Soleil et électricité, une solution ?

L’énergie solaire est elle la solution aux problèmes du monde ?

Je ne sais pas mais elle sauve ma tranquillité et ça : c’est déjà beaucoup  🙂 ! Enfin c’est ce que je croyais au début de ce projet. Madame veut que ses plantes reçoivent leur dose quotidienne d’eau et moi « c’est pas ma tasse de thé : arroser »  🙁  ! Vous comprenez mon dilemme, me faire plaisir ou faire plaisir aux instantes supérieures   😯 …………..   💡 un truc automatique qui arrose, voilà la solution !

Introduction

Pourquoi faire une mini centrale solaire pour piloter une électro-vanne, alors que l’on trouve sur le marché des solutions toutes faites, plus qu’à brancher le courant et l’eau. Dans mon cas si je veux commander l’arrosage automatiquement et simplement, je devais trouver un système simple pour brancher les tuyaux d’eau (déjà en grande partie présent) et assurer la distribution d’eau de manière optimale ……  plus ici, moins là, attention pas d’eau sur les fleurs, ces plantes il faut presque les noyer, etc… Je ne me voyais pas tirer des cordons électriques à travers tout le jardin, prévoir d’avance les emplacements sans les connaître …. bref, je devais trouver quelque chose de plus ou moins autonome, simple et pas dangereux.

L’idée

Une mini centrale solaire pour piloter une électrovanne, sera peut-être la solution. Une tension de 12V, c’est transportable (idem véhicule) et les branchements sont des raccords rapides d’arrosage, reste plus qu’à faire !

Le principe

Soleil et électricité, schéma principe

Pré-dimensionnement

Pour faire le premier bloc autonome, j’ai une électrovanne automobile en 12V, puissance de travail 4.8W. La durée de l’arrosage journalier ?? J’estime cela à environ 30minutes et je pense que c’est « compté large ». Vous me direz que pour une personne qui n’y connaît rien en plantes, je suis bien sûr de moi  😀 ! Vous avez certainement raison, mais bon partons avec cela pour le prototype, on verra bien si c’est réaliste.

La batterie sera en plomb, l’idéal serait une batterie de traction qui tient mieux les cycles de charges et décharges, mais bon j’ai pris une petite batterie de 12V, 5.5Ah. Un double petit panneau solaire très bon marché sur Ebay avec un régulateur de charge et j’ai le matériel essentiel !

Soleil et électricité, électrovanneL’électrovanne : 12V, 4.8W

prix approximatif : 5 CHF  

Soleil et électricité, régulateur 12VLe régulateur :

Prix environ 10CHF

Soleil et électricité, panneau solaireLe panneau solaire (2x)

Prix approximatif : 4 CHF le panneau

Soleil et électricité, batterie

La batterie 12V au Pb

Prix approximatif : 16CHF

 

 

La commande est le seul point qui n’est pas encore défini, mais cela sera soit un Arduino, soit Olimexino ou soit NodeMCU. En fait cela ne change pas grand chose, si ce n’est le programme et la communication. Je ferais ce choix après les tests de la partie batterie, des panneaux solaires et de la partie électrovanne.

Vue d’ensemble de la petite centrale solaire

Soleil et électricité, mini centrale solaire Soleil et électricité, mini centrale solaire

Pour estimer si les composants de la future installation sont compatibles, quelques calculs simples :

Ceux qui consomment

Ce sont essentiellement le régulateur et l’électrovanne. Nous allons prendre comme base de temps un jour, 24 heures, soit un cycle de consommation et un cycle de recharge pour la batterie.

1.- L’électrovanne nous avons 1.5[W] pendant 30[min] par jour, soit 0.5[h/jour], donc l’électrovanne représente une charge d’environ 0.8 [Wh/jour]=1.5*0.5.
2.- Le système de commande (Arduino ou autre avec étage de pilotage) environ [70mA] sous 12[V] soit 0.84[W] et c’est une charge constante. Ceci conduit à une consommation énergétique de 0.84[W]*24[h] = 20[Wh/jour]. **
3.- Le régulateur est aussi toujours en fonction et consomme quelque chose comme 10[mA] sous 12[V], donc une puissance de 0.01 x 12 = 0.12 [W] cela sur 24h, donc une énergie consommée de 0.12 x 24 =  2.9 [Wh/jour].

