Contruisez votre PC solaire – Deuxième partie

Introduction

Le premier article de notre série sur le PC solaire revenait sur les bases de l’énergie solaire. Dans cette deuxième partie, nous allons choisir les composants de notre PC, qui doivent consommer le moins d’électricité possible. Afin de les sélectionner, notre laboratoire de Munich a effectué de nombreux tests, pour aboutir en fin de compte à un record du monde dans le domaine des PC de bureau. La troisième partie de cette série d’articles contiendra des instructions illustrées étape par étape, pour que vous puissiez construire votre propre PC solaire.

Le PC que nous allons construire au cours de cet article ne nécessite que 61 watts au repos, moniteur compris : c’est un record du monde ! Et pourtant, l’AMD Athlon X2 BE-2350 double cœur offre une grande puissance de calcul. Nous avons sélectionné tous les composants pour leur faible consommation électrique. Ils ont été testés méticuleusement pour grappiller le moindre demi-watt, afin que l’ordinateur puisse fonctionner le plus longtemps possible, même en l’absence d’ensoleillement.

Bien qu’il ne consomme que 61 watts, notre PC solaire contient exclusivement des composants normaux d’ordinateur de bureau. Bien sûr, nous aurions pu utiliser un PC portable, qui dispose déjà d’un moniteur et d’une batterie, et qui fonctionne sur une tension de 16 ou 20 volts. Mais pour nous, la question était celle de la faisabilité technique : nous voulions relever le défi de faire fonctionner un PC de bureau uniquement grâce à l’énergie solaire, sans recours au réseau électrique. L’ordinateur que nous avons conçu n’est pas dépendant du lieu où il se trouve. On peut l’utiliser partout où le soleil brille ! Bien sûr, la taille des panneaux solaires et le poids total de l’installation font que personne ne risque de la transporter dans son sac à dos. Il faut plutôt voir notre PC solaire comme un projet de recherche, et comme source d’inspiration pour des installations à venir. Comme à notre habitude, cette série d’articles sera très détaillée, de manière à ce que les plus courageux d’entre vous puissent construire leur propre installation.

Une question de tension : 16 ou 220 volts ?

Pour pouvoir alimenter un ordinateur avec de l’énergie solaire, la tension et le type de l’alimentation utilisée jouent un rôle décisif. Un panneau solaire classique produit une tension électrique de 16 volts.

Il y a donc deux manières de raccorder l’ordinateur aux panneaux solaires, et chacune des deux méthodes présente des avantages et des inconvénients.

220 volts : des pertes trop importantes

En choisissant une tension de 220 volts, on peut utiliser des composants standards peu chers. Dans ce cas, un onduleur serait utilisé pour convertir les 16 volts continus des panneaux solaires en 220 volts alternatifs. L’ordinateur pourrait être raccordé en utilisant une alimentation standard.

En observant cette configuration, on comprend vite qu’il est un peu absurde de convertir la tension de sortie des cellules solaires, puis que l’alimentation la convertisse à nouveau pour retrouver des valeurs similaires à celles de départ. En fin de compte, entre les panneaux solaires et le PC, près de 25% de l’énergie serait transformée en chaleur, et donc perdue par les conversions successives de la tension.

16 volts : besoin d’une alimentation spéciale

Il est clairement plus efficace de conserver la tension de 16 volts. Mais une alimentation spéciale est alors nécessaire.

En raccordant directement le PC à la tension des panneaux solaires, nous n’avons pas besoin d’utiliser de transformateur de tension, et les pertes deviennent très faibles. Pourtant, utiliser directement du courant en 16 volts présente un inconvénient : la transmission de l’énergie des panneaux solaires vers le PC provoque des pertes étonnamment élevées dans les câbles : en fait, la tension étant faible, l’intensité monte en flèche. Nous savions qu’il était tout de même possible de remédier à ce problème, et nous avons donc décidé d’utiliser une alimentation en 16 volts. Vous trouverez des informations plus détaillées sur la construction du système d’alimentation du PC, ainsi que sur les panneaux solaires et les batteries que nous avons utilisés dans le troisième article de cette série.

Récupérer 16 volts des panneaux solaires

Nous utiliserons donc une alimentation directe depuis les panneaux solaires, pour pouvoir transmettre une tension de 16 volts au PC. Selon l’ensoleillement, les cellules solaires produisent une tension comprise en 12 et 20 volts. Notre alimentation, la M2-ATX d’Ituner, est capable de travailler avec des tensions d’entrée comprises entre 6 et 28 volts.

Comme il s’agit d’une alimentation à basse tension, la version la plus puissante proposée par le constructeur est limitée à 160 watts. La tension d’entrée de l’alimentation est très proche de la tension de sortie dont nous avons besoin. Cette faible différence de tension permet à notre alimentation d’avoir un rendement très élevé, par rapport à une alimentation standard en 220 volts. Tant mieux, car elle devra alimenter non seulement la carte mère, mais aussi tous les autres composants de notre machine, écran compris.

