Introduction
Voici le troisième volet de notre saga détaillant la construction d’un PC uniquement alimenté par la lumière du soleil. La lecture de cette série d’articles a dû commencer à vous convaincre qu’il existait des alternatives à l’achat d’un PC ordinaire. Notre PC solaire est un ordinateur tout à fait normal, assemblé à partir de composants récents et raisonnablement puissants (Athlon 64 X2 BE-2350), et pourtant il ne consomme que 61 watts au repos, moniteur compris. Il est vrai que pour arriver à ce résultat, nous avons dû nous creuser un peu la tête et inventer. Mais, maintenant que nous avons prouvé que monter un tel PC était possible, nous pouvons enfin envisager sereinement l’étape suivante.
Nous abordons aujourd’hui la dernière ligne droite, à savoir l’installation solaire proprement dite. Dans cet article nous allons donc vous présenter en détail notre installation : les outils dont vous aurez besoin, le choix d’un accumulateur adapté, ainsi que l’installation et la mise en service. Vous verrez comment nous avons réussi à orienter automatiquement nos panneaux pour qu’ils suivent la trajectoire du soleil, et comment installer un accumulateur pour stocker l’excédent d’énergie. Oui, le PC solaire fonctionne même pendant la nuit !
Pour ceux qui auraient manqué le début, voici les deux premiers articles de cette série :
- Construisez votre PC solaire – Première partie : Introduction à l’énergie solaire
- Construisez votre PC solaire – Deuxième partie : Choix des composants
Le dernier volet de notre saga vous permettra de voir notre PC solaire en fonctionnement grâce à des webcams. Rendez-vous dès lundi prochain poru ce Live Test !
L’installation solaire
Attaquons nous d’abord à l’installation des panneaux solaires. Nous allons vous présenter comment nous les avons installés sur le toit de notre laboratoire, quelles pièces nous avons choisies et montées, étape par étape. Le clou du spectacle : nos panneaux solaires s’orientent tous seuls pour suivre le soleil, aucun placement manuel n’est nécessaire ! Vous pourrez d’ailleurs bientôt vous en rendre compte en vidéo grâce à des webcams de notre installation.
Pour réaliser notre projet, nous avons dû utiliser des pièces qui ne sont normalement pas destinées à une installation solaire. Et comme il s’agissait avant tout d’un projet de recherche, nous avons renoncé à employer des matériaux prévus pour une utilisation durable. Cela nous a permis d’expérimenter de manière plus libre tout en gardant des coûts raisonnables. De plus, l’installation électrique a été conçue de manière à pouvoir être facilement reproduite.
La puissance totale de notre installation dépasse les 260 watts. Le courant généré par les panneaux solaires sert à alimenter le PC dans la journée, et à recharger l’accumulateur qui servira la nuit. Nous avons été obligés d’effectuer de nombreux tests pour faire avancer notre projet jusqu’à ce stade. Il nous a fallu essayer plusieurs types de câblages, et faire des calculs complexes pour parvenir à limiter la dissipation d’énergie. L’objectif de ce projet était avant tout d’approfondir les connaissances et d’inciter à réfléchir sur la question de l’énergie.
Sur nos forums, la consommation des ordinateurs fait partie des sujets de discussion les plus fréquents. En utilisant uniquement notre installation solaire, nous sommes parvenus à alimenter complètement un ordinateur de bureau permettant d’effectuer n’importe quel travail de bureau.
Des panneaux solaires polycristallins de 260 watts
Les panneaux solaires sont évidemment l’élément central de toute installation solaire. Ils permettent de convertir la lumière du soleil en courant électrique continu.
Notre propre installation utilise deux panneaux de type PX 130/6, d’une puissance nominale de 130 watts chacun. Ces panneaux sont fabriqués par Sunset Solar, à qui nous les avons achetés.
Les caractéristiques électriques de nos panneaux solaires sont données dans les conditions standards pour ce genre de composants. Ces conditions sont : une température des cellules de 25°C, un ensoleillement très puissant (1000 W/m² ), par une lumière ayant un spectre 1,5 AM. Ce spectre, c’est-à-dire la répartition des différentes longueurs d’onde, correspond au spectre de la lumière solaire après qu’elle a traversé une épaisseur d’air pur correspondant à 1,5 fois l’épaisseur de l’atmosphère. Cette situation se présente en pratique lorsque le ciel est très clair et que le Soleil se trouve à une hauteur de 41,8° au-dessus de l’horizon.