Résumé de la consommation des charges : 0.8 [Wh/jour] + 20[Wh/jour]+ 2.9 [Wh/jour] = 23,7 [Wh/jour]

Remarque : On constate que le système de commande représente la plus grosse part de la consommation. A noter que j’ai pris 70[mA], ce qui est une moyenne un peu pessimiste.

** Le circuit de commande se présente comme suit, je reviens plus bas sur ce choix discutable  😥 :

Soleil et électricité, schéma pilotage électrovanne + Soleil et électricité, circuit électronique

La batterie

Le choix premier était de pouvoir travailler en 12[V] et avec une petite batterie. Pour qu’une batterie au plomb ne travaille pas trop mal, il est mieux de ne pas descendre en dessous de 80% de sa charge. Les caractéristiques de ma batterie sont 12[V] et 5.5[Ah] soit 66[Wh]. Comme il est dit ci-dessus il n’est pas souhaitable de trop la décharger (utilisation de 20% max) 66×0.2= 13.2[Wh]. C’est l’énergie disponible utilisable dans la batterie.

Les panneaux solaires

Comme vous l’avez constaté, j’ai utilisé deux panneaux de 1.5[W] 12[V] données constructeur/vendeur. Première chose vérifier si la puissance possible est possible. La terre reçoit une puissance de 1.5[kW] par mètre carré, ouaahhhh superbe !!! MAIS s’il n’y avait pas d’atmosphère (ou très pure encore une chose à définir 😕 ), si les rayons du soleil sont perpendiculaires aux panneaux et si c’est le jour  et il n’y a pas de nuages ! Déjà sur ces premiers paramètres, c’est pas gagné, donc les 1.5[kW/m2] c’est « la théorie ». Ensuite il y a le panneau solaire qui n’arrive pas à transformer toute l’énergie solaire reçue en énergie électrique. Plusieurs points affectent leur rendement, le matière, la température extérieure et celle des panneaux, etc … En conclusion, vous aurez nettement moins d’énergie électrique que l’énergie solaire réceptionnée par la terre. Heureusement certain se sont déjà penché sur le problème et pour une estimation de ce que vous pouvez espérer, rendez vous sur le site de l’EU. Une page interactive est disponible pour un pré dimensionnement de centrale solaire à adapter selon votre région et vos panneaux.

Soleil et électricité, ensoleillement

Nous gardons que deux chiffres de ce tableau, Ed ≅ 4 [kWh], ce qui est déjà pas mal une production d’énergie solaire journalière en moyenne annuelle et Hd ≅ 5.6 [kWh/m2)] pour la quantité quotidienne moyenne annuelle d’irradiation globale par mètre carré. A noter que j’ai admis que j’avais une installation de 1[kW crête], possibilité minima sur le choix des valeurs.

Pour pouvoir ramener ces chiffres à notre mini centrale solaire, on peut faire un simple rapport surface. ou un rapport de puissance crête.  Attention, la différence entre les grandes centrales solaires et une mini centrale solaire n’est peut-être pas linéaire, mais j’admets cela pour une première approximation.

Comparaison par la surface d’un panneau solaire : 115×90 mm soit 0.115*0.09= 0.01 m2. Donc avec un Hd = 5.63 [kWh/m2] journalier ramené à la mini centrale 5600 [Wh/m2jour] * 0.01 [m2] =  56 [Wh/jour] et pour deux panneaux : 120 [Wh/jour]. Mais bien sûr le rendement des panneaux va venir diminuer cette valeur. Mes panneaux sont de bas de gamme (CHF avec transport) leur rendement sera peut-être de 10%, les meilleures cellules actuelles sont autour de 22%, le standard est de l’ordre de 18%.
Comparaison avec la puissance crête 1[kWc] à comparer à 1.5[Wc] par panneau, nous pouvons tirer : avec Ed (3,99 [kWh/jour] /1000 [Wc] ) * 1.5 [Wc] = 6 [Wh/jour] soit pour deux panneaux 12[Wh/jour]. Nota le terme crête signifie que c’est le maximum que peut fournir le panneau dans les conditions standards (ensoleillement de 1000W/m², à température de 25°C, répartition spectrale du rayonnement AM1.5).

On résume ?

La consommation : 23.7 [Wh/jour] avec une puissance maximum d’environ 0.32[A]*[12]soit arrondi 4 [W].