Cette alimentation ne disposant que d’une connexion pour lecteur 5,25″ et d’un connecteur SATA, nous avons dû utiliser un adaptateur en Y pour pouvoir brancher tous les composants.

Nous avons mesuré le rendement de notre alimentation, une fois le PC solaire terminé, au repos et en charge.

Au repos, la M2-ATX atteint un taux de rendement à peine croyable : 92,37% ! Lorsque le processeur et le GPU sont en charge, le rendement tombe à 88,4%. L’alimentation elle-même consomme 5 watts au repos et 14,2 watts en charge.

Ces mesures renforcent notre décision d’opter pour une alimentation en 16 volts. Dans un système en 220 volts, l’une des meilleures alimentations n’atteint qu’un rendement de 87% dans des conditions optimales. A cela s’ajoutent les pertes de puissance occasionnées par le transformateur de tension. Une alimentation en 16 volts est décidément la meilleure solution pour notre PC solaire. La M2-ATX est fabriquée par une entreprise américaine, Ituner. En France, on peut par exemple la trouver sur le site www.cartft.com, pour environ 75 euros port compris.

Interfaces de l’alimentation :

• Power LED
• Bouton on/off carte mère
• Vers couton on/off externe
• Connecteur ATX (20-pin)
• Connecteur P4-12V
• User jumper settings
• Entrée voltage + (batterie)
• Signal d’allumage
• Entrée voltage – (batterie)
• Contrôle d’amplification via on/off à distance
• Configuration du timer on/off

Dans les cas où l’alimentation doit fournir une puissance élevée (en charge), le constructeur conseille d’utiliser un ventilateur. Nous avons choisi de raccorder un ventilateur Papst 512 F/2 avec un adaptateur 5V, qui lui permet de ne consommer que 160 milliwatts.

Un boîtier pour l’alimentation

Notre alimentation n’a pas de boîtier ce qui oblige à être très prudent lors du montage pour ne pas l’endommager. Pour plus de commodité, nous avons décidé de construire un boîtier pour alimentation. Cela nous permettra également d’y fixer le ventilateur. Nous allons utilisé du Plexiglas, qui sera d’abord découpé à la bonne taille, les morceaux étant ensuite collés ensemble.

Les câbles de connexion de l’alimentation sont très courts, et il n’est donc pas facile de l’installer exactement où on le souhaite dans le boîtier. Quelques boutiques proposent tout de même des extensions.

AMD Athlon X2 BE-2350 : le meilleur choix

Nous avons basé notre choix du processeur sur deux critères principaux : une faible consommation d’énergie, et une architecture à deux cœurs, comme on peut l’attendre d’un ordinateur récent.

Nous avons donc commencé par mesurer la consommation électrique de différents processeurs. L’AMD Sempron 64 a certes une consommation très faible, mais nous ne pouvions le prendre en compte puisqu’il ne dispose que d’un seul cœur.

Pour notre PC solaire, le moindre watt économisé est essentiel : l’énergie provenant de nos panneaux solaires est disponible en quantité limitée, contrairement à celle d’une prise de courant.

Si on considère les consommations mesurées au repos et en charge, on voit que l’AMD Athlon X2 BE-2350 s’en sort très bien. Il consomme 8,49 watts au repos, et seulement 38,66 watts en charge. Le Core 2 Duo d’Intel en stepping L2 a une consommation plus faible. Mais nos mesures ont montré que les cartes mères Intel consommaient elles nettement plus. En effet, le contrôleur mémoire est intégré au chipset et non au processeur comme sur un Athlon. D’autre part la consommation des chipsets NVidia et Intel est généralement plus élevée, de par leurs performances sans doute. La consommation plus faible du Core 2 Duo serait donc annulée par celle de sa carte mère. Nous avons donc décidé d’utiliser le processeur d’AMD pour notre PC solaire.

Un watt seulement pour le refroidissement

Nous avons deux solutions possibles pour refroidir notre PC solaire : le processeur peut-être refroidi de manière active, avec un ventilateur, ou passive. Nous avons mesuré la consommation du processeur dans ces deux configurations.

Le ventirad livré avec le processeur consomme un tout petit peu moins d’un watt en charge. Si on essaie d’installer un radiateur passif, la consommation de l’Athlon X2 BE-2350 grimpe à environ 1,1 watt en mode « Cool and Quiet », et jusqu’à 12 watts en charge.

Même si le ventilateur du processeur a besoin d’être alimenté en permanence, il permet de faire baisser sensiblement la consommation du processeur. Et comme notre carte mère Gigabyte inclut un régulateur de vitesse pour le ventilateur, celui-ci fait très peu de bruit. Nous avons donc décidé d’utiliser un refroidissement actif, en raison d’un meilleur bilan énergétique.

