Electricité - Production/Consommation/Batterie / Electricity - Production/Consumption/Batterie

La question principale est évidemment de connaitre l'autonomie que nous pouvons espérer sachant que nous comptons surtout sur le panneau solaire et très peu sur notre vieille éolienne (ce sera du bonus) parce que lorsque le vent monte au dessus de 20-25 kt nous l’arrêtons par crainte des vibrations. 
Nous avons donc essayé d'estimer notre consommation et notre production journalières. Pour cette dernière, les éléments pris en compte sont le panneau solaire, le régulateur et les batteries.

Estimation de la consommation journalière

Nous avons analysé trois cas de figure : mouillage, navigation côtière et navigation hauturière. 

Mouillage
Dans les conditions suivantes : le PC est utilisé 4 heures et se recharge la moitié du temps, un peu de consommation diverse (téléphone, radio, ...)

• Feu de mouillage : 0.4 A pendant 8 heures = 3.2 Ah
• Eclairage : 0.4 A pendant 4 heures = 1.6 Ah
• Chargeur PC : 6 A pendant 2  heures = 12 Ah
• Réfrigérateur : 2.5 A pendant 24 heures = 60 Ah
• Autre (radio, recharge téléphone, ...) = 10 Ah

Soit un total ~87 Ah

Navigation côtière
Dans les conditions suivantes : 10 heures de navigation dont 6 sous pilote, le PC est utilisé 10 heures (OpenCPN) et charge la moitié du temps et reste du temps  au mouillage.

• Feu de mouillage : 0.4 A pendant 8 heures = 3.2 Ah
• Eclairage : 0.4 A pendant 4 heures = 1.6 Ah
• Chargeur PC : 6 A pendant 5  heures = 30 Ah
• Réfrigérateur : 2.5 A pendant 24 heures = 60 Ah
• Instruments : 3 A pendant 10 heures = 30 Ah
• Pilote : 7 A pendant 6 heures = 42 Ah
• Autre (radio, recharge téléphone, ...) = 10 Ah

Soit un total ~177 Ah

Navigation hauturière

Dans les conditions suivantes : 24 heures de navigation dont 20 sous pilote ou 24 avec le régulateur d'allure, le PC n'est utilisé que 2 heures.

• Feu de route: 0.4 A pendant 8 heures = 3.2 Ah
• Eclairage : 0.4 A pendant 4 heures = 1.6 Ah
• Chargeur PC : 6 A pendant 1 heure = 6 Ah
• Réfrigérateur : 2.5 A pendant 24 heures = 60 Ah
• Instruments : 3 A pendant 24 heures = 72 Ah
• Pilote : 7 A pendant 20 heures = 140 Ah
• Autre (radio, recharge téléphone, ...) = 10 Ah

Soit un total ~293 Ah si pilote ou 153 Ah sous régulateur d'allure

Estimation de la production journalière

Nous avons un panneau solaire fournissant un puissance maximale de 300 W pour une puissance reçue sur la terre de 1000 W/m² (données constructeur); un régulateur qui a un rendement de l'ordre de 95% et 5% de perte dans le câblage (pessimiste car nous avons surdimensionné les câbles) soit 90% de rendement global. 

Nous approximons a 12 heures d'ensoleillement par jour, ce qui est pessimiste en été et à 800 W/m² la puissance reçue à 40-45° de latitude (donnée obtenue sur les sites de production photovoltaïque).

Enfin pour tenir compte du fait que le panneau génère moins de courant le matin et le soir nous approximons la courbe de génération comme une sinusoïde par la méthode des 12 ème comme pour le calcul des hauteurs de marée.

• Puissance maximale générée par le panneau à 40/45° de latitude 300 x 0.8 = 240 W
• Puissance maximale à la batterie (rendement installation) 240 W x 0.9 = 216 W
• Intensité maximale disponible à la batterie (14,4 V tension de charge (bulk))  216 / 14.4 = 15 A
• En appliquant l'approximation de la sinusoïde par la méthode des 12 ème ; on a pour chaque heure de la journée 1/12, 3/12, 6/12, 9/12, 11/12, 12/12, 12/12, 11/12, 9/12, 6/12, 3/12 et 1/12 de 15 A.
  Soit une production journalière 1.25 + 3.75 +7.5 + 11.25 + 13.75 + 15 + 15 + 13.75 + 11.25 + 7.5 + 3.75 + 1.25 = 105 Ah

En conclusion nous devrions être :

• Totalement autonome au mouillage
• Autonome en navigation côtière sur quelques jours suivant la capacité des batteries.
• Autonome en navigation hauturière sur quelques jours suivant la capacité des batteries.

Les batteries

C'est un monde à part entière et il nous a fallu lire pas mal de documents pour arriver à faire nos choix. Heureusement il y a des sites internet qui sont bien fait et qui nous ont beaucoup aidés. 

Nous n'avons considéré que les batteries au plomb ; au sens large, en effet les constructeurs on recours a différents alliages pour améliorer les performances.  Nous n'avons pas considéré les batteries au lithium trop chères.