La recharge : 11,7 [Wh/jour] avec une puissance max de 3W (moins le rendement du régulateur).

La batterie : 13.2 [Wh/jour] si la batterie est rechargée complètement la journée par les panneaux solaires.

En première conclusion

Le système envisagé semble ne pas être viable. mais il faut rester optimiste, je teste !

Premiers tests

Comme vous l’avez vu sur les images le système est compact et je l’ai posé en divers endroits. D’abord sans autre consommation que le régulateur soit environ 3[Wh/jour]. J’ai laissé le système branché (environ un mois) et de temps à autre je contrôlais la tension de la batterie sur l’affichage du régulateur.

Soleil et électricité, premier test

Pas de problème apparent sauf qu’un jour la tension est à 9.8[V] !! What !!! je n’ai jamais vraiment connu la raison exacte de cette chute brutale de la tension. Le chien, les instances supérieures, un chat ……. le système à certainement chuté (au vu de la forme de la batterie) et Madame l’a réinstallé ?!? Bref, ce n’est pas l’important, première chose je doit absolument rendre solidaire les panneaux solaires et le régulateur de la batterie, actuellement c’est seulement emboîté, donc si on soulève par les panneaux, c’est la cata ! Deuxième problème, maintenant que ma batterie est passée en dessous de 10.5[V] c’est mauvais, mauvais. Elle est détériorée, après une séquence de recharge elle est remontée vers 12.7[V], mais ….. on verra si elle a supporté cette décharge profonde.

Soleil et électricité, premier test

Après une recharge complète, je l’ai remis en fonction avec une consommation additive (led rouge) de 12[V] x 0.5[mA] =  0.6[W] soit au total avec le régulateur une puissance constamment consommée de 0.72[W] (led+régulateur). pour la consommation d’énergie journalière 17.3[Wjour]. J’ai stoppé l’expérience après environ 4 jours. La batterie ne remontait plus, même si j’enlevais la led ! Ma batterie n’a pas vraisemblablement supporté la décharge profonde.

Autre problème non prévu et pourtant à tenir compte dans toute installation à panneau solaire, le nettoyage ! En un jour, un oiseau malade ou un rendez-vous de volatiles, pas de chance ?

Soleil et électricité, panneaux solaires

Changement de batterie

Comme je n’ai plus trop confiance dans ma première batterie, j’en achète une nouvelle avec des caractéristiques identiques. Les problèmes de construction (solidarité panneau-batterie) sont résolus provisoirement. On va tester le tout avec la charge envisagée, une commande et une électrovanne. La commande est un Arduino Uno avec une petite électronique pour la pilotage de l’électrovanne (voir photo ci-dessus). Pour simuler l’arrosage de 30 minutes, un petit programme enclenche une minute l’électrovanne pour une heure d’arrêt, soit environ 24 minutes de fonctionnement par journée complète.

Ajout de charge envisagée

Le système est placé dans un endroit pas trop favorable et de plus ces jours, c’est couvert (saison des pluies). Donc si le système arrive à fonctionner en continu (plusieurs jours d’affilées), on peut toujours rêver, le système sera opérationnel ! Pour avoir  une information rapidement, j’installe le tout en fin de journée.

Soleil et électricité, minibatterie avec commande et électrovanne Après la première nuit, il reste une tension de 11.5V au matin, normal. On va attendre la fin de la journée pour voir si les panneaux solaires sont suffisant pour recharger la batterie, un miracle est toujours possible, je suis un optimiste invétéré 😛 . Mais par précaution j’ai deux autres panneaux solaire en réserve pour doubler la surface de charge (optimiste mais pas téméraire !!)

Surface solaire doublée

Un peu comme prévu la charge n’est pas suffisante, je double donc la surface de panneau solaire donc l’énergie de recharge devrait doubler soit 11,7 [Wh/jour] *2 soit 23.4[Wh/jour]. Ce système devrait être équilibré, du moins je l’espère 😕

Je n’arrive à rien !

La seule conclusion actuelle, ça ne marche pas. Le système est ok mais la batterie ne fait que de se décharger, les panneaux ne suffisent pas pour la recharger. Bon je vais essayer de comprendre pourquoi mes panneaux sont « pas terrible ». Aujourd’hui c’est le moment, le temps est couvert, pas de soleil, voyons ce que peuvent fournir ces panneaux !