Carte mère : une petite Gigabyte économe

Pour notre PC solaire, il est hors de question d’utiliser une carte graphique séparée : même les modèles d’entrée de gamme à refroidissement passif consomment beaucoup trop d’énergie.

Caractéristiques de la carte mère

Nous souhaitons pouvoir utiliser notre PC solaire pour lire convenablement des vidéos, comme n’importe quel PC récent. C’est pourquoi nous avons choisi la Gigabyte GA-MA69GM-S2H. Cette carte mère est équipée du chipset AMD 690G, et dispose de sorties DVI et HDMI avec prise en charge du HDCP, ainsi que d’une sortie VGA. Combiné avec le processeur choisi, ce chipset permettra de lire une vidéo Full HD (Blu-Ray ou HD-DVD).

La carte mère Gigabyte est au format Micro-ATX. Beaucoup de cartes mères de ce format disposent d’une puce graphique intégrée. En effet, elles sont surtout utilisées dans les entreprises, où le besoin d’évolutivité est faible. Malgré tout, cette carte mère dispose tout de même d’un emplacement PCIe 16x et de deux emplacements PCI.

Pour ce qui est du son, la carte mère est équipée d’une puce audio 7.1, l’ALC 889A de Realtek. Elle possède également une sortie optique. Le connecteur Gigabit Ethernet est lui aussi fourni par Realtek : il s’agit du RTL8110SC, qui est malheureusement connecté sur le bus PCI. La carte mère que nous avons choisie est aussi équipée du Firewire, via la puce TSB43AB23 de Texas Instrument.

Le Southbridge permet de connecter quatre périphériques SATA et deux IDE.

Consommation : MSI vs Gigabyte

Nous avons choisi le chipset AMD 690G pour notre PC solaire. Son Northbridge est gravé en 80nm, et sa consommation d’énergie est très faible en raison de l’absence de contrôleur mémoire (celui-ci se trouve en fait dans le processeur). Le Northbridge comprend donc moins de transistors et, logiquement, sa consommation est plus faible.

Mais on ne peut pas tout avoir : le Southbridge SB600 ne dispose que de fonctionnalités assez limitées. Cela dit, notre PC solaire n’utilisera pas de disques durs en mode RAID, et ces fonctionnalités nous suffiront donc amplement. De plus, le SB600 est lui aussi gravé en 80 nm, ce qui lui confère un net avantage sur ses concurrents en termes de consommation électrique.

De même, la présence d’une alimentation à trois phases pour le processeur assure une consommation plus faible.

Comparaison des deux cartes mères

Nous avons voulu savoir s’il existait de réelles différences de consommation entre deux cartes mères équipées du chipset 690G d’AMD. Nous avons choisi la MSI K9AG Neo2-Digital comme point de comparaison. Elle dispose des mêmes fonctionnalités que la Gigabyte, mais au format ATX standard.

La carte mère MSI consomme près de 14 watts de plus au repos. La raison est que son BIOS actuel ne prend pas en charge la fonctionnalité Cool and Quiet. Même en charge, la MSI consomme encore 6 watts de plus, ce qu’on peut entre autres imputer aux puces réseau et Firewire utilisées.

Consommation des composants de la carte mère

Quelles conséquences a l’arrêt de certains composants sur la consommation de la carte mère ? Nous l’avons mesuré : si tous les composants comme le Firewire, les contrôleurs réseau, son et COM sont désactivés, la consommation de l’ensemble baisse de 2 watts.

Nous allons donc désactiver tous les composants dont nous n’avons pas besoin, c’est-à-dire tous sauf le contrôleur réseau.

A-Data : la RAM la plus économe

La mémoire vive est le composant auquel on pense le moins quand on cherche à réaliser des économies d’énergie. Pour notre PC solaire, nous avons pourtant testé des barrettes de différents fabricants pour mesurer leur consommation.

Si on se contentait d’1 Go, la mémoire vive consommerait environ 3,8 watts. Mais comme nous voulons installer Windows Vista, nous préférons installer 2 Go de RAM.

Le progrès technique est essentiel pour parvenir à réduire la consommation des barrettes de mémoire. La finesse de gravure des barrettes de DDR2 varie par exemple entre 90 et 110 nm, ce qui conduit à des différences de consommation importantes. Nos tests ont montré que les dernières barrettes d’A-Data (Vitesta Extreme Edition, DDR2-1066+) étaient les plus économes en énergie. Nous les avons donc choisies pour notre système.

Disques durs : Western Digital en tête

En termes de consommation, des différences très importantes existent entre les différents disques durs que nous avons testés. Leurs consommations varient de 3 à 10 watts.

Sans surprise, les disques durs consommant le moins d’énergie sont les 2,5″ pour portables. Mais nous avons décidé de n’utiliser que des composants de PC de bureau, et nous nous y tiendrons.

