Introduction
Alimenter un PC de bureau à l’énergie solaire, en continue ? C’est le projet un peu fou que nous nous sommes donnés ! Dans cet article, premier de la série, nous allons tout d’abord faire le point sur les bases techniques de l’énergie solaire. Par la suite, nous nous pencherons sur la configuration nécessaire pour créer un PC solaire, notamment les composants et le montage, en utilisant deux panneaux solaires. Des instructions illustrées étape par étape pour le montage et l’installation seront fournies. Nous avons en effet consacré beaucoup d’efforts à ce projet, et nous attendons avec impatience les réactions de ceux qui suivront nos traces.
Le PC solaire : transformer la lumière en puissance de calcul
Même les vrais fanatiques de puissance finissent par découvrir qu’un PC performant coûte beaucoup d’argent. A mesure que le temps passe, l’énergie consommée par ces systèmes finit parfois par coûter plus cher que l’achat des composants, surtout s’ils sont alimentés 24H/24.
Une machine très haut de gamme peut parfois consommer plus de 400 euros par an en électricité. L’augmentation constante du prix de l’énergie, des changements de politiques gouvernementales, et un intérêt naissant pour les PC économes en énergie font croître l’intérêt pour les énergies photovoltaïques.
Tout cela explique pourquoi nous avons mené à bien ce projet passionnant au cours des deux dernières années, dans notre laboratoire de Munich (issu de notre rachat de Tom’s Hardware) : utiliser des panneaux solaires pour alimenter en permanence un PC actuel, sans recours au réseau électrique. Nous avons passé des semaines à concevoir et à configurer la machine que vous découvrirez bientôt. Mais pour commencer notre présentation de ce projet, partons des bases de la conversion de l’énergie solaire en électricité utilisable.
Les fondements de la technologie photovoltaïque
Notre but étant d’utiliser l’énergie solaire, l’économie d’énergie est rapidement devenue le problème principal, même si nous avons fait de notre mieux pour concevoir un PC de bureau raisonnablement puissant. Nous aurions pu alimenter à peu près n’importe quel ordinateur portable en utilisant de l’énergie solaire, sans avoir à faire beaucoup d’efforts. Mais l’un de nos objectifs principaux lorsque nous avons commencé à réfléchir à cet article était de partir d’un ordinateur de bureau classique, prévu pour une utilisation quotidienne. Cela signifie notamment un moniteur de bonne taille et des performances raisonnables.
Disons-le dès maintenant : une fois terminé, notre PC solaire s’adapte automatiquement à la lumière disponible, et consomme environ 290 watts en charge. Personne ne sera donc vraiment surpris d’apprendre que les pièces de cette machine, notamment les panneaux solaires, sont assez chères. Malgré tout, nous envisageons ce projet comme un pas vers un avenir proche ; notre expérience a produit un système bien réel, qui fera entrer ses utilisateurs dans une nouvelle ère de l’informatique : un PC performant, économe en énergie, et entièrement alimenté par l’énergie solaire. Pour moins de 2500 euros, vous pouvez acheter un PC haut de gamme ordinaire, ou vous pouvez faire le choix de l’économie d’énergie.
Pourquoi vouloir générer son électricité ?
Notre projet est ce qu’on appelle un système solaire autarcique, c’est-à-dire non connecté au réseau électrique. Cela présente l’avantage de nous permettre de nous passer de transformateur pour convertir l’énergie de notre panneau solaire vers du 110-230 volts, et de pouvoir connecter notre PC directement aux panneaux solaires en utilisant un régulateur de tension. Au cours de la nuit, ou des journées les plus nuageuses, nous pouvons utiliser une batterie de secours, qui se recharge lorsqu’il y a du soleil.
Même en Allemagne, où nous avons procédé à cette expérience, les rayons du soleil fournissent 80 fois plus d’énergie que nous n’en avons besoin. Notre installation libère les utilisateurs du prix de l’énergie, et dispose d’un potentiel d’optimisation et d’expérimentation élevé. Une fois acheté, les composants n’entraînent que des coûts très faibles.
De fait, il existe des situations où l’utilisation de cellules solaires est la seule option disponible, notamment dans le cas d’habitations non reliées au réseau électrique. C’est par exemple le cas de certains refuges en Bavière, pour qui le raccordement peut coûter jusqu’à 70 euros par mètre.
Il faut aussi prendre en compte des coûts importants de mise à la terre et de connexion, ce qui rend certains raccordements très complexes. Même si quelqu’un voulait être raccordé au réseau électrique, il se pourrait que la législation en matière d’environnement interdise l’utilisation de câbles aériens, et les coûts atteindraient rapidement 20 000 euros, voire plus.
