Published On : 29 April 2022|Last Updated : 18 July 2022|5378 words|22.7 min read|0 Comments|
Table of Contents
  1. Le podcast
  2. Résumé rapide du podcast
    1. Batterie
    2. Panneaux solaires
  3. Compléments au podcast
    1. Augmenter la durée de vie utile de vos batteries (lithium)
    2. Augmenter la durée de vie utile de vos panneaux solaires
    3. Exemple de calcul de dimensionnement de batterie
    4. Exemple de calcul de dimensionnement du chargeur solaire
  4. Mesures
    1. Ensoleillement direct, fin de journée
    2. À l’ombre, fin de journée
    3. Temps nuageux, zénith
    4. Temps nuageux, fin de journée
    5. Jour de canicule, july
    6. Interprétation des mesures
  5. Conclusion

#Le podcast

Il y a différentes raisons qui peuvent pousser à s’équiper d’une batterie externe de secours pour charger ses équipements/gadgets électroniques, les principales étant le vieillissement des batteries internes (rarement remplaçables) et la perte d’autonomie subséquente, et l’absence d’accès immédiat à des prises électriques. Pour ceux qui partent dans la nature plusieurs jours en autonomie (randonnée, voyage à vélo/bikepacking, etc.), l’usage des gadgets électroniques pour le repérage GPS, l’accès aux prévisions météo et le contact des secours le cas échéant n’a rien de superflu. En cas d’opération de secours, pouvoir communiquer une position GPS précise permet aussi d’éviter à des hélicoptères de tourner pour rien et à des secouristes de prendre des risques inutiles en montagne. Disposer d’une réserve d’énergie and d’un chargeur solaire pour renouveler cette réserve est donc une excellente idée sur le papier, et la technologie actuelle a différentes options à proposer.

Malheureusement, la lecture des ressources disponibles sur internet concernant les critères de choix et les produits conseillés pour ces applications est un peu effrayante : entre les mauvais conseils et la recommandation aveugle de produits non-testés (mais disposant de liens d’affiliation Amazon), on n’est pas beaucoup plus avancé. Sur les fiches techniques des produits, on aura des chiffres gonflés et non-pertinents, qui impressionnent quand on n’y connaît rien, mais qui n’ont vraiment rien d’impressionnant quand on les décortique, sous réserve qu’ils soient exacts, ce qui n’est même pas garanti…

Je vous donne ici les principes de fonctionnement et les limites des batteries, ainsi que les critères de choix qui permettent de sélectionner la batterie adaptée à votre usage, avec des anecdotes tirée de mon expérience. Il va y avoir des calculs à faire (désolé), mais dimensionner votre réserve d’énergie est un sujet trop sérieux pour le faire à la louche.