Au cours de la première année d’utilisation, le rendement des cellules solaires a tendance à baisser sensiblement, puis à se stabiliser au niveau de leur puissance nominale. Au moment où on les achète, leur puissance est donc supérieure d’environ 10% à celle annoncée. C’est la raison pour laquelle nos cellules indiquent une puissance supérieure. Nous disposons de deux panneaux solaires, ce qui nous permet de générer 260 watts d’énergie lorsque l’ensoleillement est maximal. Nos panneaux sont composés de cellules polycristallines et ont un rendement un peu supérieur à 10 %.
Vous l’avez sans doute déjà remarqué : au cours de la journée, le soleil change de position. Il se lève à l’Est, passe au Sud à midi, et se couche à l’Ouest. Comme nous voulons récolter autant d’énergie que possible, nous allons rendre le châssis des panneaux solaires mobile de manière à les orienter automatiquement en direction du soleil. Pour des raisons techniques, l’angle de rotation n’était pas suffisant pour suivre l’intégralité de la trajectoire du soleil, et nous avons dû nous contenter d’une couverture de 80%.
En admettant que le soleil brille de 8 heures à 18 heures et le ciel est complètement dégagé, nous pouvons obtenir une production d’énergie de 2,6 kWh. Mais la météo a une certaine tendance à fluctuer, et il nous paraît donc plus raisonnable de tabler sur une production comprise entre 1 et 2 kWh.
Fabrication du châssis des panneaux solaires
Notre installation solaire a d’abord été conçue à des fins de recherche, et nous n’avons donc pas utilisé de cadre en aluminium pour fixer les panneaux solaires, comme on le fait normalement. Nous avons employé du bois tout simple, comme on en trouve dans n’importe quel magasin de bricolage. D’une part, cela rend le travail plus facile, et d’autre part, ce choix permet d’effectuer des modifications très rapidement en cas de besoin.
- Vous pouvez suivre toutes les étapes de la construction du châssis en images dans notre album
Le système d’orientation automatique
Après avoir terminé la construction des châssis et avoir installé les panneaux sur le toit, nous avons entrepris de les rendre orientables de manière à pouvoir suivre la trajectoire du soleil.
Nous avons commencé par préparer un support solide sur lequel poser les cellules solaires. Nous avons utilisé des panneaux en OSB (oriented strand board, panneaux à copeaux orientés). Nous avons ensuite monté les châssis sur les panneaux en OSB en les équipant d’un axe de rotation et de poulies.
Au bout de quelques jours, nous avons constaté que les supports posés au sol avaient tendance à se déformer, à cause du poids des cellules et de l’humidité ambiante. Nous avons donc ajouté deux traverses à notre support, pour le stabiliser et le renforcer.
- L’album photo de l’assemblage du système d’orientation automatique des panneaux solaires
Pilotage : cordages et palan
Pour orienter automatiquement les cellules, nous avons choisi un système de pilotage à cordes de tirage utilisant un palan et un contrepoids.
Mais des tests nous ont permis de constater que le premier système que nous avions mis en place était trop puissant. Nous avons donc modifié l’installation pour piloter l’axe du milieu, et nous avons fixé l’ensemble en utilisant des boulons de 10 mm en acier.
Ce système permet de modifier bien plus facilement l’angle des deux panneaux. Les pierres sur lesquelles l’installation est posée permettent de stabiliser l’ensemble.
Les cordes de tirage en photos
Le principe des cordes de tirage est simple : les deux panneaux sont reliés ensemble par un cordage qui permet de les déplacer simultanément. Un contrepoids se trouve à côté des panneaux.
Une motorisation simple, mais efficace
Les cordages sont enroulés et déroulés grâce une visseuse électrique pilotée par ordinateur.
La motorisation en photos
Le moteur fait tourner les panneaux solaires vers lui grâce à un palan, ce qui permet de modifier l’angle d’orientation. Le contrepoids permet de faire tourner les panneaux solaires dans le sens inverse. C’est une solution simple et efficace, et qui ne consomme que quelques watts par jour.