Certains chercheront peut-être à défendre les groupes électrogènes fonctionnant à l’essence ou au gasoil, qui ont l’avantage d’être disponibles facilement pour quelques centaines d’euros. Mais si un générateur peut effectivement se révéler une solution plus simple et moins coûteuse pour alimenter un PC, tout le monde n’est pas prêt à supporter le bruit et la pollution engendrés par ces équipements.
Ensoleillement de notre labo : 1800h par an
Par une journée ensoleillée d’été, à notre laboratoire, le soleil produit environ 1100 watts par mètre carré. Si le temps est vraiment mauvais, on peut descendre jusqu’à environ 100 watts. L’efficacité théorique maximale de conversion de la lumière du soleil en électricité est d’environ 85 %, mais en raison de la quantité limitée de lumière visible, l’efficacité pratique maximale est plutôt de 29 %.
La quantité d’énergie disponible dépend aussi de l’angle avec lequel les rayons du soleil frappent la terre. Etant donné que l’axe de rotation de la terre est penché, cet angle change selon les saisons, et on dispose donc de moins d’énergie solaire convertible en hiver qu’en été. En effet, les jours sont plus courts, et le soleil monte moins haut dans le ciel.
Dans la région de Munich, les panneaux solaires devaient être inclinés à 28 degrés et tournés vers le sud pour produire le maximum d’énergie. Nos mesures ont montré que même de petites erreurs dans l’orientation ou l’inclinaison pouvaient diminuer de manière significative la quantité d’énergie produite par an.
Faute d’ajustement quotidien de l’orientation des panneaux pour correspondre au trajet effectué par le soleil, les niveaux d’énergie produits baissent sévèrement. Vous trouverez des instructions précises pour optimiser le positionnement des panneaux dans les deuxième et troisième parties de cet article.
Si vous voulez installer vos panneaux solaires sur une toiture, vous serez probablement obligé de les poser de manière fixe. Si votre toit est par exemple orienté vers le sud-ouest ou le sud-est et incliné à 45 degrés, vous aurez besoin d’une plus grande surface pour obtenir la même énergie qu’avec une inclinaison de 28 degrés et une orientation sud. Cela dit, si vous faites ce choix, à peu près n’importe quelle toiture pourra être utilisée, comme le montre l’illustration suivante.
Ainsi, Munich reçoit par exemple près de 1800 heures d’ensoleillement chaque année (la moyenne est à peu près la même en France, avec de fortes variations entre Nord et Sud). L’ensoleillement atteint généralement 260 heures au mois de juillet, ce qui permet à des panneaux parfaitement orientés et inclinés de produire énormément d’énergie. Voici quelques conseils généraux pour aider ceux qui souhaiteront utiliser des panneaux solaires pour alimenter leur PC (ou d’autre matériel) :
- Choisir une zone la moins à l’ombre possible (un toit ou une zone dépourvue d’ombre au sol)
- Il est possible de s’en sortir avec un toit orienté est-ouest, mais on obtient les meilleurs résultats avec une toiture orientée vers le sud, et une inclinaison comprise entre 20 et 40 degrés
- Installer suffisamment de panneaux pour alimenter un ordinateur
- L’air doit pouvoir circuler autour des panneaux pour les refroidir (cela améliore le rendement énergétique)
- Le maximum d’électricité est produit quand les panneaux solaires sont orientés de manière à correspondre exactement à la position du soleil
Types de cellules solaires et rendements
Chaque panneau se compose d’un total de 36, 72, ou 96 cellules solaires. Récemment, les cellules ont atteint des dimensions de 125 mm de côté. Les cellules les plus courantes sont faites d’une couche de silicium épaisse. Leurs rendements atteignent des valeurs relativement élevées : 20 % pour les cellules polycristallines, et jusqu’à 25 % pour les monocristallines.
Au cours de la courte histoire des technologies solaires, de nombreux types de cellules ont été développés. Tous diffèrent en termes de construction des panneaux et de capacité à convertir l’énergie du soleil en électricité.
Les cellules utilisées par l’industrie et les particuliers sont généralement faites de silicium monocristallin ou polycristallin. Le rendement inférieur du silicium poly-cristallin est plus ou moins compensé par des coûts plus bas. La photo ci-dessus montre les surfaces nécessaires pour générer 1000 watts d’électricité avec différents types de cellules.
