une étude de Thomas Michel

Description du matériel électrique embarqué et calcul des besoins énergétiques

Bien que Patagonia 2009 soit avant tout une aventure personnelle, nos deux marins ont décidé de nous faire partager quelques instants de leur périple en embarquant à bord une caméra numérique ainsi qu’un PDA, un téléphone satellite et un appareil photo numérique.

Par ailleurs, la sécurité étant leur principal souci, Inti et Alexandre auront chacun dans leurs soutes un GPS portatif et une VHF marine.

Le choix de ces équipements n’est pas encore arrêté néanmoins nous pouvons nous baser sur les caractéristiques électriques suivantes pour chacun d’eux :

·        Caméra numérique (CANON HV10):
7,4 V   1300 mAh       9,6 Wh            500g

o       Autonomie batterie = 45 minutes en enregistrement

·        Appareil photo numérique :                   
3,7 V   1000 mAh       3,7 Wh            200g

o       Autonomie batterie = 200 photos environ

·        PDA (HC TyTn) :
3,7 V   1350 mAh       5 Wh               200g

o       Autonomie en fonctionnement = 3 heures environ

·        GPS portatif (ForeTrex 201) :
5 V      100 mAh         0,5 Wh            100g

o       Autonomie en fonctionnement : 10 heures environ

·        VHF marine x 2 :
12 V    1000 mAh       12 Wh             300g

o       Consommation max en fonctionnement 2A, puissance d’émission de 1 à 5 Watts

o       Autonomie en fonctionnement : 1 heure environ

·        Téléphone satellite :
6 V      2230 mAh       13,4 Wh          375g

o       Lithium Ion, consommation max en fonctionnement 850mA

o       Autonomie en fonctionnement : 2,5 heures environ

Les temps d’utilisation quotidien estimés pour chacun de ces appareils sont :

·        Caméra numérique: 10 minutes soit 100% de la capacité batterie = 2,2 Wh

·        Appareil photo numérique: 20 minutes soit 20% de la capacité batterie = 0,25 Wh

·        PDA: 1 heure soit 35% de la capacité batterie = 0,45 Wh

·        GPS: 60 minutes soit 10% de la capacité batterie = 0,05 Wh

·        VHF: 10 minutes soit 30% de la capacité batterie = 1,8 Wh

·        Téléphone satellite: 5 minutes soit 6% de la capacité batterie = 0,45 Wh

La totalité des besoins énergétiques quotidiens est donc de : 5,2 Wh. Toutefois, cette estimation est basée sur une estimation des besoins quotidiens normaux et ne prend pas en compte des situations d’urgence.

De plus il convient de prendre en compte le fait que tous les jours ne seront pas propices à la production d’énergie et qu’une réserve sera nécessaire pour garantir l’utilisation des appareils. De la même façon il convient de prendre en compte la décharge « naturelle » des batteries (hors utilisation), surtout dans les conditions extrêmes de l’expédition.

Cette estimation quotidienne devra donc être surestimée au moment du choix des batteries.

En outre, il est évident que Inti et Alexandre devront gérer leur consommation électrique quotidienne en fonction de leurs réserves énergétiques, et que la priorité devra être mise sur le matériel de sécurité, et notamment le GPS, la VHF et le téléphone satellite, ce qui, en utilisation normale correspond à 2,3 Wh, ce qui laisse une marge non négligeable d’utilisation en cas d’urgence.

De cette première estimation du matériel électronique embarqué, nous retenons un ordre de grandeur de quantité d’énergie auquel nous devons appliquer un coefficient de sécurité.

Compte tenu des aléas de production et de la rigueur du climat, nous appliquons un facteur 3 aux estimations de consommation, soit : 16 Wh pour une utilisation quotidienne normale des appareils, et 7 Wh pour une utilisation quotidienne des seuls équipements de sécurité.