Parmi les 3,5″, le WD1600AAJS s’en sort bien au repos. Il ne dispose en effet que d’un seul plateau. Etant donné qu’un disque dur se trouve au repos la plupart du temps, c’est le meilleur choix. Sa capacité de 160 Go est tout à fait adaptée à notre PC. Nous aurions aussi bien pu choisir le WD3200AAJS et ses 320 Go, sa consommation en charge étant presque identique.

Graveur DVD : seulement 4,9 W pour Samsung

Il était important pour nous d’utiliser un graveur DVD en SATA, parce qu’il s’agit des composants les plus récents. Le nombre de modèles disponibles n’est pas très élevé et, parmi eux, le Samsung SH-D163 est le plus populaire. Nous l’avons choisi pour sa disponibilité.

Nous avons tout de même comparé sa consommation avec celle d’autres graveurs. Les différences entre les divers modèles sont très élevées. Ainsi, l’un des graveurs n’a besoin que de 470 milliwatts au repos, tandis que le nôtre utilise déjà 3,7 watts. Un modèle IDE de MSI consomme même 5,5 watts au repos !

En charge, c’est le Samsung qui s’en sort le mieux, avec environ 4,9 watts.

Le moniteur est du genre gourmand…

En général, un écran LCD est alimenté par une tension de 220 volts. Mais notre installation solaire n’offre que 16 volts au maximum, et nous devions tout de même réussir à alimenter le moniteur à partir de notre petite alimentation pour atteindre notre objectif d’indépendance complète.

Quelques moniteurs LCD disposent d’une alimentation externe, et certaines alimentent le moniteur avec une tension de 12 volts. Notre alimentation offrant justement une tension de sortie de 12 volts, nous allons utilisé un moniteur de ce type.

Nous avons finalement choisi l’écran LG Flatron L1900R-BF, qui dispose d’une alimentation externe. Nous avons ensuite remplacé cette alimentation par un connecteur Molex standard pour pouvoir connecter directement le moniteur à notre alimentation.

Cette solution nous permet de diminuer significativement les pertes d’énergie liées à l’utilisation d’une alimentation pour le moniteur, et donc de réduire considérablement la consommation de l’ensemble du système.

Le moniteur que nous avons choisi a une diagonale de 19 pouces, une résolution maximale de 1280 x 1024, et une réactivité de 4 ms. Avec une luminosité maximale, il consomme 30,15 watts. En faisant baisser la luminosité, on peut descendre jusqu’à 17,27 watts.

Nous avons choisi de régler la luminosité sur 50%, ce qui permet à notre moniteur de consommer 23,29 watts. En veille, il ne nécessite plus qu’un modeste 1,1 watt.

Comme notre moniteur ne possède qu’une entrée DVI, nous l’utiliserons pour le relier à la carte mère Gigabyte.

Coût total du PC solaire : 700 euros

Les composants du PC solaire que nous avons construit coûtent environ 700 euros, moniteur compris.

Malheureusement, l’installation solaire elle-même entraîne des coûts supplémentaires assez élevés. Nous y reviendrons dans le prochain article de cette série.

Une batterie pour passer la nuit

Consommation électrique de chaque composant de notre PC solaire :

Nous avons mesuré la consommation électrique de l’ensemble de la machine (moniteur, clavier et souris compris) grâce à appareil haut de gamme, le PM3000A de Voltech.

La consommation de notre PC solaire est incroyablement basse : un peu moins de 62 watts-heure pour une heure d’utilisation, écran compris. Si vous voulez pouvoir utiliser le PC solaire toute la journée, sans jamais le brancher sur une prise de courant, vous devrez donc acheter des panneaux solaires capables de produire 1,5 kW/h.

Mais par mauvais temps, les panneaux solaires ne génèrent que peu d’énergie, et pas du tout pendant la nuit. On doit donc avoir recours à un accumulateur pour pouvoir utiliser le PC solaire en permanence. Dans la journée, le soleil brille et les panneaux solaires alimentent le PC en énergie, et permettent de charger la batterie.

Etant donné que les panneaux solaires ne peuvent produire de l’énergie que pendant la moitié de la journée, la batterie doit pouvoir alimenter le PC pendant 12 heures environ. Nous avons conclu que nous avions besoin d’un accumulateur disposant d’une capacité d’environ 1,5 kW/h. Notre batterie utilise une tension de 12 volts, ce qui donne une intensité de 130 A/h pour pouvoir produire 1,5 kW/h. De plus, il faut prendre en compte le fait que le transport de l’électricité, même sur une distance d’une quinzaine de mètres, réclame des câbles incroyablement épais pour limiter les pertes.

Vous trouverez des instructions étapes par étape pour construire l’installation solaire elle-même dans le prochain article de cette série.