[TEST] Panneaux solaires : autonomes… à l'autre bout du monde!

Les panneaux solaires photovoltaïques sont un incontournable pour les amoureux de la nature et de la technologie. Une équipe dirigée par Oumarou Savadogo, professeur titulaire spécialiste en énergie solaire à l'École polytechnique de Montréal, a testé six systèmes solaires pour Espaces. Bilan? En général, ça fonctionne plutôt bien. Mais toutes les promesses ne sont pas tenues.

Se retrouver au milieu de nulle part est un réel plaisir pour les adeptes de plein air. Mais l'électricité y fait souvent défaut. Les panneaux solaires permettent de gagner en autonomie pour recharger cellulaires, téléphones satellites, accumulateurs de GPS, de lampes frontales, d'appareils photo, de caméras vidéo ou d'ordinateurs. Il suffit d'un panneau solaire, d'une bonne batterie rechargeable, de soleil… et de patience.

Un panneau solaire récupère le rayonnement du soleil et convertit cette lumière en électricité. Si son rendement est de 10 %, cela signifie qu'un dixième de l'énergie du soleil qui frappe les panneaux est transformé en électricité. Les plus performants, utilisés dans l'espace, ont un rendement d'environ 33 %. Un panneau regroupe des cellules photovoltaïques reliées entre elles. Ce sont ces cellules qui génèrent du courant électrique; la puissance d'un panneau solaire croît avec le nombre de cellules qui le composent. Ainsi, un panneau solaire de grande taille produira plus d'électricité qu'un petit modèle comparable.

La surface totale des cellules est donc cruciale dans la production d'électricité. Par exemple, l'ensoleillement peut fournir 5 000 Wh par mètre carré en une belle journée d'été à Montréal, explique Oumarou Savadogo. Si c'est très nuageux, il ne reste parfois que 2 % de cette énergie. Le petit format des panneaux solaires d'expédition nuit à leur productivité, particulièrement par temps nuageux. « Il ne faut pas s'attendre à des miracles! », dit-il.

Il y a plusieurs types de cellules photovoltaïques et une grande variété de qualités (voir autre texte). Chacune possède ses avantages et inconvénients. Une notion s'impose néanmoins : la performance de certaines cellules chute lorsque la température hausse. On peut perdre 10 % de rendement lorsque le panneau surchauffe. La chaleur réduit la capacité des matériaux à convertir la lumière en électricité; ils sont donc plus efficaces l'hiver. Si votre objectif est d'utiliser les panneaux en plein désert, vaut peut-être mieux opter pour une technologie moins sensible à la chaleur ou pour un panneau fabriqué en conséquence. Oumarou Savadogo a d'ailleurs été déçu de la conception de certains panneaux : le support était noir, rien pour améliorer les performances.

L'utilisation d'un accumulateur-tampon s'impose avec du matériel électronique. Celui-ci emmagasine l'énergie produite par le panneau solaire. On peut charger l'accumulateur durant la journée, même en déplacement, et recharger son équipement en soirée, au campement. Certains chargeurs solaires sont munis d'un accumulateur intégré. D'autres n'en ont pas : il suffit d'en utiliser un externe ou de connecter directement notre appareil, si possible, sur le panneau exposé au soleil. Mais attention : des appareils capricieux refusent parfois d'être chargés directement d'un panneau. Morale? Vaut mieux s'informer et faire des tests avant de partir. Et c'est aussi utile de connaître son accumulateur : plusieurs déclarent forfait dès que leur charge indique moins de 40 %.

Le panneau idéal répond aux besoins de votre équipement; ceux de 150 grammes ne chargeront pas votre ordinateur portable! La majorité des compagnies fournissent une panoplie d'adaptateurs pour cellulaires, accumulateurs d'appareils photo, etc. Informez-vous sur ce qui est inclus ou nécessaire. Vérifiez aussi la connectivité de votre équipement pour éviter les frustrations et harnacher en paix l'énergie du soleil!

Cellules photovoltaïques et accumulateurs

>> Cellules de silicium monocristallin

La technologie du silicium cristallin remonte aux années 1950. C'est la plus ancienne, la plus développée et la plus répandue. Le silicium, un matériau semi-conducteur, est extrait de la silice qui abonde dans la nature sous forme de sable ou de quartz. On distingue le silicium monocristallin et le polycristallin. Le cristal du silicium monocristallin est homogène et très pur. Il en résulte des cellules uniformes, d'un bleu noir métallique, très performantes. Elles se composent de fines plaques (de l'ordre de centaines de micromètres) de silicium et un panneau de verre les protège. L'ensemble est donc solide.