#Résumé rapide du podcast

#Batterie

  1. Les batteries lithium sont par nature spontanément inflammables lorsqu’elles sont surchargées ou chargées/déchargées à trop haute température (habituellement au dessus de 60 °C)
  2. Les batteries lithium ont donc un contrôleur électronique chargé de prévenir l’incendie, sous réserve qu’il soit conçu par des ingénieurs compétents – le sujet est trop sensible pour acheter des cochonneries chinoises pas chères sans marque identifiée ni service client accessible dans votre pays,
  3. La valeur de capacité en mAh ne veut rien dire en soi et constitue une tromperie du consommateur qui devrait être interdite et sanctionnée. Une énergie se mesure en joule (J), voire en watt × heure (Wh), avec l’équivalence suivante : 1 Wh = 3600 J. Le passage de Wh à mAh se fait en divisant les Wh par la tension de fonctionnement en volt (V). Le problème est que cette tension est rarement connue et jamais donnée sur les fiches produit, et par exemple sur les batteries externes USB, on pourrait penser que la tension de référence est 5 V (tension de la norme USB), mais elles sont en fait données en général pour 3,7 V (ne me demandez pas pourquoi). Évidemment, diviser par 3,7 V donne une valeur en mAh plus impressionnante que diviser par 5 V. Dans tous les cas, ces valeurs sont écrites en petit sur le boîtier de la batterie (obligatoire pour pouvoir prendre l’avion avec, le lithium est une matière dangereuse dont le transport est réglementé, avec une limite par passager), et jamais données sur les pages produits des boutiques en ligne.
  4. Comme la valeur en mAh dépend de la tension, pour les batteries “intelligentes” qui ont plusieurs tensions de sortie et l’ajustent leur tension en fonction de l’appareil à charger, il faut donc obligatoirement repasser en Wh (indépendants de la tension) sur la batterie chargeante et sur la batterie chargée pour pouvoir estimer la capacité de charge réelle. 1 mAh sous 3,7 V n’est pas égal à 1 mAh sous 9 V…
  5. Les batteries lithium perdent une partie de leur capacité apparente par temps froid. La capacité théorique des batteries est toujours données à 23-25 °C. À -40 °C, il ne leur reste que 10 à 20 % de leur capacité nominale à 25 °C.[1] Pensez donc à surdimensionner la capacité choisie par rapport à vos besoins théoriques si vous utilisez les batteries en conditions hivernales (voir le facteur de sécurité par temps froid ci-dessous).
  6. Les batteries lithium perdent de leur capacité au fur et à mesure des cycles de charge/décharge et lorsqu’elles sont stockées et utilisées en conditions chaudes. La chaleur altère en effet la chimie des électrolytes de façon non réversible[1]. La capacité théorique des batteries est toujours donnée pour le produit neuf. Là encore, surdimensionnez la capacité choisie par rapport à vos besoins théoriques (voir le facteur de sécurité par temps chaud ci-dessous).[2]
  7. Notez qu’une batterie chauffe naturellement en utilisation, donc en l’absence de refroidissement adéquat, elle génère elle-même la chaleur qui va la détruire, et il est donc possible que sa température de fonctionnement soit très supérieure à la température de l’air ambiant. Cet effet va en revanche être bénéfique par temps froid. Les facteurs de sécurité, utilisés pour majorer la capacité utile de la batterie en fonction des conditions d’utilisation, sont donnés ci-dessous :
Température - 30 °C -20 °C -10 °C 0 °C 5 °C
Facteur de sécurité 1,6  1,5  1,2  1,1  1,05 
Facteur de sécurité par temps froid
Température 25 °C 35 °C 45 °C 55 °C
Facteur de sécurité 1,14  1,17  1,20  1,26 
Facteur de sécurité par temps chaud

#Panneaux solaires

  1. La puissance indiquée des panneaux solaire est toujours sujette à caution, car il s’agit de la puissance en conditions standards. Elle suppose une irradiation solaire de 1000 W/m² (ce qui arrive en France seulement certains jours en été) et sous une température de 25 °C (mettez un panneau sous 1000 W/m² de soleil, il va rapidement monter à 50 °C un jour sans vent). En conditions réelles, on peut retirer au moins 3 % à cette valeur.[3]
  2. L’efficacité (ou rendement) des panneaux solaires est toujours donnée pour un panneau neuf. Un panneau solaire en silicium perd en moyenne 0,5 à 1 % d'efficacité par an, suivant la technologie utilisée,[4]
  3. Un panneau solaire perd 0,35 % à 0,5 % d’efficacité pour chaque °C au dessus de 25 °C,
  4. Un panneau solaire ne délivre son rendement théorique que sous un éclairement d’au moins 200 W/m²,[3] ce qui, là encore, n’arrive pas tous les jours et jamais l’hiver,
  5. Même à l’ombre, un panneau solaire est sujet à certains types de vieillissements (évidemment moins qu’en plein soleil). Donc même inutilisé, il se dégrade.

#Compléments au podcast

#Augmenter la durée de vie utile de vos batteries (lithium)

  1. Éviter de charger sous 15 °C,[2]
  2. Éviter de charger/décharger au-dessus de 35 °C, la température optimale d’utilisation se trouve entre 23 et 27 °C,[2]
  3. Pour le stockage moyenne-longue durée, stocker les batteries chargées à environ 50 % de leur capacité nominale,
  4. Charger et décharger les batteries entre 25 et 85 % de leur capacité nominale[5], et idéalement entre 45 % et 75 %. Évitez de les utiliser au-delà,
  5. Limiter le nombre de cycles de charge/décharge par jour, donc éviter les charges partielles interrompues de décharges. Idéalement, chargez en continu jusqu’à 85 % et déchargez en continu jusqu’à 25 %, puis recommencez,
  6. Éviter de charger à très bas courant et de laisser les batteries constamment en charge, car cela crée un placage isolant sur les électrodes qui détruit les batteries.[2]

Si vous avez bien compris tout ce qui précède, vous avez donc aussi compris que les panneaux solaires sont la pire façon de charger une batterie lithium, par rapport à une charge classique sur le réseau électrique à courant stabilisé : on charge à faible courant par temps nuageux, et on charge/décharge par intermittence en fonction des alternances de passages nuageux et d’éclaircies. La durée de vie d’une batterie à charge solaire sera donc beaucoup plus courte qu’une batterie chargée sur le réseau.