En résumé il y a :

• Deux types d’utilisation sur un voilier, d'une part le démarrage moteur, le guindeau et le propulseur d’étrave nécessitant un fort ampérage (100 A et plus) mais de courte durée et d'autre part le service (éclairage, feux divers, radio, instruments, pilote, réfrigérateur, etc) demandant un courant faible mais quasi continu.
• Deux types de batterie, les ouvertes (ou liquide) et les étanches sans entretien.
  Nous avons choisi ces dernières pour des raisons évidentes de sécurité (étanchéité à la gite, pas (peu) de dégagement gazeux) ; leur capacité à supporter des décharges profondes (jusqu'à 80% voire 100% chez certains constructeurs) ; une faible autodécharge leur permettant d'hiverner sans être rechargée 
• Deux types de batterie étanche, les AGM et les GEL. La différence se fait sur la manière d'emprisonner l’électrolyte ; dans un tissu de verre pour les AGM et un gel pour les ... GEL. 

A partir de là commence le casse tête car il existe une multitude de variantes (surtout les GEL) en fonction de l'utilisation prévue par le constructeur. 

L'autre point délicat est de choisir entre les AGM et les GEL ; idéalement il semble que le meilleur choix soit une AGM pour le démarrage et une GEL pour la servitude MAIS les batteries GEL sont plus délicates a utiliser, deux points notamment doivent être surveillés avec attention sur ces dernières :

• Le courant maximum de charge qui ne doit pas être dépassé (en general entre 10 et 20 % de C20). Sur un voilier le risque provient de l'alternateur qui peut fournir un courant très important, jusqu’à 95 A sur Roy Arthur. Avoir un alternateur puissant est un avantage lorsque plusieurs parcs de batteries sont a charger simultanément (via le répartiteur de charge) mais devient un inconvénient lorsque seul le parc de service est a charger. La solution est d'avoir un régulateur d'alternateur très performant. 
• La température des batteries. Si cette dernière fluctue de manière importante ou si elle dépasse 30° C il est impératif de compenser le courant de charge en fonction de la température. Sur Roy Arthur les batteries sont placées dans des caissons peu aérés et non ventilés et comme nous ne prévoyons de naviguer que dans des eaux chaudes, les 30° C pourront être atteints voire dépassés.

Enfin il y a de légères différences sur les tensions de charge, de float, ... entre les batteries AGM et GEL ; comme les chargeurs et répartiteurs ne se règlent que sur une seule tension commune à toutes les voies (nous avons un chargeur trois voies sur Roy Arthur), on arrive rapidement à la conclusion que la simplicité sera de choisir des parcs de même type. Bien sûr cela ne tuerait pas les batteries si on les mélangeait car les différences de tension sont faibles (en général moins de 0.4 V) mais il serait dommage, vu le coût de ces batteries, de ne pas les charger à fond ou de diminuer leur durée de vie.

Un autre point important concerne la capacité d'une batterie. Pour une batterie donnée on a une, voire deux ou trois valeurs typiquement C5, C20 et C100. La capacité C5 (respectivement C20, C100) donne la capacité maximale de la batterie pour une décharge totale au bout de 5 (20, 100) heures. L'aptitude  d'une batterie à fournir du courant augmente avec la durée de décharge donc C5  est inférieure à C20 qui est inférieure à C100. Comme les estimations de consommation et de production d'électricité sont faites sur une base journalière nous prenons pour référence la capacité C20 très proche de la C24 qu'aucun fabriquant ne fourni malheureusement. 

Enfin il faut aussi considérer le poids qui est vite non négligeable. Une batterie de 100 Ah pèse environ 30 kg, une 160 Ah autour de 45-50 kg ; on voit donc qu'on embarque assez rapidement 100 à 150 kg de batterie sans pour autant avoir des capacités exceptionnelles. 

In fine pour Roy Arthur nous avons choisi des batteries AGM plus facile à gérer que les GEL; une Optima 50 Ah pour le démarrage et un parc de deux batteries de 158 Ah C20 de marque Monbat. Ces deux marques de batterie partagent des tensions de charge (bulk) et de maintien (float) quasi identiques 

	Optima	Monbat	Réglage choisi
Tension de charge	13,8 - 15,0	14,1 - 15,1	14,4
Tension de maintien	13,2 - 13,8	13,62	13,6

ce qui était un prérequis puisque nous utilisons un chargeur a trois sorties qui n'offre qu'un réglage commun a toutes les voies (ce qui est une généralité).

Aout 2020

Les batteries sont enfin installées et nous pouvons faire les premières mesures. Bien que ces batteries soient garanties plusieurs centaines de cycles avec une décharge a 70% nous considérons que le fonctionnement normal ne doit pas dépasser 50% de décharge afin de conserver une durée de vie maximale ; soit 160 Ah par 24 heures. 

