour le rendement de production électrique concerne latempérature de fonctionnement des panneaux photovoltaïques. Les fabricant indiquent des seuilsau-delà desquels le rendement chute sensiblement. Pour les ensembles fixés à des structuresimmobilière, l'étude des échauffement permet de constater une baisse d'énergie produite alors que lesoleil éclaire les capteurs lus intensément. Si l'on a tendance à penser d'une forte exposition en étépermet de produite une intensité plus forte, la réalité des conditions de fonctionnement desmatériaux indiquent l'inverse.

10. L'augmentation des capacités.

Les systèmes apparus il y a vingt ou trente ans produisaient assez peu d'énergie électrique encomparaison des rendements atteint actuellement. L'évolution de la technologie des cellules ausilicium et l'apparition de nouvelles variétés de composants photosensibles a permis de multiplier lepouvoir de génération électrique. Autre facteur dans le calcul des rendements, la découpe et ladisposition de chaque cellule joue un rôle important dans l'occupation de la surface. Les rendementssont calculés en fonction de la surface d'ouverture du capteur, c'est-à-dire l'espace disponible àl'intérieur du cadre. Lorsque l'on dispose des cellules rondes, provenant de l'ancien mode de coulagedu silicium, on perd une partie de la surface d'ouverture. La méthode de coulage du silicium ayantévoluée, on vis apparaître des cellules octogonales, puis carrées ou trapézoïdales. La surfaced'ouverture mieux couverte, le capteur peut ainsi produire davantage d'énergie, ce qui augmented'autant le rendement global du capteur.

Concernant les batteries solaires, les capacités n'ont pas été décuplées, mais les différentsmatériaux capables de conserver la différence de potentiel, et de délivrer des intensités utilisablesquotidiennement rendent possible une adaptation aux différentes situations rencontrées. Desaccumulateurs de grande capacité sont présent dans des phares maritimes, ils ont été donné à desfamilles mexicaines quand ces installations ont été rénovées. Des batteries Lithium-Ion sontmaintenant dimensionnées pour l'usage des voitures électriques et sont en mesure emmagasinersuffisamment d'énergie pour parcourir plus de cent kilomètres. Les technologies de conservation dela chaleur sont également une solution pour la production électrique, décalée du moment où lespanneaux sont exposés au soleil. Le principe de base est de stocker une chaleur produite dans unemasse de sel ou de roche. Il est également possible de stocker cette énergie produite sous forme deréservoir d'eau décalé en altitude. Il s'agit alors de pomper de l'eau vers une altitude supérieure, puisde reprendre cette énergie par déversement. Une autre possibilité de stockage consiste à monter enpression un réservoir ayant une forme de piston. Cette pression constante est ensuite utilisée aumoment opportun.

Dans le cas d'un système portable le poids est un élément central. Si le système est conçutrop léger, il ne permet pas de couvrir une augmentation d'autonomie. Mais, si l'on vise uneautonomie conséquente, on risque de créer un objet très lourd, quasiment intransportable. Il y a unedifférence importante entre la conception d'installation solaire pour un site isolé et celle deconcevoir une valise à énergie propre. Le site isolé est généralement conçu pour produire et stockersuffisamment d'énergie électrique en cas de manque d'ensoleillement pendant trois jours. Cettestratégie d'autonomie implique une quantité de batteries proportionnelle à la puissance requise parles appareils électriques du réseau local. J'ai observé que les utilisateurs en site isolé avaientcommenté leur installation en disant que savoir ce que l'on produit est important, et savoir gérerl'énergie stockée est primordial. Un couple d'Arizona a ainsi changé ses habitudes de consommationde l'énergie après avoir fait évolué l'installation solaire de leur habitation. Leur règle de lavage desverres a changé, ils ne rincent plus constamment les récipients mais privilégient un lavage groupéen fin de journée. Ainsi l'énergie stockée dans le banc de batterie est disponible toute la journéepour la climatisation. La période estivale est très consommatrice d'électricité dans le désertd'Arizona.

Comme l'affirment les inventeurs du scénario Négawatt, l'énergie la plus importante est celleque l'on ne consomme pas. Il est plus facile d'apprendre à gérer la consommation que de répandreles nouvelles technologies de production d'énergie. Les piliers de la gestion de l'énergie seraientdonc la sobriété, efficacité énergétique et énergies renouvelables.

11. Les développements possibles et imaginables.

On peut imaginer un développement du concept de génération d'énergie électrique par mini-stations mobiles. La possession d'outils de communication mobile étant devenue une constante dansle comportement des consommateurs, il faut envisager que la génération d'énergie propre sera d'unintérêt croissant pour les générations actuelles et à venir. C'est un fait constaté par les restaurantsrapides des USA, les consommateurs qui s'assoient dans leurs établissements sont nombreux àutiliser le réseau WIFI pendant qu'ils mangent. Il n'est pas rare que des utilisateurs soient connectésà internet pendant le repas, contactant ainsi leur famille, leurs amis de réseaux sociaux ou relationsprofessionnelles. La possibilité de capter le réseau sans fil en dehors des bâtiments, sur les parkingsou en terrasse laisse présager la nécessité de la présence d'énergie. Activité en zones hors réseauélectrique ou future solution autonome pour des utilisateurs avertis, la génération d'électricité parvalise à énergie propre me semble une branche industrielle à développer. Jusqu'à maintenant leshabitants de pays industrialisés ont fait confiance à la Nation pour l'approvisionnement énergétiquemassif. On peut penser qu'en parallèle du développement des énergies renouvelables, les solutionsoffertes directement aux consommateurs puissent remporter un franc succès.