#Augmenter la durée de vie utile de vos panneaux solaires

  1. Ne pas laisser le panneau au soleil plus longtemps que nécessaire, s’il n’est pas en charge ou si la batterie est complètement chargée,
  2. Éviter tout contact de la surface du panneau avec des abrasifs et des poussières,
  3. Garder la surface propre : dépoussiérer au maximum à l’air comprimé (sans frotter) avant de procéder au lavage avec un détergent doux et un chiffon non abrasif. Rincer idéalement à l’eau déminéralisée pour éviter les dépôts de minéraux au séchage,
  4. Toute flexion ou torsion endommage le substrat du panneau solaire, même s’il est flexible et qu’il ne cassera pas. Éviter au maximum la flexion.

#Exemple de calcul de dimensionnement de batterie

J’ai un téléphone doté d’une batterie interne de 4700 mAh et un GPS doté d’une batterie interne de 1000 mAh. Tous deux sont chargés par port USB à 5 V, donc leur capacité totale en Wh est $(4,7 \text{Ah} + 1 \text{Ah}) × 5 \text{V} = 29 \text{Wh}$. Notez que je n’ai aucune idée de la tension réelle pour laquelle la valeur mAh a été calculée (qui peut être 3,7 V ou 5 V ou autre chose, voir plus haut), et cette information n’est disponible nulle part, donc je pars du cas le plus pessimiste. Si vous aviez la capacité en Wh quelque part sur une fiche technique, utilisez la directement. Je dois les charger une fois par jour (29 Wh/j) et je souhaite 3 jours d’autonomie. J’ai donc besoin de $23×3 = 69 \text{Wh}$ de réserve d’énergie théorique (valeur de design).

Ma batterie externe doit fonctionner entre 0 °C et 45 °C (rappel : 45 °C est la température de la batterie en fonctionnement, pas celle de l’air ambiant), j’ai donc un coefficient de sécurité sur la capacité théorique de 1,1 pour l’utilisation en conditions froides et de 1,20 pour le vieillissement cyclique (lire les valeurs dans les tableaux ci-dessus). On cumule les facteurs de sécurité en les multipliant entre eux, puis à la valeur de design. J’ai donc besoin d’une capacité utile de $69 \text{Wh} × 1,10 × 1,20 = 91 \text{Wh}$.

Pour maximiser la longévité de la batterie, je ne veux pas décharger sous 25 %, ni charger plus que 85 % de sa capacité nominale. Je me prive donc au total de 40 % de sa capacité nominale, ce qui, pour une capacité utile de 91 Wh, revient à une capacité nominale de $91 \text{Wh} / (100 \% - 40 \%) = 151 \text{Wh}$. Ceci est optionnel, je peux aussi choisir de privilégier la masse au détriment de la longévité, et donc une batterie plus petite que je vais tuer plus vite.

Ces appareils sont en USB 5 V, la capacité de ma batterie sera donc $151 \text{Wh} / 3,7 \text{V} = 41 \text{Ah}$ soit 40 800 mAh. Une batterie de ce type n’existe pas, le plus proche est 30 000 mAh et pèse environ 500 g. Si cette masse est trop élevée, je peux choisir de partir sur le minimum de capacité de 91 Wh, soit $91 \text{Wh} / 5 \text{V} = 26 \text{Ah}$ ou 24 600 mAh. Une batterie de 20 000 mAh pèse environ 350 g.