+ 
Excellent rendement, jusqu'à 20 %

- 
Cellules rigides et relativement lourdes
Le rendement décline par temps couvert ou éclairage oblique
Le rendement chute lorsque la température augmente
Coût élevé à cause de la méthode de fabrication
 

>> Cellules de silicium polycristallin

Des petits cristaux métalliques de tailles et de formes variées caractérisent les fines plaques du silicium polycristallin. Il est moins pur et de moins bonne qualité que le silicium monocristallin; son rendement est inférieur, mais il est plus abordable.

+
Bon rendement, jusqu'à 17 %
Peu coûteux

-
Cellules rigides
Le rendement décline par temps couvert ou éclairage oblique
Le rendement chute lorsque la température augmente

>> Cellules de silicium amorphe

Les calculatrices solaires utilisent ce type de cellules. Leur rendement global est inférieur, mais ces cellules réagissent bien lorsque la lumière est diffuse ou faible (ciel couvert, panneau mal orienté, etc.). Le silicium amorphe est déposé en couches minces sur du verre ou une surface souple. Son efficacité à transformer la lumière en électricité chute de 15 à 30 % (effet Staebler-Wronski) pendant les six premiers mois d'opération.

+
Performant même si le ciel est couvert
Peu sensible à la hausse de température
Cellules souples
Peu coûteux

-
Faible rendement, jusqu'à 8 % (cellules à une seule jonction) ou 11 % (cellules à multijonctions)
Perte de rendement au début

>> Cellules CIGS

Les cellules CIGS créent leur petite révolution dans le monde photovoltaïque. Elles sont réalisées à partir d'un semi-conducteur composé de cuivre, d'indium, de gallium et de sélénium (CIGS). Le matériau est plus dispendieux que le silicium cristallin, mais il en faut en moins grande quantité (compétitif en prix et plus léger). Cette technologie mince est idéale pour la fabrication de panneaux solaires flexibles et pliables.

+
Bon rendement, jusqu'à 12 %
Performant même si le ciel est couvert
Peu sensible à la hausse de température
Cellules souples et légères

-
Prix relativement élevé, mais compétitif
 

>> Les accumulateurs

Les manufacturiers retiennent le lithium pour les accumulateurs conçus pour être trimballés. On réserve le plomb – peu dispendieux, idéal pour de fortes charges et lourd – pour des accumulateurs laissés à un endroit, comme aux camps de base. On connaît déjà les accumulateurs lithium-ions (Li-ion) et lithium-polymères (Li-po) pour leur usage dans les appareils photo, téléphones ou ordinateurs. Le froid affecte peu leur performance. Et l'autodécharge n'est pas un souci. Les accumulateurs LiFePO4 (comme le Sherpa 120 de Goal Zero) sont plus intéressants que ceux en Li-ion et Li-po : nombre supérieur de cycles de charge/décharge et meilleur rapport énergie/poids.

À savoir : la plupart de ces accumulateurs se chargent rapidement de 0 à 80 %. Le rythme ralentit par la suite.

Testé pour vous
Entre avril et août, l'équipe de l'École polytechnique de Montréal a testé ces panneaux solaires avec des téléphones cellulaires, des iPhone, iPod ou lecteurs mp3 et des ordinateurs pour les systèmes plus puissants. Certains panneaux ont même voyagé au Burkina-Faso et au Burundi! À moins d'indication contraire, ils sont parvenus à fournir un minimum d'électricité – ça dépend de la puissance! – à l'équipement électronique. Toutefois, vaut mieux se résigner lorsque le temps est nuageux : les systèmes avec indicateur de charge ne parvenaient pas à monter la charge de l'accumulateur au-delà de 40 %, sauf celui de Brunton, affichant 60 %. Voici un concentré des bons ou des mauvais coups.

SolarMio 31 de SolarFocus
(solarmio.com)

CARACTÉRISTIQUES :
Cellules : silicium amorphe triple jonction
Puissance maximale : 2,52 W
Accumulateur intégré : oui
Pile au lithium-polymère de 900 mAh, 3,7 V
Tensions de sortie : USB (5 V : 0,5 A) et DC 6 V (0,5 A).
Chargement plein soleil : 3 heures
Dimensions : 22,5 x 23 x 0,55 cm (déplié); 22,5 x 8 x 2 cm (plié)
Poids : 230 g
Prix : 120 $

CONCEPTION :
Panneau relativement flexible, étui pliable au fini plastifié avec coutures, enveloppe protectrice pour la pile détachable, oeillets de métal dans les quatre coins. Accumulateur avec indicateur de charge limité à une lumière (rouge ou verte), se recharge avec un adaptateur mural (120 V) ou dans un allume-cigare de voiture, paraît fragile.

