Prévoir la production énergétique d’un engin solaire.

A l’occasion du Sun Trip Tour 2019 Yannick Aspe, SunTripper à la triple participation, faisait un stage au Sun Trip dans le cadre de sa conversion chez Météo France. Un stage qui débouche notamment sur un rapport de spécialiste (disponible ici) et sur cette synthèse simplifiée. Merci à lui pour cette contribution et merci à l’Ecole Nationale de la Météorologie d’avoir soutenu ce projet.

Le concepteur d’un engin solaire se pose très rapidement des questions comme : Quelle surface de panneaux embarquer ? Faut-il déployer des panneaux lors des pauses ? Quel gain peut on espérer d’ une orientation des panneaux pendant le déplacement ? Est-il intéressant d’automatiser cette orientation ? Quelle doit être la capacité de la batterie ? Ce panneau qui produit telle énergie tel jour telle heure est-il défectueux ? Peut-on raisonnablement espérer produire assez d’énergie pour réaliser tel parcours à telle date ? …

Prévoir la production d’un engin solaire par le calcul permettrait de répondre à ces questions sans passer par de longs et coûteux essais. Or la production énergétique d’un panneau solaire est parfaitement prévue par exemple dans le cadre des centrales photovoltaïques avec une excellente précision, de l’ordre de 5%. C’est ce que je me suis proposé de faire à l’occasion du stage de deuxième année d’élève ingénieur à l’école nationale de la météorologie.

Le calcul de l’azimut et de l’élévation du soleil à un endroit et un instant donné est très classique. On obtient aussi facilement l’épaisseur optique de l’atmosphère traversée par le rayon lumineux ce qui permet d’obtenir la part d’énergie solaire qui atteint le panneau. D’un autre côté, l’inclinaison du panneau vers l’arrière ( la pente ) et la direction du déplacement ( le cap ) étant donnés, on peut en déduire l’inclinaison du panneau par rapport au soleil et par là la puissance générée. On peut aussi calculer la meilleure orientation à donner au panneau (s’il est orientable) et la puissance ainsi générée. En intégrant cette puissance sur toute la trajectoire on obtient l’énergie produite sur tout le parcours.

Les formules établies sont données dans le document « Prévoir la production d’un engin solaire ». Elles ont été validées par l’expérience. Dans le cas où l’atmosphère est très pure les valeurs calculées sont très proches des valeurs mesurées . Par exemple le 30 septembre 2019 à 9 h00 UTC à Ibos (N 43.2426 ; E .00 ; 400 m) un ensemble de panneaux de 220 Wc a fourni une puissance de 152 W alors que le calcul prévoyait 157 W. 3 % d’erreur, inférieure à la précision du wattmètre.

Mais ce modèle de calcul ne tient pas compte de la nébulosité, des ombres portées par la végétation, ou par le relief, ou par le pilote… Il ne tient pas compte non plus de la modification du rendement du à la température… Aussi il faut être conscient que les résultats prévus auront peu de chances d’être réellement observés. Il faut plutôt voir la prévision d’énergie en terme de coefficient de marge entre ce que l’on pourra produire au maximum et les besoins prévisibles et rapprocher ceci de la météo à venir. On pourra aussi comparer deux configuration différentes de l’engin solaire.

Quantifier l’intérêt d’un asservissement.
Le document « Prévoir la production d’un engin solaire » décrit une simulation de milliers de randonnées aléatoires réalisées lors des quatre saisons par 42° de latitude Nord et l’on compare les productions en supposant les panneaux fixes (à plats) et les panneaux orientés au mieux par un asservissement. Le gain du à l’asservissement dépend fortement de la trajectoire et de sa date de réalisation. En effet si l’on se déplace face au soleil ( ou dos au soleil) l’asservissement mettra les panneau à plat et le gain de l’asservissement sera nul. Au contraire si l’on se déplace perpendiculairement au soleil le matin, le gain sera important. D’où l’intérêt d’un étude statistique portant sur un grand nombre de trajectoires aléatoires…