Sur l'exemple d'un schéma simple de connexion de régulateur de tension solaire, il estpossible de décliner les systèmes pour des tensions et puissances diverses.

Loin de présenter le schéma idéal et standardisé d'un circuit de puissance photovoltaïque,cette illustration permet d'identifier les trois éléments périphériques du régulateur de tension. Celui-ci a pour rôle de contrôler et adapter la différence de potentiel délivrée par les panneaux solairesafin que celle-ci corresponde à la tension de charge des batteries. En effet, une tentative de chargede batteries avec une tension trop faible ne peut pas aboutir. La tension de charge minimale estdéfinie par le type de technologie utilisée pour le stockage de l'énergie électrique. Cette valeur estsituée autour de 14,4 volts pour les batteries solaires, elle est également appelée tension de valence.La notion se rapporte à la quantité d'énergie nécessaire pour faire passer un électron d'unelocalisation atomique à sa libération pour la création d'énergie électrique. En circulant depuisl'anode du circuit vers la cathode, les électrons génèrent l'intensité du courant. Il s'agit d'un débitélectronique. La tension est elle potentiellement disponible en fonction de la quantité théoriqued'électrons et leur valeur en tant que particule négative. C'est donc une notion de réservecomparable à la réserve d'un barrage hydraulique; tout la puissance est potentiellement présentemais le dimensionnement des conduites hydrauliques définiront le débit utilisé. Le bondimensionnement d'un circuit électrique dépend de l'analyse des besoins énergétique du-dit circuit.

12. Exploration solaire internationale

La recherche dans le domaine solaire est envisageable depuis tout les points du globepuisque tout les territoires sont baignés de soleil pendant ce qui est appelé le jour. La nuit estégalement présente car l'illumination par le soleil n'a lieu que sur une partie de la planète, pendantune durée variable et progressive. La durée d'exposition solaire est conséquente à l'inclinaison de laterre par rapport à son axe, à la vitesse de rotation par rapport à son centre et le parcours elliptiquedu soleil. Cette conjonction de déplacement, de position et rotation produit les saisons, les duréesvariables des jours et des nuits. Cette instabilité ne permet pas de positionner des panneaux sansprendre le temps d'une étude. La course du soleil, résultante visible de cette conjonction spaciale estprévisible mais progressive d'un solstice à l'autre. Les solstices sont les moments de l'année pendantlesquels le soleil se trouve au plus haut de sa course la plus au nord du globe, puis au plus bas, auplus au sud du globe.

Cette explication permet d'introduire l'intérêt de l'exploration des systèmes installés par leshabitants et entreprises de différents pays. Chaque zone géographique correspond à une incidencespécifique du soleil. L'incidence est mesurée facilement par la variation de la position du soleil aulong de la journée. On définit l'inclinaison de capteurs solaires par rapport à la configurationsouhaité et surtout aux périodes pendant lesquelles on espère des rendements cohérents avec lesconsommations. Les types de systèmes et d'utilisations sont tellement nombreux et spécifiquesqu'un inventaire serait forcément incomplet. Si l'on peut séparer deux groupes principauxd'applications solaires, le thermique et le photovoltaïque, on oubli fréquemment que le vent estégalement créé par des phénomènes solaires de variation de température, ainsi que les déplacementsde vagues sur les océans. L'ensemble des phénomènes liés aux effets du soleil peut donner lieu àune exploitation en vue de production énergétique.

Afin de connaître les réalités de l'énergie solaire, je pense que la rencontre des utilisateursapporte des réponses concrète et directement vérifiables aux théories de l'inclinaison, auxrendements espérés et aux capacités d'autonomie mesurées. L'adaptation précise de l'énergie solaireà un usage spécifique bien connu apporte une satisfaction en terme de qualité alors que le surdimensionnement, les erreurs de calculs ou d'inclinaison apportent leur lot de désagréments.Comme de nombreux sauts technologiques, la nouveauté et l'accès facile au matériel présente unrisque d'opportunisme. Des familles ont été victimes de personnes très intéressées par les bénéficesimmédiats, laissant ainsi des traces indélébiles dans des régions pourtant propices, car disposantd'un bon potentiel d'exposition solaire annuel.

Au terme d'une courte étude je peux conclure que les utilisateurs d'énergies solairesressentent différentes satisfactions: l'utilisation d'énergie propre, une meilleure gestion de leurconsommation et une participation à la protection de l'environnement. L'aspect d'investissementfinancier n'est pas absent dans le choix des familles, il est tout de même prépondérant pour lesprojets d'Entreprise plus ambitieux.