Les autres informations pertinentes obtenues à partir de l’analyse des équipements électriques sont :

·        Le poids total embarqué des équipements : 1,7 kg environ

·        La tension maximale à atteindre pour le fonctionnement de tous les appareils : 12 V imposée par la VHF marine (comme nous le verrons par la suite cette information est particulièrement importante puisqu’elle conditionne le niveau de tension du dispositif de production)

Les contraintes imposées pour le dispositif de production d’énergie sont les suivantes :

·        Encombrement réduit pour ne pas amputer le faible volume disponible à bord des kayaks ;

·        Poids réduit pour ne pas ralentir l’avancée des bateaux, notamment dans les phases de portage (4kg maximum tout compris) ;

·        Simplicité d’utilisation et rapidité de mise en œuvre ;

·        Robustesse et étanchéité pour faire face aux conditions climatiques.

Pour cette gamme de puissance et les besoins énergétiques estimés la seule solution commerciale adaptée est l’utilisation de panneaux solaires de faible puissance. Malheureusement, le peu d’ensoleillement en Patagonie rend cette solution très aléatoire et, si elle permet d’assurer une production énergétique minimale pour alimenter les équipements de sécurité, elle ne permet toutefois pas de couvrir tous les besoins pour la réalisation d’images.

L’éolien, bien que beaucoup plus adapté aux conditions météorologiques, présente l’inconvénient d’être lourd, encombrant, sensible aux intempéries et plus difficile à mettre en œuvre que le photovoltaïque.

Nos recherches sur le sujet nous ont amené à considérer différentes solutions dont nous présentons ci-après les détails techniques et les raisons pour lesquelles elles ont été écartées.

La solution Photovoltaïque – POWERFILM R15

Pour sa facilité d’utilisation et sa mise en œuvre simplifiée, le photovoltaïque apparaît comme la solution la plus simple. Les tailles idéales des PowerFilm 10 et 20 W permettent même d’installer le panneau à plat sur le Kayak (voir figure ci-dessous) et de profiter des temps de navigation pour recharger les batteries des différents appareils.

Toutefois, des tests en laboratoire ont permis de mettre en évidence l’extrême sensibilité de ce mode de production à l’ensoleillement :

·        Il suffit de quelques nuages pour que le rayonnement solaire reçu par le panneau diminue de façon importante. La production se trouve alors fortement affectée et chute à quelques pourcents de la puissance nominale annoncée. Les temps de charge annoncés augmentent alors de façon conséquente.

·        L’inclinaison du panneau solaire doit être optimale afin que chacun des modules photovoltaïques (modules montés en série) constituant le panneau soit en mesure de présenter une tension convenable à ses bornes. Si l’installation du panneau sur le kayak est telle que la tension totale est inférieure à 13,5 Volts (tension de floating de la batterie), alors le panneau n’est plus en mesure de charger la batterie, même pour des conditions d’ensoleillement satisfaisantes.

En conclusion, la valeur de puissance produite quotidienne annoncée par le constructeur (i.e. 30-40Wh) n’est valable que pour une belle journée d’ensoleillement, pour une moyenne de 8 heures d’exposition, et une installation optimisée du panneau solaire.

Des simulations réalisées à partir du logiciel RETSCREEN, disposant d’une importante base de données des conditions d’ensoleillement à Punta Arenas, confirment nos craintes (voir tableau ci-dessous).

Remarque : les valeurs d’ensoleillement ci-dessous sont des valeurs estimées ramenées sur le plan horizontal en ensoleillement direct (pas d’obstacle géographique entre le point de mesure et le soleil).

Les quantités d’énergie produites indiquées dans le tableau correspondent à des maximums théoriques : panneaux installés sur un plan horizontal, à poste fixe (24h par jour), sans obstruction géographique entre le panneau et le soleil. Or il est évident que Inti et Alexandre ne pourront pas se conformer à de telles contraintes de production :

·        La navigation entreprise sillonne les fjords formés par de véritables montagnes. La position du soleil en hiver sera la plus défavorable et l’ombre projetée par les montagnes empêchera la production d’énergie.

·        La fixation sur les kayaks ne pourra jamais être parfaitement horizontale. Le panneau solaire posé sur les sacs étanches maintenu sur le pont sera forcement ondulé et présentera une surface moindre au rayonnement solaire.

·        Les panneaux ne seront pas installés à poste fixe sur les kayaks et seront régulièrement démontés (risque d’usure prématurée), ce qui diminuera d’autant les heures de production d’énergie.