Pour pouvoir piloter notre visseuse, nous avons construit une carte relais à 8 canaux, connectée sur port parallèle. Les déplacements sont programmés, et ils ont lieu chaque jour sans intervention supplémentaire. Chaque nuit, les panneaux reviennent à leur position d’origine, pour être prêt pour le matin.
Composants utilisés
Nous avons eu besoin d’un grand nombre de pièces et de composants pour construire notre installation solaire.
Wagner & Co Solartechnik nous a fourni ses conseils experts pour la réalisation pratique de ce projet, ainsi qu’une grande partie des pièces.
Lorsqu’on monte un PC, il suffit d’assembler les composants que l’on a achetés. La construction d’une installation solaire est un peu plus complexe. Avant de commencer la mise en pratique, nous avons dû effectuer de nombreux calculs afin de déterminer de quelles sortes d’accumulateur, de câble, et de régulateur nous aurions besoin.
De plus, il est important de prendre des mesures de sécurité, par exemple utiliser des fusibles, pour s’assurer qu’un dysfonctionnement de l’installation ne puisse pas endommager de composant.
Seulement 2,6% de perte avec les câbles électriques
Nos panneaux solaires produisent à eux deux une puissance nominale de 260 watts, pour une tension d’environ 16 volts. Ils sont placés sur le toit de notre laboratoire, à 12 mètres de l’ordinateur et de l’accumulateur. Un câblage aller et retour est nécessaire pour la borne + et la borne -, ce qui fait une longueur de 24 mètres en tout. Ici, la résistance électrique du câble utilisé joue un rôle clé, puisqu’il faut veiller à gaspiller le moins d’énergie possible. Nous utiliserons donc un câble d’une section très élevée : 16 mm².
Vous êtes sûrement nombreux à avoir remarqué que le câble que nous avons choisi est vert et jaune. Certains savent certainement aussi que cette couleur est normalement réservée au fil de mise à la terre. Habituellement, on utilise un fil bleu pour la borne – et un rouge pour la borne + dans les installations solaires à tension continue. Nous avons choisi un câble vert et jaune pour une raison simple : il était moins cher que les autres couleurs. Et mis à part sa couleur, ce câble est parfaitement identique aux autres.
Si nous avions utilisé un câble d’une section de 1,5 mm², comme on en trouve par exemple dans n’importe quelle multiprise, la perte de puissance occasionnée par le câble seul aurait été de 22,3 %. Dans le cas de notre installation, cela représenterait une perte de 58 watts !
Les installateurs professionnels d’équipement solaire utilisent des câbles n’entraînant pas de pertes supérieures à 3 %.
Notre câble de 16 mm², dix fois plus épais qu’un fil normal, limite les pertes de puissance à 2,6 % : seuls 6,8 watts sont dissipés sous forme de chaleur au cours du transport de l’énergie.
Des boîtiers de dérivation pour les câbles
En principe, pour limiter au maximum les pertes de puissance lorsque l’on utilise une tension de 16 volts, il faut employer un câble d’un diamètre élevé (attention, cela n’a rien à voir avec la densité de courant maximale). D’après nos calculs, les pertes deviennent acceptables en utilisant un fil de 16 mm² de section. Mais on ne peut pas connecter directement un fil aussi épais à nos panneaux solaires , il est trop large. Nous avons donc également utilisé le fil de 4 mm² fourni avec les panneaux solaires, mais sur une distance très courte, uniquement pour relier les panneaux au boîtier de dérivation. C’est alors le câble de 16 mm² qui prend le relais pour acheminer l’énergie jusqu’au PC.
Les câbles de 4 mm² mesurent chacun 1,7 mètre, et comme nous disposons de deux panneaux solaires, chacun des deux fils transporte la moitié de l’énergie produite. Avec une charge maximale, seul 1,93 watt est perdu. Les 12 mètres de câble de 16 mm² entraînent quant à eux une perte de 6,81 watts. Au total, 8,74 watts sont donc perdus lors du transport de l’énergie, ce qui représente 3,9% du total.
On utilise un boîtier de dérivation pour relier les deux panneaux solaires au câble de 16 mm².
Refermer le boîtier de dérivation après avoir effectué les branchements permet de le protéger de la pluie, et donc de le placer au plus près des panneaux solaires. Il faut utiliser 4 fils de 4 mm² pour relier les panneaux aux deux fils de 16 mm².