#Exemple de calcul de dimensionnement du chargeur solaire

À partir de la base de données européenne PGVIS, mise à disposition par l’Union Européenne pour évaluer le gisement solaire, on peut obtenir l’énergie solaire quotidienne moyenne par m² au sol, pour chaque ville à chaque mois, entre 2005 et 2020. À partir de ces données, j’ai extrait l’ensoleillement moyen pour chaque mois, ainsi que l’écart-type. Ces valeurs fournissent la base de calcul de l’énergie produite par un panneau solaire, c’est en quelque sorte la matière première disponible. L’énergie solaire moyenne qui arrive au sol dépend de la météo moyenne (nuages ou ciel dégagé), de l’épaisseur de la couche atmosphérique traversée par les rayons solaires et de la durée du jour ; à météo égale, on attend des niveaux d’énergie plus importants en altitude et à mesure qu’on se rapproche de l’équateur.

Je vais partir ici sur un cas d’utilisation avec les produits Sun Slice. La raison est que l’entreprise est belge, fondée par deux ingénieurs, et utilise des panneaux solaires Sun Power, une marque américaine réputée avec laquelle j’ai une bonne expérience et qui, entre autres, fournit la NASA depuis 25 ans.

Leur produit Fusion Flex est un panneau solaire flexible annonçant 16,5 % d’efficacité nominale pour 6 W nominaux (sous 1000 W/m² d’irradiation solaire et pour une température de cellule de 25 °C), sur une surface estimée de 0,0364 m². On vérifie que le rapport des puissances sortante et entrante nous donne bien l’efficacité spécifiée : $\frac{6 \text{W}}{1000 \text{W/m}^2 × 0,0364 \text{m}^2} = 16,5 \%$. L’intérêt des panneaux souples est leur faible masse par watt, au détriment de l’efficacité. Sun Slice propose un panneau rigide de la même taille à 7 W nominaux (19 % d’efficacité), mais deux fois plus lourd.

Il se décline en 4 versions, de 6 à 24 W nominaux, qui additionnent 1 à 4 panneaux de base. À partir des valeurs d’ensoleillement quotidien moyen dans plusieurs villes, on peut se faire une idée de la ressource solaire disponible. Je suppose une perte thermique de rendement de 0,45 %/°C par degré au dessus de 25 °C, un angle moyen avec le soleil de 45 ° et un vieillissement de 2 ans à 0,75 % de perte de rendement par an :

En abscisse, on donne le mois calendaire encodé numériquement entre 1 et 12. La formule permettant ce calcul est :

$$
 \text{Énergie moyenne (Wh/jour)} = \text{surface de panneau (m²)} × \text{efficacité} × \text{ensoleillement moyen (Wh/jour/m²)} 
$$

On peut alors prévoir le nombre de panneaux solaires nécessaires pour charger différentes tailles de batteries en une journée, par ville et par mois (les valeurs en mAh sont données pour 5 V à titre purement indicatif, la référence est la valeur en Wh) :

Dans l’exemple ci-dessus, on charge un téléphone et un GPS pour un total de 29 Wh/jour. Il va nous falloir au moins 3 panneaux entre mars et septembre. Si l’on décharge l’ensemble, en utilisation, de moins de 50 %/jour, on peut encore s’en sortir avec 2 panneaux. Pendant l’hiver, il faudra au moins 6 panneaux au sud de l’axe Nantes-Dijon pour charger de 25 Wh/jour.

Tout ceci est à prendre avec un grain de sel, car l’ensoleillement moyen n’est rien d’autre qu’une moyenne… Le problème d’une moyenne est qu’elle ne modélise pas la variabilité. En fait, une moyenne de production de 12,5 Wh/jour implique (sous une loi de probabilité normale) qu’on a seulement 50 % de probabilité de produire au moins 12,5 Wh dans la journée, et donc 50 % de produire moins que ça.

C’est comme tirer à pile ou face, chaque matin, pour savoir si on aura notre demi-batterie dans la journée. Ce qui ne veut pas dire qu’on charge un jour sur deux, car il est parfaitement possible de ne pas avoir de chance pendant toute une semaine – de la même manière que si vous jouez à pile ou face 10 fois, vous n’aurez presque jamais exactement 5 piles et 5 faces, et en tout cas vous n’alternerez jamais exactement un pile et un face. Les gens qui disent qu’« on fait dire ce qu’on veut aux chiffres » se contentent généralement de donner des moyennes, sans considérer la variabilité (l’écart-type) et sans effectuer les majorations/minorations nécessaires sur la moyenne pour atteindre des niveaux de confiance acceptables (pile ou face n’est pas un niveau de confiance acceptable).