Il est bien entendu impossible de calculer un facteur de déclassement des panneaux photovoltaïques compte tenu des contraintes mentionnées ci-dessous. Toutefois il parait légitime d’appliquer un facteur de 1/3 aux maximums théoriques de production.

On constate alors (voir tableau ci-dessus) que, dans le pire des cas (mois de juin), l’utilisation du seul panneau de 10 watts crêtes (type R15-600) nécessite plus de 8 heures de charge pour satisfaire aux besoins quotidiens en utilisation normale (sécurité + image).

En théorie cette solution semble donc acceptable bien que présentant de nombreux aléas (marge de sécurité faible) notamment en cas de période prolongée de mauvais temps.

La solution Eolienne

La solution de l’éolien est la plus fiable en termes de production. Le climat patagon est connu pour ses vents violents et la production d’électricité est donc garantie. Les puissances mises en jeu sont plus importantes que pour le photovoltaïque et la production peut avoir lieu la nuit (en aucun cas nous n’envisageons, pour des raisons de sécurité, de fixer une éolienne sur un kayak en navigation : risque de casse du kayak en cas de retournement, impossibilité d’eskimautage, etc.).

AMTB 500 Eolienne à axe vertical

Pour une puissance maximale de 19W / 1,6A sous une tension de 12 Volts à 40 nœuds de vent, et un poids total de 3,65kg, l’AMTB 500 se présente comme une solution à sérieusement prendre en compte pour le projet Patagonia2009.

L’alternateur à faible inertie de ce type d’éolienne permet de garantir la production d’électricité quelles que soient les conditions de vent.

Les conditions moyennes de vent à Punta Arenas se situent autour de 8m/s ce qui garantit une production d’électricité de l’ordre de 500mA sous 12V, soit une puissance de 6W. Dans ces conditions il faut 3 heures de charge pour un équivalent de 18Wh (soit une utilisation quotidienne sécurité + image complète), et 1 heure pour disposer de 6Wh ce qui correspond à l’utilisation quotidienne du matériel de sécurité.

Bien que relativement légère cette solution présente l’inconvénient de l’encombrement et de la fragilité.

RUTLAND 504 – Eolienne à axe horizontal

La RULAND 504 possède elle aussi les caractéristiques adaptées aux contraintes du voyage.

Avec un poids net de 3,5 kg, et un poids total (incluant le mât) de 6 kg, pour une puissance disponible de 6 Watts pour 10 nœuds de vent (25 Watts pour 10 nœuds), les besoins énergétiques sont largement couverts.

Les inconvénients principaux sont le prix (650 Euros environ), le poids, que l’on peut estimer à 6 kg environ, une fois supprimé tous les accessoires mais en y associant une batterie, et l’encombrement (les pâles sont tenues par un arceau circulaire de 51 cm de diamètre ne pouvant être démonté).

EOLIENNE MAISON

Ne trouvant pas sur le marché de produit adapté, nous avons donc pris le parti de construire une éolienne « maison » à partir d’un moteur continu à aimant permanent acheté d’occasion dans le commerce, et de fabriquer des pâles en contreplaqué marine.

Les pâles de l’éolienne sont directement prises sur l’arbre moteur en sortie de réducteur. Pour des raisons de poids et d’encombrement, nous avons pris le parti de ne pas installer de régulateur permettant de fixer ni de limiter la vitesse de rotation de l’éolienne, ce qui présente l’inconvénient de proposer une tension continue de sortie variable proportionnellement à la vitesse du vent.

Une solution intermédiaire serait de placer en amont de la batterie à charger un régulateur de charge pour limiter les surtensions et préserver la batterie.

Les tests réalisés mettent en évidence une déficience des pâles par rapport à la puissance du moteur. En effet ce n’est que par 20 nœuds de vent que l’éolienne a commencé à tourner à vide. Et ce n’est qu’à partir de 25 nœuds de vent que la vitesse de rotation était proche de 1 tour/seconde à vide.

D’après les caractéristiques moteur, la tension de sortie pour une vitesse de rotation de 1 tour/seconde est de 12V. Pour recharger des batteries il convient donc de tourner plus vite pour disposer d’une tension aux bornes plus importante.

Remarque : un projet de rajout de deux pâles est prévu pour monter l’éolienne maison sur un voilier : le Super Arlequin de Yann Rochas, « Marvin ».