Les pertes occasionnées par le câblage de l’alimentation du PC, du moniteur, et du PC lui-même ne sont pas prises en compte dans ces calculs, puisque nous en avons tenu compte dès le départ dans nos mesures de consommation.
Un régulateur pour charger l’accumulateur
Notre installation produit plus d’énergie que le PC et son moniteur n’en consomment, et nous allons donc devoir employer un régulateur. L’excédent d’énergie qui n’est pas utilisé par le PC est automatiquement redirigé vers l’accumulateur par le régulateur. Cette énergie stockée par l’accumulateur sera ensuite utilisée par le PC pour pouvoir fonctionner par temps de pluie ou pendant la nuit.
Nous avons utilisé un régulateur ProStar-15, qui a été mis à notre disposition par Wagner Solar, et qui peut charger l’accumulateur avec un maximum de 15 ampères. Cela correspond à peu près à 190 watts. Comme notre installation solaire peut produire 260 watts, il reste environ 70 watts utilisables. Le PC solaire a besoin de 61 watts au repos, et notre régulateur est donc d’une capacité parfaitement adaptée. Le régulateur envoie l’énergie en priorité vers le PC. Il peut aussi afficher la tension actuelle de la batterie, la quantité d’énergie produite par les panneaux solaires, et l’énergie consommée par le PC.
Le régulateur lui-même est alimenté par l’accumulateur, sinon il ne pourrait pas fonctionner la nuit ou dans l’obscurité. Et comme la régulation de puissance ne peut pas se faire sans perte, l’appareil possède un système de refroidissement qui lui permet de dissiper la chaleur produite.
Enfin, le régulateur possède une fonction de protection supplémentaire très intéressante : il empêche l’accumulateur de se décharger complètement, ce qui lui ferait perdre sa capacité. De plus, il intègre une protection contre les surcharges.
1,5 kWh dans notre accumulateur
Même pendant les jours pluvieux, où les panneaux solaires ne produisent que très peu d’énergie, et même pendant la nuit, où ils n’en produisent plus du tout, le PC a quand même besoin d’électricité. C’est pourquoi nous utilisons un accumulateur, qui se recharge dans la journée grâce au régulateur. Il s’agit d’une batterie plomb-gel, qui pèse la bagatelle de 32 kg !
Dans des conditions optimales, notre installation solaire produit 260 watts. Au repos, le PC consomme 61 watts, ce qui laisse environ 200 watts pouvant être stockés dans l’accumulateur. Notre batterie a une capacité de 130 Ah, soit 1560 Wh à 12 volts. Si l’accumulateur est entièrement chargé, notre PC peut donc tourner environ 23 heures sans avoir recours à l’énergie solaire. Naturellement, on n’atteint une telle durée que dans des conditions optimales.
Répartition de l’énergie
Pour que vous puissiez vous faire une idée plus précise de l’énergie qui circule dans les différentes parties de notre installation solaire, nous avons réalisé ce diagramme :
Fonctionnement sur 24h
Quelle quantité d’énergie doivent produire les panneaux solaires dans la journée pour que le PC puisse fonctionner pendant 24 heures ? C’est ce que nous allons déterminer.
Tout d’abord, la batterie plomb-gel a un rendement d’environ 80 % (20 % de l’énergie stockée est donc perdue).
10 heures de production d’énergie
Nous allons supposer qu’en moyenne, on dispose de 10 heures d’ensoleillement par jour. Dans la journée, notre PC ne doit pas avoir recours à l’accumulateur, ce qui permet d’économiser les 20 % de perte. On arrive à une consommation de 610 Wh pour le PC (61 watts x 10 heures = 610 Wh).
14 heures de fonctionnement sur batterie
Le PC doit pouvoir utiliser la batterie pendant les 14 heures restantes, au cours desquelles les panneaux solaires ne peuvent pas produire d’énergie. Cela représente 855 Wh (61 watts x 14 heures = 855 Wh).
En prenant en compte les 20 % de perte de l’accumulateur, on voit que ce sont environ 1030 Wh qui doivent être stockés (855 Wh + 20 % = 1026 Wh).
Enfin, en additionnant les besoins en énergie de la journée et de la nuit, on arrive à un total de 1636 Wh (610 Wh + 1030 Wh = 1636 Wh)
Nos deux panneaux solaires doivent donc générer 163 watts en moyenne dans la journée pour que le PC puisse fonctionner pendant 24 heures. Si ce n’est pas le cas, le PC s’éteindra pendant la nuit faute d’électricité.