TEST :
Difficile de juger les performances du panneau faute d'un indicateur de charge plus précis. Ses limites nuisent à l'utilisation. L'accumulateur semble se décharger seul après quelques jours.

APPRÉCIATION :
6/10

COMMENTAIRE :
On est aveugle sans indicateur de charge. Ceci dit, un ajout apprécié depuis juin 2011 : un adaptateur permet de charger les piles d'appareils photo numériques compacts (lithium-ion de 3,6-3,7 V)! Le modèle testé ne l'incluait pas encore.

Classic de Solio
(solio.com)

CARACTÉRISTIQUES :
Cellules : silicium monocristallin
Puissance maximale : 4,8 W
Accumulateur intégré : oui
Pile au lithium-ion de 1650 mAh, 3,7 V
Tensions de sortie : 5-6 V (800 mA)
Chargement plein soleil : 7-9 heures
Dimensions : 11.94 x 3.30 x 6.35cm
Poids : 158 g
Prix : 99 $

CONCEPTION :  
« Le premier chargeur écologique élégant », écrit l'entreprise Solio. Certes joli, mais il n'y a qu'un trou au milieu de l'éventail déployé pour l'attacher ou le soutenir. Il semble d'abord voué à une utilisation statique, comme sur une table avec un crayon planté au centre. Moins pratique en ski, randonnée, etc. Coquille en plastique rigide. Accumulateur avec une lumière qui clignote jusqu'à cinq fois (incrément de 20 %) pour indiquer la charge, se recharge avec le port USB d'un ordinateur.

TEST :
Bonne performance lorsque bien orienté vers le soleil. L'équipe n'a pas réussi à charger des appareils électroniques lorsque l'indicateur de charge indiquait moins de 40 %.

APPRÉCIATION :
8/10

Powermonkey-eXplorer de Powertraveller
(powertraveller.com)

CARACTÉRISTIQUES :
Cellules : silicium polycristallin
Puissance maximale : 3,5 W
Accumulateur intégré : oui
Pile au lithium-ion de 2200 mAh, 3,7 V
Tensions de sortie : 4,5 à 5,5 V
Chargement plein soleil : 18 heures (6 heures pour le tiers de l'accumulateur)
Dimensions : panneau : 22,5 x 7 x 0,5 cm (déplié); 11 x 5 x 1 cm (plié); pile : 9 x 4,5 x 3,8 cm
Poids : 165 g (sans les adaptateurs)
Prix : 105 $

CONCEPTION :
Panneau en plastique rigide, fini caoutchouté, robuste, petit et léger, sangle en velcro pour l'attacher où l'on veut, simple. Accumulateur avec écran LCD (7 barres de niveau), se recharge avec un adaptateur mural (120 V) et le port USB d'un ordinateur.

TEST :
La puissance du panneau est limitée : il faut plus d'une journée ensoleillée pour charger l'accumulateur. À plein rendement, celui-ci a seulement permis à un iPhone 3G de gagner 60 % de charge. Selon les spécifications de l'accumulateur, on s'attend à pouvoir charger un iPhone au complet. L'accumulateur était-il défectueux?

APPRÉCIATION :
7/10

COMMENTAIRE :
L'accumulateur de votre appareil photo compact est à plat? Le Powermonkey peut substituer celui de certains modèles.

Nomad 7 de Goal Zero
(goalzero.com)

CARACTÉRISTIQUES :
Cellules : silicium monocristallin
Puissance maximale : 7 W
Accumulateur intégré : non
Tensions de sortie : USB (5 V:0,5 A); DC 12V
Dimensions : 48 x 23 x 0,25 cm (déplié); 15 x 23 x 2.5 cm (plié)
Poids : 360 g
Prix : 100 $

CONCEPTION :
Panneau repliable en tissu Cordura avec deux cellules, six anses en corde servent d'ancrages; le mariage des cellules rigides – et cassantes! – au support souple semble réussi.