A la différence des éoliennes que l’on trouve dans le commerce dont les alternateurs sont spécifiquement conçus pour tourner à des vitesses moyennes (quelques tours par seconde), les moteurs à courant continu que l’on trouve dans le commerce (moteur de modélisme, moteur d’outillage à main, etc.) sont conçus pour tourner à des vitesses importantes (3000 tours par minute ou plus) et sont donc systématiquement associés à des réducteurs qui impactent fortement le rendement de l’ensemble et ajoute une inertie importante sur l’arbre moteur qui se traduit par une mise en rotation difficile de l’ensemble.

D’autres solutions d’éolienne maison ont été envisagées, notamment à partir d’un moteur de visseuse. Ces petits moteurs présentent l’avantage d’être des moteurs à courant continu et ne nécessitent donc pas de dispositif de redressement du courant produit, et sont conçus pour travailler sous de fortes contraintes ce qui garantit leur longévité en production.

Le défaut majeur de cette solution est la vitesse de rotation. Bien qu’associé à une boite de vitesse (de type planétaire), il faut entraîner le mandrin à une vitesse de rotation proche de 10 tours par seconde pour obtenir une tension supérieure à 12 V aux bornes.

Nous pourrions imaginer tourner moins vite pour disposer d’une tension plus faible, mais dans ce cas des montages batteries spécifiques (voir chapitre suivant) s’avèrent nécessaires pour bénéficier de tous les niveaux de tensions adaptés aux différents appareils électroniques.

La technique consiste alors à recharger des accumulateurs en basse tension (2 V) en montage parallèle puis de passer à des montages séries pour obtenir les niveaux de tension désirés.

Bien que confortable en termes de poids, cette solution nécessite beaucoup de manipulations et pose le problème du type des connections, sachant par ailleurs que toute fausse manipulation engendrera la destruction (mise en court circuit) des éléments.

Quel choix de Batteries ?

Le choix des batteries est essentiel pour satisfaire au besoin exprimé par Inti et Alexandre. L’analyse des équipements électriques embarqués nous permet de déduire les contraintes suivantes :

·        Plusieurs niveaux de tension sont nécessaires au fonctionnement des différents appareils électroniques, avec un maximum de 12 Volts pour la VHF.

·        La capacité totale des batteries doit être au moins égale à 17Wh. Pour des raisons de sécurité il convient de prendre une marge de sécurité généreuse par rapport à ce chiffre et nous tablerons donc sur un minimum de 50Wh.

Batteries pour le Photovoltaïque

En ce qui concerne le photovoltaïque, le choix des batteries ne pose pas de problème particulier. La tension en sortie des panneaux solaires est adaptée à la charge de batteries 12V.

Il est ensuite aisé de mettre en place un montage spécifique permettant de proposer différents niveaux de tension adaptés à chacun des appareils électroniques.

Une solution commerciale est proposée par TEKKEON avec le modèle MP3450. Cette batterie Lithium-Polymère de 50Wh, dont le poids est de 450g, permet de disposer de niveaux de tension répartis de 5 à 19V, pour un courant max de décharge de 3000mAh.

Un commutateur situé sur le dessus du boîtier permet de sélectionner le niveau de tension, et plusieurs connecteurs sont disponibles en face avant pour raccorder les équipements.

Batteries pour l’Eolien

Comme nous l’avons vu dans le chapitre précédent, charger des batteries à des niveaux de tension élevés (12 Volts) nécessite d’utiliser des moteurs relativement lourds tournant à des vitesse de rotation faible (entre 1 et 10 tours par seconde), ou des moteurs plus légers mais à des vitesses de rotation plus importantes.

Malheureusement la plupart des technologies accessibles sur le marché n’offrent pas de possibilités pour retenir cette seconde option, et, bien que le poids soit un critère strict imposé, nous nous voyons contraint de retenir la première option (éolienne de type AMTB500 ou RUTLAND 504).

Dans ce cas le choix des batteries est le même que pour l’éolien et la solution apportée par TEKKEON est parfaitement adaptée.

Batteries Cyclon

Parmi les batteries professionnelles du marché l’une des plus performantes est la CYCLON (ENERSYS). Ces batteries au plomb offrent une capacité de 2500mAh pour une tension de 2V et un poids de 180g.