Dans des conditions optimales, chaque panneau produit 130 watts. Donc notre installation doit pouvoir fonctionner au moins 10 heures à 62,9 % de ses capacités pour que le PC reste alimenté.
1592 Wh pour l’accumulateur
La production des panneaux solaires est sujette à des fluctuations importantes au cours de la journée en raison du passage de nuages. Il faut donc que la batterie fonctionne comme tampon.
Si les panneaux solaires fonctionnent pendant 10 heures à 100 % de leurs capacités et qu’aucun nuage ne passe au dessus d’eux, ils produisent 1990 Wh en plus de ce qui est consommé par le PC, et cette énergie doit être stockée (10 heures x 260 watts – 61 watts = 1990 Wh).
En retirant les 20 % de pertes provoqués par l’accumulateur, on aboutit à la capacité que celui-ci doit avoir : 1592 Wh. Notre accumulateur a une capacité de 1560 Wh, et ses caractéristiques correspondent donc parfaitement à nos besoins. Il n’y a presque pas de perte d’énergie.
Bien entendu, ces calculs ne représentent qu’une évaluation : ils ne tiennent pas compte de tous les facteurs, comme les pertes de puissance entraînées par le câblage.
La liste de courses
Notre projet étant avant tout un projet de recherche, les coûts n’ont pas été notre préoccupation principale dans un premier temps. Cela ne concerne que les panneaux solaires et les éléments qui y sont liés, et nous avons quand même fait notre possible pour garder des coûts les plus bas possible. Vous trouverez ci-dessous un aperçu de tout le matériel que nous avons utilisé. Vous pouvez vous en servir comme liste de course pour votre propre installation solaire !
Le coût de l’installation solaire seule s’élève à 2900 euros. Le PC et son moniteur coûtent 700 euros, et on arrive donc à un total de 3600 euros pour l’ensemble du projet. Evidemment, vous devrez aussi disposer d’un outillage et d’un équipement adaptés si vous voulez reproduire notre projet. Cela comprend notamment tous les appareils de mesures destinés à tester la tension et l’intensité du courant.
| Pièce | Prix |
| Panneaux solaires | 2000 € |
| Câble de 16 mm² | 66 € |
| Câble de 4 mm² | 12 € |
| Câble de 2,5 mm² | 10 € |
| Accumulateur | 308 € |
| Câble à pinces pour accumulateur | 10 € |
| Régulateur | 179 € |
| Boîtiers de dérivation | 82 € |
| Bois pour le châssis | 50 € |
| Fils de tirage | 32 € |
| Visseuse | 15 € |
| Carte relais 8 canaux | 25 € |
| Vis et pièces métalliques | 30 € |
| Palan et poulies | 15 € |
| Huile | 4 € |
| Panneaux en OSB | 25 € |
| Divers petites pièces | 30 € |
| Plexiglas | 5 € |
| Pièce | Prix |
| Alimentation | 75 € |
| Processeur (box) | 79 € |
| Carte mère | 65 € |
| RAM | 144 € |
| Disque dur | 44 € |
| DVD-ROM | 15 € |
| Moniteur | 245 € |
| Clavier et souris | 35 € |
La ligne « Divers petites pièces » comprend par exemple la soudure, les gaines pour les câbles, les embouts électriques, la gaine thermo rétractable, etc.
Enfin, vous aurez également besoin d’outils : perceuse, visseuse (en plus de celle utilisée pour orienter les panneaux), scie sauteuse, pince à presser, et tournevis.
En route vers le live test !
Dans quelques jours, nous allons passer à la quatrième partie de notre projet : le live test. Grâce à des instruments de mesure, une page de live test vous permettra de surveiller jour et nuit l’ensemble de notre installation solaire.
Cette dernière partie de notre série nous permettra de découvrir si notre PC solaire peut effectivement fonctionner en continu, combien d’énergie nos panneaux solaires produisent, et de quelle quantité nous disposons au bout du compte.
Pour ceux qui auraient manqué le début, voici les deux premiers articles de cette série :
- Construisez votre PC solaire – Première partie : Introduction à l’énergie solaire
- Construisez votre PC solaire – Deuxième partie : Choix des composants