Les panneaux faits de silicium amorphe peuvent être montés par n’importe quel bricoleur. Les technologies des panneaux à couche mince, CIS (Cuivre Indium Sélénium) et TeCd (Tellure de Cadmium), n’ont actuellement qu’une part de marché de 2 %. Mais les panneaux utilisant ces matériaux disposent d’avantages considérables par rapport à ceux faits de silicium cristallin. D’une part, ils sont environ 100 fois plus fins que les matériaux cristallins. Leurs conditionnements sont donc beaucoup plus fins, eux aussi. De plus, les panneaux à couche mince sont bien plus efficaces avec une lumière diffuse ou faible (à travers un ciel nuageux, par exemple).
Cela leur permet de tolérer de se trouver dans une zone partiellement à l’ombre. Ils présentent encore un autre avantage : ils supportent des températures de fonctionnement plus élevées, ce qui les rend plus adaptés aux zones les plus ensoleillées. Mais les panneaux à couche mince ont également des inconvénients : ils ont besoin d’une surface plus importante pour atteindre les mêmes rendements que les modules épais.
Rendement énergétique des cellules à couche épaisse :
- Silicium monocristallin : 25%
- Silicium polycristallin : 20%
Rendement énergétique des cellules à couche fine :
- Silicium amorphe : 10%
- TeCd : 16%
- CIS/DSCIG : 20%
- Silicium nanocristallin : 10%
- Silicium micro/polycristallin : 10%
- Silicium polymère : 5%
En pratique, les cellules sont branchées en série de manière à atteindre un voltage utilisable à partir des 0,6 V fournis par une cellule standard. Les modules solaires industriels sont construits à partir de cellules reliées entre elles et prises entre des couches de verre et de polymères, pour les protéger. Les cellules à couche fine sont également disponibles en grandes installations interconnectées, parfois même sur des supports à orientation automatique.
Pour les cellules à couche épaisse, les matériaux utilisés par les supports mécaniques et les cellules photovoltaïques sont les mêmes. Ces cellules sont fabriquées de manière très similaire à des processeurs, en utilisant des wafers en silicium.
Les fabricants de panneaux solaires
La France dispose d’un très faible niveau d’investissement et d’innovation au monde en matière d’énergie solaire, surtout comparé à nos voisins allemands. Même en matière de génération d’énergie solaire, la France se trouve à peine à 2 % contre 36 % pour l’Allemagne, 15 % pour les Etats-Unis, ou encore 8 % pour l’Espagne (projections pour 2010).
Au bout du compte, la France ne produit qu’environ 30 mégawatts. Nous incluons également un graphique montrant à quel point la proportion d’énergie solaire est faible, une fois rapportée à l’ensemble de l’énergie générée dans le monde. Le nombre de fabricants de panneaux solaires est limité, et la plupart d’entre eux créent simplement des panneaux à partir de cellules solaires standard. La liste suivante présente les 7 plus gros fabricants de cellules solaires :
- Sharp 28%
- Q-Cells 11%
- Kyocera 9%
- Sanyo 8%
- Mitsubishi 7%
- RWE Schott Solar 6%
- BP Solar 5%
L’Allemagne est encore une fois en tête, avec la plus grande installation photovoltaïque du monde, située dans le vignoble d’Erlasse à Franken, en Bavière. Un total de 16896 panneaux solaires y génèrent 12 mégawatts d’énergie, qui alimentent en électricité une ville de 8500 habitants.
Conclusion
Il y a un an, nous avons commencé à travailler sur une installation solaire expérimentale qui a du être abandonnée en septembre 2006. Cela a encore augmenté la pression pour notre seconde tentative d’alimenter entièrement un PC de bureau avec de l’énergie solaire.
En particulier, nous avons compris l’importance de créer notre PC de test en utilisant les composants les plus économes en énergie que nous puissions trouver. Nous sommes finalement parvenus à notre objectif, et nous vous proposons donc cette série d’articles qui, nous l’espérons, vous passionnera autant que nous.
Nous avons utilisé des panneaux en silicium polycristallin, qui ont produit au maximum 290 watts au cours de nos tests. Le prochain article vous donnera des instructions détaillées sur la construction. Nous avons pu générer de grandes quantités d’énergie grâce à notre situation et à notre orientation, ainsi qu’à la possibilité d’orienter les panneaux solaires de manière optimale. Notre installation comprend également des batteries pour pouvoir nous passer complètement du réseau, même par temps de pluie.
Pendant la construction, nous avons parfois été obligé d’improviser, et de construire nous-mêmes des circuits imprimés. Le prochain article présentera les composants informatiques que nous avons choisis. Avant de choisir notre configuration finale, nous avons en effet du tester un grand nombre de composants en mesurant leur consommation électrique.