Les premières mesures montrent que notre consommation réfrigérateur plus éclairage la nuit sur environ 12 heures est de 12 Ah soit 7.5%. Mi-août les journées ont déjà raccourcies néanmoins nous voyons que dès 7-8 heures le matin le panneau solaire commence a charger et qu'a 11 heure les batteries sont complètement chargées avec des courants de 8-10 A à 10 heures (8 heure an soleil) de plus avec un panneau solaire sale. 

Ces premières mesures sont évidemment à compléter mais je pense que les 15 A maximum estimés ci-dessus seront largement dépassés et que nous pourrons récupérer plus de 105 Ah par 24 heures.

Novembre 2020

Après notre petite balade en mer de 3 semaines en septembre/octobre nous confirmons que le panneau solaire est largement suffisant pour recharger les batteries, au moins dans les deux cas de figures : mouillage et croisière côtière. Nous avons eu quelques jours de pluie ou un temps très nuageux ; malgré cela le soir les batteries étaient rechargées au moins à 85% alors que les jours avaient déjà bien diminués. 

De ce fait nous envisageons de supprimer l'éolienne (qui n'était pas branchée pendant notre sortie de septembre) cela nous fera gagner ~20 kg perché à 2,50 mètre sur le portique et nous apportera de la sécurité.

Eolienne vs. panneau solaire

Ce chapitre donne quelques indications sur le fonctionnement des panneaux solaires et des éoliennes et explique pourquoi nous préférons les premiers au deuxièmes.

Les panneaux solaires sont des générateurs de tensions (ils offrent une tension quasi constante quelque soit le courant fourni). On peut le "débrancher" sans danger pour travailler sur l'installation électrique. ATTENTION par "débrancher" il faut comprendre installer un sectionneur courant continu (idéalement bipolaire (coupe le + et le - 12V)) capable de couper, dans notre cas, un courant d'une dizaine d'Ampère sous une tension d'environ  40 Volts : ce n'est pas un simple interrupteur 12 ou 24 Volt ni même 230 Volts alternatif ! 

Cette précaution prise on peut isoler le panneau solaire du reste de l'installation électrique et travailler sans danger ni pour soi ni pour le panneau solaire.

Une éolienne est un générateur de courant qu'il ne faut JAMAIS "débrancher" au risque de gravement l'endommager. Pour "débrancher" une éolienne il faut l'arrêter physiquement avec un bout ou tout autre solution. Si on n'arrête pas l'éolienne l'énergie générée la fera chauffer très rapidement jusqu'à la détruire.

Pour charger une batterie il faut dans les deux cas un régulateur. Le régulateur de panneau solaire se comportera comme un sectionneur et donc lorsque la batterie sera chargé il mettra le panneau solaire en circuit ouvert. Avec une éolienne lorsque les batteries sont chargées certains régulateurs ont un système qui arrête l'éolienne, d'autres plus simples débitent simplement le courant fourni par l'éolienne dans une résistance qui produit donc de la chaleur. Comme en général le régulateur est placé à proximité des batteries il chauffe ces dernières ce qui n'est pas idéal.

Pour les amateurs de calcul : un générateur de tension réel peut être modélisé comme une source de tension E idéale (tension constante quelque soit le courant débité dans une charge) connecté en série à une résistance (résistance interne du panneau solaire). La tension disponible aux bornes du panneau solaire vaut donc U = E - Rint X I. 

Les fabricants de panneaux solaires donnent en général la tension à vide et le courant de court circuit ainsi que la tension et le courant à la puissance maximale. 

Paramètres de notre panneau solaire

Avec la tension à vide (I = 0) on détermine E qui est égale à U (pour notre panneau solaire E = 39.9 V). Avec le courant et la tension à la puissance maximale on peut calculer la résistance interne :  Upmax = E - Rint x Ipmax d'où Rint = (E - Upmax)/Ipmax soit dans notre cas :(39.9 - 32.7)/9.18 = 0.78 Ohm. Si on met le panneau solaire en court circuit il produira un courant de court circuit Isc qui est le courant maximal que peut fournir le panneau solaire. On peut alors calculer la tension aux bornes du panneau solaire mis en court circuit : U = E - Rint x Isc soit dans notre cas 32.06 V. 

Un générateur de courant réel peut être modélisé par un générateur de courant idéal (I = constante quelque soit la charge) connecté en parallèle à une résistance (résistance interne de l'appareil). La résistance interne d'un générateur de courant est, contrairement au générateur de tension, très grande ce qui permet en première approximation de négliger le courant qui passe dans la résistance interne. On comprend facilement pourquoi il ne faut pas mettre une éolienne en circuit ouvert car alors l'intensité I générée passe en totalité dans la résistance interne. Toujours d'après la loi d'Ohm la puissance P = U x I ou P = R x I². Comme la résistance interne est grande la puissance absorbée par l'éolienne sera très grande. Cette puissance se transforme en chaleur dans la résistance interne et, si cela dure un peu, endommage irrémédiablement l'éolienne.