La prise en compte de la variabilité de l’ensoleillement suppose d’analyser la variance du climat, d’en déduire l’écart-type, et de faire notre design sur la moyenne d’ensoleillement quotidien minorée de 2 écarts-types. De cette façon, la probabilité de produire au minimum la quantité d’énergie requise passe de 50 % (une chance sur deux) à 97,7 %, la minoration de 2 écarts-types servant en quelque sorte de marge de sécurité. Sauf que… si je refais le calcul à 97,7 % de confiance, les résultats ont une toute autre allure :

Marseille sort grande gagnante, non seulement parce que sa moyenne est élevée, mais aussi parce que sa variabilité climatique est faible. Mais Grenoble prend une grosse pénalité en été en raison de son climat très variable, et on observe que ça devient franchement dur, partout, entre novembre et février.

Ci-dessous, je recalcule le nombre de panneaux requis pour produire au moins les valeurs spécifiées à 97 % de confiance. Les valeurs supérieures à 8 panneaux ont été éliminées par souci de lisibilité et parce que les produits n’existent pas.

En clair, avec 2 panneaux :

  • on est presque sûr de charger un demi-téléphone par jour au sud de l’axe Nantes-Dijon de juin à septembre,
  • on est presque sûr de charger un téléphone par jour à Marseille de juin à août,
  • on a une chance sur deux de charger un demi-téléphone par jour partout de mars à septembre.

Avec 3 panneaux :

  • on est presque sûr de charger un demi-téléphone par jour de mai à septembre,
  • on est presque sûr de charger un téléphone par jour au sud de Lyon de juin à août,
  • on a une chance sur deux de charger un téléphone par jour partout d’avril à septembre,
  • on a une chance sur deux de charger aussi un téléphone par jour en mars au sud de l’axe Nantes-Dijon.

Avec 6 panneaux :

  • on est presque sûr de charger un téléphone par jour de mai à septembre,
  • on a une chance sur deux de charger un téléphone par jour toute l’année au sud de l’axe Nantes-Dijon.

#Mesures

J’ai acheté le Sunslice 12 W (2 panneaux flexibles de 6 W) et réalisé quelques mesures en conditions réelles. Je charge mon téléphone (batterie de capacité 4700 mAh à l’état neuf, testée après 8 mois d’utilisation), allumé, utilisé ou pas, et directement branché sur le panneau.

#Ensoleillement direct, fin de journée

Conditions :

  • fin avril, entre 16h30 et 17h, en plein soleil (ciel bleu), au nord de Nancy,
  • température ambiante de 21 °C,
  • un des panneaux orienté perpendiculairement au soleil (en incidence optimale), le second parallèle (donc exposé seulement à la luminosité ambiante), et donc un angle moyen de 45 ° avec le soleil,
  • le téléphone était en cours d’utilisation avec partage de connexion 4G et l’écran allumé par intermittence.

Entre 16h35 et 16h55 (20 minutes), j’ai ainsi chargé de 47 % à 50 % (+3 %). Dans ces conditions, le système Android indique un temps de charge estimé (pour passer de 50 % à 100 % de capacité de la batterie interne) de 4h10, soit un taux de charge de 9 mAh/minute, après déduction de l’énergie consommée par le fonctionnement du téléphone, soit une puissance électrique de 2,7 W sous 5 V.

Notez qu’au bout de 25 minutes exposé au soleil direct, par une température ambiante de 21 °C, la température de surface du panneau atteignait 30 à 35 °C au toucher. N’ayant pas thermomètre infrarouge, j’ai évalué la température en posant ma main dessus… Si ce n’est pas une mesure quantitative, passer de 21 °C à “température idéale de jacuzzi” en 25 min de fonctionnement, au nord de Dijon, au mois d’avril et vers 17h est une variation suffisamment notable pour être mentionnée. Il est donc pertinent de tenir compte de la perte de rendement due aux effets thermique dans mes calculs prédictifs.

#À l’ombre, fin de journée

À l’ombre d’un bâtiment, avec les deux panneaux exposés au ciel bleu, vers 17 h dans les mêmes conditions, le système Android ne détecte plus aucune charge et recommence à se décharger, bien que le témoin lumineux du panneau s’allume, signifiant production de courant. Le fait qu’il existe un courant électrique n’implique pas automatiquement que sa puissance soit suffisante pour charger la batterie.