Temps couvert

Soleil et électricité, panneaux solaires

Je les installe sur le bord de la fenêtre au nord en plein jour ciel couvert. Le circuit de mesure est composé de deux multimètres et la charge est réglée 12V, 0.2A (c’est le minima possible).Soleil et électricité, schéma branchement panneaux Soleil et électricité, test puissanceCircuit ouvert :

Le multimètre rouge le courant (0A)

Le multimètre jaune la tension (10.5V)

Puissance consommée : 0W (10.5*0)

 

 

Soleil et électricité, test puissance Circuit fermé : (désolé pour l’inversion des multimètres)

Le multimètre jaune le courant (0.03A)

Le multimètre rouge la tension (0.35V)

Puissance consommée : 0.01(W) = 0.35*0.03

La puissance maximum (selon le fournisseur) des panneaux est de 1.5Wc par panneaux, donc normalement avec quatre panneaux je devrais obtenir un peu moins de 6W car le temps est couvert. Voyons cela : 0.03A * 0.35V = 0.01 W !!! 😡 Vraiment pas terrible. Je commence à avoir un fort soupçon que mes panneaux solaires ne sont pas du « haut du pavé » ! On va faire la même mesure en plein soleil pour comparer et avoir une idée plus réaliste de la puissance maximum possible.

Ensoleillé

Soleil et électricité, panneaux solaires

Soleil et électricité, test puissance

Soleil et électricité, test puissance

 

Comme précédemment en circuit ouvert la tension = 12.7V. Puis en circuit fermé :
Le multimètre jaune le courant (0.123A)
Le multimètre rouge la tension (0.98V)
Puissance consommée : 0.12(W) = 0.123*0.98 c’est dix fois mieux que sans soleil mais on est encore loin de la puissance de crête prévue de 6(w) !

Soleil et électricité, panneaux solaires

Soleil et électricité, test puissance

En plaçant les panneaux plus ou moins perpendiculairement aux rayons du soleil j’arrive aux valeurs :

Le courant (0.150A) et la tension (1.1V) soit une puissance de 0.16( W). En « touillant » (améliorant) l’orientation je suis arrivé au maximum de 0.3 (W) mais c’est toujours très loin des 6(w) promis !!!

Pour contrôler, si la mise en parallèle des panneaux crée un problème, je fais quelques mesures avec un seul panneau. Schéma du branchement des panneaux :

Soleil et électricité, branchement panneaux

Un seul panneau est en fonction (les autres sont débranchés, voici les résultats, quelques peu surprenant, mais depuis le début je vais de surprises en surprises.

Soleil et électricité, panneaux solairesSoleil et électricité, test puissance          Soleil et électricité, panneaux solaires Soleil et électricité, test puissance

En exposition solaire on arrive au maximum avec un courant (0.092A) et la tension (4.8V) soit une puissance de 0.44( W) !!  😯 .

 …..

Résumé de la situation (branchement en parallèle) :

Nombre panneaux condition courant (mA) tension (V) P  (W) mesurée Pc  (W) théorie η % P/Pc
4 (-1) Couvert 29.3 0.35 0.01 6 0.17
4 (-1) Ensoleillé rayonnement direct 149 10.8 1.6 6 27
1 (moyen)
Couvert 14.9 0.77 0.01 1.5 0.67
1 (moyen)
Ensoleillé rayonnement direct 92.1 4.81 0.44 1.5 29

Il y a un « effet de couplage » entre les panneaux lors de leur mise en parallèle. Théoriquement c’est tension identique et courants additionnés, mais il y a un petit effet multiplicateur dont je n’ai pas l’origine, un point à encore étudier, mais cela n’est pas, et de loin, le principal problème de mes panneaux solaires. C’est plutôt leurs extrêmes sensibilités aux rayonnements solaires et leur très mauvais rendement de conversion.

Même si considère que je bénéficie d’un excellent ensoleillement, ces panneaux ne sont pas assez performant, sur le papier oui, mais en pratique …… 🙁 ……..

 

Conclusion (provisoire)

Changer les panneaux ! Donc à bientôt pour une présentation ne se terminant pas sur un échec et ne jamais oublier comme disait Mandela

« Je ne perds jamais. Soit je gagne, soit j’apprends »

Pour ma part, j’ai beaucoup appris mais j’espère aussi gagner !  😛