(Prix des batteries : 11€ environ sur http://www.mdsbattery.com.fr/shop/productprofile.asp?ProductGroupID=1224)

Les seuls équipements en 12 V étant les VHF marines, il convient de disposer d’au moins 8 éléments (16V) pour atteindre la tension de charge (tension de floatting) de la batterie des VHF.

Le poids total embarqué des batteries serait alors de 1,44 kg pour une quantité d’énergie totale embarquée à pleine charge de 40 Wh, ce qui représente le double de notre estimation de consommation quotidienne.

Conclusion

Nous n’avons pas trouvé dans le commerce de produit qui réponde parfaitement aux besoins exprimés par Inti et Alexandre. La gamme de puissance ainsi que la quantité d’énergie à produire ne fait référence qu’à un nombre limité de dispositifs de production d’énergie renouvelable. Le photovoltaïque pourrait constituer la solution idéale en termes de poids, d’encombrement et de facilité de mise en oeuvre, mais la production dépend des aléas de l’ensoleillement hivernal patagon, et c’est à regret que nous nous tournons vers l’éolien, plus fragile, plus lourd et plus encombrant, mais permettant une production énergétique beaucoup plus fiable, ce qui est essentiel pour assurer la sécurité d’une telle expédition.

Pour des raisons de simplicité, l’éolienne à axe verticale ATMB500 a été retenue (et j’en profite pour remercier ATMB de leur soutien au projet Patagonia2009). Inti et Alexandre partiront chacun avec une batterie TEKKEON MP3450 qui leur permettra, grâce au sélecteur de tension, de recharger toutes les batteries des appareils embarqués.

Suite à l’expédition Patagonia2009, l’éolienne ATMB500 sera installée sur « Les Lorientaises », voilier récemment entré en la possession commune de Jean et Thomas.

ANNEXE

PHOTOVOLTAÏQUE – Puissance crête / Puissance maximale produite

Afin de permettre une uniformisation des définitions concernant les différentes puissances mises en jeu dans le domaine de la production d’électricité photovoltaïque, les panneaux solaires du commerce se définissent par leurs puissances crêtes (i.e. 10 Watts crêtes pour le POWERFILM 15-600).

Par convention les modules photovoltaïques sont caractérisés pour une irradiation de 1kW/m² avec un spectre solaire de type AM1.5, une température de 25°C et une vitesse de vent de 1m/s.

La valeur type d’irradiation adoptée tient sa justification du fait que le rayonnement maximal extraterrestre sur surface horizontale (sans atténuation par l’atmosphère) est de l’ordre de 1400 W/m². Au niveau de la surface de la terre la valeur de rayonnement est donc inférieure à cette limite. Afin de simplifier les calculs la valeur de 1000 W/m² a été retenue comme valeur type d’irradiation en conditions optimales.

Pour calculer la puissance maximale électrique produite par un panneau solaire, à partir de la puissance crête, il convient de relativiser les conditions réelles d’exploitation aux conditions de caractérisation des modules photovoltaïques. Il est évident que si ces deux conditions sont équivalentes, alors le panneau solaire produira à la puissance crête indiquée.

Le critère de comparaison des conditions est le « nombre d’heures équivalent à pleine puissance ». Ce critère dépend du nombre d’heures d’exploitation et de l’ensoleillement mesuré à l’endroit où le panneau solaire est installé. Cette information peut être soit calculée soit définie à partir d’abaques (de nombreux sites Internet mettent à disposition ces informations, notamment : http://ines.solaire.free.fr/).

Sur l’île de la Réunion par exemple, le nombre d’heures équivalent à pleine puissance est de 1300 heures pour un total d’heures d’exploitation de 8760 heures pour une année complète. Dans ce cas la puissance maximale de production d’électricité est égale à la puissance crête multipliée par le ratio défini ci-dessus.

Afin d’obtenir la quantité réelle d’énergie produite il faut ensuite appliquer un coefficient de rendement permettant de rendre compte de l’inclinaison du panneau par rapport à l’irradiation solaire, ainsi que tous les coefficients de rendement correspondant aux étapes de distribution et de stockage de l’énergie.