#Temps nuageux, zénith

Conditions :

  • fin avril, entre 13h et 14h, autour du zénith solaire (55,8 ° d’angle à 13h30), au nord de Nancy,
  • nébulosité de 100 % avec une petite éclaircie de 5 minutes,
  • température ambiante de 18 °C,
  • les deux parties du panneau étaient exposées, dans une orientation perpendiculaire à la lumière, proche de l’angle optimal (± 15 °) avec le soleil à 13h,
  • le téléphone était allumé mais non utilisé, écran éteint.

Concrètement, cette météo correspond à un temps couvert (lumière diffuse et nuages de moyenne et haute altitude) mais clair, où l’on distingue le disque solaire à travers les nuages. La température de surface du panneau était d’environ 25 °C au toucher après 1h.

Entre 13h02 et 14h02 (60 minutes), j’ai ainsi chargé la batterie de 50 à 56 % (+6 %). Le système Android indiquait un temps de charge estimé (de 56 à 100 %) de 5h36, soit un taux de charge de 6 mAh/minute. Cette mesure étant réalisée spécialement au moment où le soleil est le plus proche de la Terre ce jour là, on ne conservera évidemment pas cette intensité d’éclairement pendant près de 6h. De plus, pour un panneau destiné à la mobilité, on ne conservera pas non plus cet angle optimal en continu.

#Temps nuageux, fin de journée

La mesure précédente, au zénith solaire, prévoit 5h40 de temps de charge pour charger la batterie de 50 %. Il faudrait donc se placer dans une fenêtre de ± 2h50 autour du zénith. Pour vérifier les conditions d’ensoleillement à 13h30 + 2h50, je réalise une 3ème mesure entre 15h45 et 16h15, dans les mêmes conditions que précédemment, et le même jour. Malheureusement, la couverture nuageuse était plus épaisse 3h plus tard.

Dans ces conditions, le téléphone a détecté une charge, mais n’a pas fourni de temps estimé de chargement, et après 30 minutes de charge, le niveau de la batterie n’avait pas bougé.

#Jour de canicule, july

Conditions :

  • mi-juillet, 37 °C à l’ombre, entre 15h15 et 16h45,
  • téléphone allumé, écran éteint, utilisé en partage de connexion 4G,
  • batterie chargée initialement à 60 %,
  • panneau solaire posé initialement à plat au sol (angle non-optimal), puis installé à environ 60 ° de l’horizontale vers 16h, en plein soleil (pas de nuages).

Au bout de quelques minutes, le téléphone indique un temps estimé de rechargement jusqu’à 100 % d’environ 1h50. Après 15 minutes, le temps estimé s’allonge à 2h30 et la surface du panneau est brûlante au toucher (au moins 60 °C), ce qui tend à indiquer que l’élévation de température cause une perte substancielle de rendement.

Après 1h30, le téléphone est chargé à 78 % et le contrôleur de la batterie indique toujours un temps estimé de chargement jusqu’à 100 % de 1h50. À 16h45, le panneau est vraiment brûlant y compris sur la face arrière, et la manipulation à main nue équivaut à sortir une assiette du micro-ondes.

#Interprétation des mesures

Par temps couvert, il est impossible de charger ne serait-ce qu’une demi-batterie à la mi-saison, même en orientant le panneau au mieux et de façon statique. Dans ces conditions, il faudrait au moins 3 panneaux 6 W. Ce qu’on illustre ici, c’est que même si le panneau “fonctionne” (au sens de “délivre un courant électrique”), et même si le téléphone détecte une charge, il y a un seuil de puissance électrique en dessous duquel ça ne fait ni chaud ni froid à la batterie.