TEST :
On peut brancher directement de l'équipement électronique (USB ou DC 12V) dans le panneau solaire sans utiliser d'accumulateur-tampon. Par contre, le fonctionnement est inconstant. Un accumulateur fournit une puissance et un courant précis tandis qu'un panneau souffre de la présence de nuages, explique Goal Zero. Un exemple? Le plus souvent, un iPhone avec le Nomad 7 affichait ce message rebutant : « La recharge n'est pas gérée avec cet accessoire ». L'ensoleillement doit être puissant pour que ça fonctionne. Appareils capricieux, selon les ingénieurs de Goal Zero. L'équipe de Polytechnique soupçonne que la puissance à la sortie USB était irrégulière. Le tissu noir fait chuter les performances (voir Nomad 27 pour des détails).

APPRÉCIATION :
7/10

COMMENTAIRE :
Les sorties USB des prochains panneaux et accumulateurs de Goal Zero seront plus puissantes (5 V: 1 A)

Panneau Nomad 27 et accumulateur Sherpa 120 de Goal Zero
(goalzero.com)

CARACTÉRISTIQUES :
Panneau Nomad 27
Cellules : silicium monocristallin
Puissance maximale : 27 W
Dimensions : 57,2 x 113 x 0,1 cm (déplié); 26,7 x 17,8 x 2,5 cm (plié)
Poids : 1,54 kg
Prix : 350 $

Accumulateur Sherpa 120
Pile au lithium-fer phosphate (LiFePO4) de 10 Ah, 12 V (120 Wh)
Tensions de sortie : USB (5V : 0,5A); DC 12 V
Chargement plein soleil avec le Nomad 27 : 6-10 heures
Dimensions : 23 x 15 x 5 cm
Poids : 1,7 kg
Prix : 400 $

CONCEPTION :
Panneau repliable en tissu Cordura avec huit cellules, quatre oeillets métalliques, semble durable.
Accumulateur avec écran LCD (5 barres de niveau), se recharge avec un adaptateur mural (120 V) ou dans un allume-cigare de voiture, robuste, gainage caoutchouc/silicone, tensions de sortie limitées.

TEST PANNEAU 
Ça chauffe! Deux heures après un bon bain de soleil, le panneau mis à l'ombre faisait encore de la fièvre : 50°C. Les cellules en silicium monocristallin perdent du rendement avec la chaleur (perte de 0,5 % en puissance par degré au-dessus de 25°C). Les chercheurs de Polytechnique croient que le tissu noir, en absorbant plus de chaleur, fait chuter la performance du panneau. Un support blanc serait un meilleur choix (bien que salissant!) : les rayons du soleil seraient réfléchis par le tissu, plutôt qu'absorbés, et plus de rayons pourraient ainsi frapper les cellules. D'ailleurs, pourquoi noir? « Pour l'esthétique », répondent les ingénieurs de Goal Zero. En attendant, le rendement chute. À puissance similaire, ce panneau est globalement moins performant que celui de Brunton.

TEST ACCUMULATEUR :
L'accumulateur a une importante autonomie, mais il ne possède que deux tensions de sortie (USB et DC 12 V). Dommage : un convertisseur s'impose pour des ordinateurs qui exigent 16 ou 19 V, par exemple. À moins de 40 %, l'accumulateur charge moins bien l'équipement. Conserve bien la charge.

APPRÉCIATION :
8/10

COMMENTAIRE :
On se réjouit : Goal Zero nous a confié que leurs futurs accumulateurs auraient davantage de tensions de sortie.

Panneau Solaris 26 et accumulateur Sustain de Brunton
(bruntonoutdoor.com)

CARACTÉRISTIQUES :
Panneau Brunton Solaris 26
Cellules : CIGS
Puissance maximale : 26 W (12 V/1600 mA)
Dimensions : 53 cm x 104 cm (déplié); 28 cm x 20 cm x 2,5 cm (plié)
Poids : 794 g
Prix : 646 $

Accumulateur Brunton Sustain
Pile au lithium-polymère de 6 Ah, 73 Wh
Tensions de sortie : USB 2.0 (5 V:1 A); 12V, 16V et 19V
Chargement plein soleil avec le Solaris 26 : 4 heures
Dimensions : 20 x 9,5 x 2,5 cm
Poids : 595 g
Prix : 280 $

CONCEPTION :
Panneau très flexible, avec 8 cellules, fini caoutchouté résistant à l'eau, aucune couture, œillets de métal dans les quatre coins; simple et semble durable. Accumulateur avec indicateur de charge (cinq lumières, incrément de 20 %); très pratique avec ses multiples tensions de sortie, se recharge avec un adaptateur mural (120 V) ou dans un allume-cigare de voiture, enveloppe caoutchoutée, simple et semble robuste.