Les conclusions sont résumées dans la figure suivante. La production supplémentaire maximale se situe aux équinoxes. Il y a un minimum compréhensible en hiver. Le minimum secondaire d’été s’explique par le fait que nous simulons des randonnées entre 8h00 UTC et 16h00 UTC au moment où le soleil est haut dans le ciel, diminuant ainsi fortement l’intérêt d’un asservissement. La simulation d’une randonnée de 7h00 UTC à 17h00 UTC donne un gain d’énergie médian de 232 Wh/m². Des simulations sur une journée complète de 5h00 UTC à 19h00 UTC donnent un surplus d’énergie médian de 300 Wh/m². C’est supérieur à une randonnée de 8 heures au moment des équinoxes mais ce n’est toujours pas énorme.En résumé, sur une randonnée de 8 heures, on peut raisonnablement s’attendre à augmenter la production d’au moins 200 Wh par m² exposé en roulant. C’est équivalent à 1 heure de fort ensoleillement ( 1000 w/m²). C’est quantitativement important et cela peut justifier que l’on s’investisse dans le développement d’une solution technique.

Étude de la production énergétique lors du Corsica Sun Trip 2019.

Nous avons réalisé et mettons à disposition du lecteur un fichier tableur appelé « Production Format Libre Office » ou « Production format Excel » destiné à simuler une journée à vélo solaire. Ce fichier est composé de cinq feuilles de calcul. La première Bilan résume les données et résultats principaux ; la deuxième Déplacement simule le vélo au cours de son déplacement ; La troisième Pause simule le vélo en pause avec tous les panneaux exposés et orientés au mieux ; la quatrième Trace contient les coordonnées des points de la trace étudiée ; et la cinquième est un tutoriel d’utilisation. Les coordonnées des points de la trace peuvent venir d’une trace GPS ou d’une application internet comme Open Runner.

Pour le Corsica Tour, le système modélisé est celui de l’auteur à savoir 240 Wc exposés en roulant auxquels on ajoute 200 Wc à la pause. Le tout incliné vers l’arrière de 10.5°. Ces paramètres peuvent être personnalisés dans le tableur.

Nous mettons aussi à disposition les modèles réalisés, et les résultats sont synthétisés dans le tableau ci dessous avec les hypothèses suivantes :

On démarre à 9h00 soit 7h00 UTC.
On roule jusqu’à 12h.
Pause jusqu’à 14h00.
Les résultats sont en ampère heure.
La production de la journée est la somme de « à plat » et des pauses.
Les besoins sont estimés à 5 Wh (0.1 Ah) du km parcouru auxquels on ajoute 5 Wh pour 10 m de dénivelé positif.

Les conclusions que l’on peut en tirer sont les suivantes :

Les besoins sont tous au dessus de 20 Ah, la capacité de la batterie, d’où la nécessité absolue d’avoir un minimum d’ensoleillement.
Le jour le plus difficile sera le dernier jour où l’on aura un déficit de 3 Ah à la tombée de la nuit.
Le jour le moins difficile sera le troisième, le 16 octobre. Ce qui tombe bien puisqu’il vient après le 15 où l’on voit que l’on n’a aucune marge de sécurité.
Dans l’ensemble on voit que les marges de manœuvre sont très serrées, et étant donnée la climatologie du mois d’octobre en Corse, il est peu probable que l’on réalise la totalité du parcours entièrement au solaire. Mais ce n’est pas exclus.
A titre d’exemple, si le trajet du 19/10 était réalisé le 19 juin, la marge de sécurité serait de 2.25 au lieu de 0.91.
La conduite à tenir est de partir tôt, rouler le plus possible avant midi, pause à midi jusqu’à avoir fait le plein de la batterie, arriver le plus tôt possible pour profiter au maximum de la pause du soir.
Ces conclusions n’intéressent que l’auteur. Pour un autre pilote sur un autre système, les conclusions pourraient être différentes. Il faut mener une étude propre à chaque candidat.