La puissance, c’est de l’énergie disponible en quantité suffisante tout de suite (“énergie instantanée”). Or, si la physique dit que $\text{Énergie} = \text{Puissance} × \text{temps}$ (en supposant une puissance constante), et que si l’on divise la puissance par 2, il suffit de multiplier le temps par 2 pour obtenir la même quantité d’énergie à la fin, les appareils électriques ont presque tous une puissance minimale d’activation et les apôtres de l’énergie solaire ont tendance à l’oublier. En clair, pas assez de puissance est la même chose que pas de puissance du tout, et le niveau “pas assez” dépend des appareils. La même chose ? Pas sûr…

Une charge de batterie lithium à faible courant créée un placage sur ses électrodes, qui réduit de façon irréversible sa capacité. Donc une charge par temps couvert n’est pas seulement inefficace, elle est destructrice pour la batterie. Pour cette raison (je suppose), Sun Slice recommande toujours de charger une batterie externe intermédiaire avec les panneaux solaire, ce qui revient à mettre l’usure prématurée sur la batterie facile à remplacer (sachant que la plupart des téléphones n’ont plus de batterie remplaçable), et de charger la batterie du téléphone depuis la batterie externe, qui délivre une puissance stabilisée. Par contre, on perd un peu d’énergie à chaque étage de conversion d’énergie, donc cet étage supplémentaire induit des pertes additionnelles.

De plus, la charge d’une batterie n’est pas linéaire : il est (beaucoup) plus rapide de passer de 0 % à 80 % que de 80 % à 100 % (la charge d’une batterie suit une loi exponentielle négative). La vérification des valeurs données par Android montre qu’il suppose un taux de charge constant, ce qui est inexact (sans être totalement faux, car c’est raisonnable sous 80 %). La prévision du temps avant rechargement complet donnée par le système est donc un peu pessimiste sous 50 % de charge, un peu optimiste entre 50 % et 80 % et très optimiste au dessus de 80 %. La charge initiale du téléphone, autour de 50 % en début d’expériences, a été choisie spécialement pour fonctionner dans les conditions moyennes de la batterie. On aurait trouvé d’autres résultats en partant d’un téléphone chargé à 20 % ou à 80 %.

Une charge de 50 % de batterie de 4700 mAh correspond donc à 11,25 Wh. Nancy se trouve sur la même latitude que Brest et Strasbourg, avec toutefois moins d’heures d’ensoleillement annuelles que ces deux villes. Les simulations par le calcul, ci-dessus, pour les mois d’avril et de mai, prévoient qu’il faut au moins 2 panneaux pour charger en moyenne 12,5 Wh.

Par temps ensoleillé et au meilleur de l’été, on doit compter 3h pour charger environ 40 % de batterie autour du zénith et en maintenant le panneau statique et correctement exposé au soleil. C’est décevant et la chute de rendement dûe à l’échauffement du panneau est clairement apparente dans ces conditions. À 17h en avril, on avait chargé à 0,15 %/minute (en % de la capacité de batterie), autour de 16h en juillet, on charge à 0,20 %/minute dans les mêmes conditions d’utilisation. On a donc une perte de rendement dû à l’échauffement qui compense presque totalement la différence de ressource solaire disponible, et l’on charge donc environ à 3,6 W sous 5 V, soit 12 mAh/minute, soit un tiers des 12 W de puissance nominale du panneau.

On fait toujours le design sur le cas d’utilisation le plus critique, pas sur le cas le plus sympa. Et ici, le cas critique demande 5 panneaux (donc 6, puisque Sun Slice ne fournit les variantes à 4 ou 6) à 97,7 % de confiance (voir simulations à la section précédente), ce qui ne présente pas tellement d’intérêt par rapport à trouver une prise électrique quelque part, quitte à détourner sa route pour ça.

Dans tous les cas, il est illusoire d’espérer charger nos 20 Wh/jour initiaux tous les jours via cette technique, et le recours au solaire comme énergie d’appoint ne peut se faire sans une politique de sobriété concernant l’usage de vos appareils.

#Conclusion

Le panneau Fusion Flex simple pèse 140 g, le double 270 g, et le triple 390 g, et ce poids s’ajoute à celui de la batterie externe : 190 g pour 10 000 mAh, 350 g pour 20 000 mAh, 500 g pour 30 000 mAh. Plus gros qu’un panneau triple (60 cm de long), la fixation sur un sac à dos devient compliquée, donc l’usage mobile n’est plus possible.

Partir avec des batteries donne la meilleure densité d’énergie par unité de masse. Pour des trajets de moins de 3 à 5 jours, suivant votre consommation d’énergie, une brique de 30 000 mAh vous donnera tout ce dont vous avez besoin sans vous soumettre aux aléas climatiques et pour moins lourd qu’un panneau avec petite batterie. En chargeant la batterie sur prise secteur, vous l’utilisez aussi dans les meilleurs conditions possibles, avec une source d’énergie stable, alors que la charge solaire (surtout en mode mobile) est une énergie instable qui enchaîne rapidement des cycles de charge et de décharge partiels, de même que la charge à faible courant, connus pour réduire la durée de vie des batteries.