TEST PANNEAU :
Lors de conditions d'ensoleillement optimales, le panneau a chargé l'accumulateur de 0 à 80 % en 60 minutes. L'indicateur de charge a ensuite plafonné à 80 %. Surchauffe au soleil (jusqu'à 50°C). Parmi les panneaux testés, celui-ci offre la meilleure performance par temps nuageux grâce aux cellules CIGS. La charge de l'accumulateur plafonne néanmoins à 60 % par temps couvert.

TEST ACCUMULATEUR :
Se charge très vite. Le panneau n'est pas parvenu à charger l'accumulateur au-delà de 80 %. Deux hypothèses sont retenues : l'indicateur de charge de l'accumulateur n'illustre pas la réalité, l'échauffement du panneau nuirait à la performance globale malgré les cellules CIGS. Aussi, l'équipe n'a pas réussi à charger des appareils électroniques lorsque l'indicateur de charge indiquait moins de 40 %. L'accumulateur conserve bien la charge après plusieurs jours.

APPRÉCIATION :
9/10

COMMENTAIRE :
« En terme pratique, c'est le meilleur système. Les cellules photovoltaïques CIGS sont celles de l'avenir », croit Oumarou Savadogo de l'École polytechnique.

Votre équipement
Pour s'équiper, il vaut mieux commencer par identifier le matériel à recharger afin de trouver le panneau idéal. Une mise en garde : vérifiez les spécifications de votre équipement car, par exemple, plusieurs standards existent pour les sorties USB. Enfin, quelques notions d'électricité s'imposent!

La formule magique : Puissance = Courant x Voltage. (W = A x V)

Un exemple : l'accumulateur d'iPhone 4G fait 1420 mAh, 3,7 V. Donc, il a une capacité énergétique de 5,254 Wh (1,420 x 3,7). Pour le charger au complet à partir d'un autre accumulateur, il faut que celui-ci ait plus d'énergie que le iPhone. Même plein, un accumulateur comme celui du SolarMio 31 (900 mAh, 3,7 V donc 3,330 Wh) ne parviendra jamais avec une seule charge à recharger au complet un iPhone vide. En théorie, il pourrait remplir tout juste 63 % d'un tel iPhone. En pratique, c'est moins (pertes de chaleur, etc.).

Cellulaire/Téléphone satellite
Le Powermonkey-eXplorer, SolarMio 31 et Solio Classic sont vendus avec plusieurs adaptateurs. Autrement, il est souvent possible d'acheter l'adaptateur qui convient. Il faut vérifier si le système solaire est compatible avec notre cellulaire. Souvenez-vous que certains systèmes, dont les iPhone, sont capricieux! Les accumulateurs des téléphones satellites nécessitent souvent du DC 12 V pour la recharge (comme l'allume-cigare de la voiture), un tel adaptateur vient couramment avec les panneaux plus puissants.

Piles AA, AAA
Les piles AA ou AAA sont utilisées partout, comme dans la plupart des GPS sur le marché. Si le système solaire comprend une sortie USB, il suffit de se procurer un chargeur pour piles rechargeables compatible qui se connecte sur USB. On peut ainsi charger les piles. Goal Zero fabrique notamment le Guide 10 pour charger des piles AA ou AAA. N'oubliez pas de comparer vos calculs de puissance entre ce que fournit le panneau et le besoin des piles!

Appareil photo
Il est choquant de manquer la photo du siècle faute de piles! La tension des accumulateurs pour les appareils compacts varie autour de 3,4-3,7 volts. Une sortie USB et un adaptateur spécial peuvent leur fournir de l'électricité. Certains modèles d'appareils photo compacts peuvent être rechargés directement sur une sortie USB. L'accumulateur des appareils reflex varie autour de 7,0-7,4 volts. Pour les appareils reflex, une sortie 12 V fonctionne bien avec un chargeur universel, comme le Digicharger Vario de Ansmann.

Et mon ordinateur?
Il faut une batterie assez puissante, comme la Sustain de Brunton ou la Sherpa 120 de Goal Zero. Un convertisseur s'impose parfois, selon les tensions de sortie.

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NDRL : Espaces tient à remercier le professeur titulaire Oumarou Savadogo de l'École polytechnique et l'étudiant Javier Ricardo Galindo pour leur aide dans la réalisation de ce dossier.