Pour des trajets plus longs, un panneau double est un minimum l’été, et un panneau triple est plus réaliste en France. Un panneau double peut également être utilisé comme source d’appoint, non pas pour recharger complètement, mais pour décharger moins vite. Ainsi, avec des besoins de 5 Ah/j (25 Wh/j), en partant avec une batterie chargée de 20 000 mAh, en chargeant de seulement 2,5 Ah/j via 2 panneaux, vous arrivez à décharge complète de toutes les batteries (internes et externe) en moyenne en 9 jours pour une masse totale de 665 g. Reste à voir si cela vous laisse le temps de revenir à la civilisation pour un ravitaillement en énergie.

Je déconseille fortement de ne partir qu’avec un panneau solaire sans batterie additionnelle. Non seulement la charge directe panneau sur téléphone va dégrader sa batterie plus vite (et elle n’est généralement pas remplaçable), mais en plus vous êtes entièrement dépendant des aléas climatiques. C’est trop risqué.

Ensuite, il y a les stratégies. Ce calcul suppose un angle moyen avec le soleil de 45 °, qui correspond à un panneau mobile fixé sur un sac à dos. Si vous profitez de la pause déjeuner, aux heures les plus énergétiques de la journée, pour assoir votre panneau solaire bien dans l’axe du soleil, vous allez améliorer votre production. Par temps ensoleillé, entre mars et septembre, vous pouvez de cette façon espérer au moins 18 mAh/minute en fin d’après-midi, donc au minimum 1000 mAh sur une pause d’une heure.

Ici, il faut donc décider comment répartir le poids et piloter les compromis. Plus de batterie ou un panneau solaire et une batterie plus petite ? Ça va dépendre des opportunités de rechargement sur la route, de la longueur du voyage, de la saison et de la région. Dans tous les cas, prévoyez un plan B et essayez d’avoir des redondances.

Finalement, si vous pensez utiliser un GPS, un GPS dédié à la randonnée ou au vélo consomme significativement moins d’énergie qu’un téléphone utilisé en mode GPS. Ça augmente la quantité d’électronique à maintenir, et donc à jeter et à recycler un jour, mais le bilan est sans appel. Une sortie vélo de 4 h tire 40 à 60 % de ma batterie téléphone (4700 mAh) si j’utilise un GPS logiciel, contre 25 à 40 % de batterie sur le Garmin (1000 mAh) suivant les options d’économie d’énergie activées.

Dans tous les cas, quand vous voyez des batteries externes avec un mini panneau solaire dessus, le tout pour moins de 40 €, ne rêvez pas. Des panneaux solaires de qualité vous coûteront au moins le double (achetés seuls), et il va falloir des surfaces conséquentes pour charger quoi que ce soit de façon un peu fiable.


  1. MA, Shuai, JIANG, Modi, TAO, Peng, et al. Temperature effect and thermal impact in lithium-ion batteries : A review. Progress in Natural Science : Materials International, 2018, vol. 28, no 6, p. 653-666. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1002007118307536 

  2. XIONG Shihui. A study of the factors that affect lithium ion battery degradation. Master’s thesis, University of Missouri-Columbia. 2019. https://core.ac.uk/download/pdf/323272674.pdf 

  3. Thomas Mambrini. Caractérisation de panneaux solaires photovoltaïques en conditions réelles d’implantation et en fonction des différentes technologies. Météorologie. Université Paris Sud - Paris XI, 2014. https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01164783/file/VD2_MAMBRINI_THOMAS_16122014.pdf 

  4. JORDAN, Dirk C., KURTZ, Sarah R., VANSANT, Kaitlyn, et al. Compendium of photovoltaic degradation rates. Progress in Photovoltaics : Research and Applications, 2016, vol. 24, no 7, p. 978-989. 

  5. Un Battery Management System bien conçu est censé faire ça pour vous, malheureusement certains constructeurs n’hésitent pas à laisser charger d’avantage pour maximiser l’autonomie des appareils neufs… au détriment du vieillissement. 

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