Automobile photovoltaïque

Les voitures solaires conçues pour les courses

Présentation et mode de fonctionnement de la voiture solaire

Une voiture solaire est une voiture électrique qui recharge ses batteries en partie ou totalement grâce à l’énergie solaire.

Il est impossible de prévoir la quantité de soleil, qui va conditionner la quantité d’énergie. Afin d’absorber au mieux toute l’énergie solaire disponible, on place le plus de cellules solaires possible sur la surface disponible.

Il existe deux principales forces qui vont ralentir la vitesse de la voiture et qu’il est nécessaire de minimiser :

- La résistance à l'air

Pour réduire la résistance à l’air du cockpit, ce dernier a généralement la forme d’une goutte d’eau. Le revêtement extérieur des roues et les conduits de ventilation ont une forme aérodynamique.

- La résistance au roulement

La voiture solaire roule en général sur trois roues. Par rapport à une voiture ordinaire, cela permet de réduire la résistance au roulement. La roue avant est suspendue à une fourche avant comparable à celle d’une moto. Elle est directrice et motrice, et supporte une charge plus importante que les deux roues arrière.

Caractéristiques d’une voiture solaire :

La puissance actuelle des voitures est limitée par le rendement des cellules et par la capacité des batteries à stocker une grande quantité d'énergie dans un espace réduit.

Les voitures solaires essaient donc de réduire leur besoin énergétique en réduisant leur poids, en utilisant des matériaux légers et en adoptant le meilleur aérodynamisme possible.

Le cadre de la voiture se compose de tubes en aluminium ultralégers. Il pèse à peine 22 kilos et supporte le poids du pilote, les instruments et les panneaux solaires. La carrosserie est faite de carbone composite. Les pneus sont bien plus étroits que ceux d’une voiture classique et sont en caoutchouc.

La voiture solaire a plus de 60 panneaux solaires montés en parallèle. Chaque panneau compte environ 40 cellules solaires montées en série, qui produisent un courant de 96 volts. Les panneaux fournissent l’électricité à un MPPT (Maximum Power Point Tracker).

Le MPPT est un convertisseur de tension, qui permet d’exploiter la puissance maximale de chaque panneau avant le chargement des batteries. Les 26 éléments de batteries fournissent une quantité d’énergie de 5 kWh. Les voitures nécessitent des batteries pour stocker l'énergie qui leur est nécessaire lorsqu'il y a moins de lumière ou même pour pouvoir accélérer lorsque l'apport direct d'énergie solaire n'est pas suffisant.

Les batteries pèsent 30 kg et sont faits en polymère de lithium.

Le moteur de la voiture solaire est un moteur électrique qui produit une puissance maximum de 10 kW et qui est intégré dans la roue avant. Le moteur reçoit son énergie des batteries (et non pas des panneaux solaires directement). Étant donné qu’il est intégré dans la roue avant, il est limité en poids, mais son rendement est conséquent.

Il est également possible de freiner sur le moteur afin de ralentir la voiture. L’énergie qui se dégage du frein moteur est alors à nouveau stockée dans la batterie. Il n’y a donc aucunes pertes.

Exemples et historique des courses solaires :

• Depuis 1985 : Le "Tour de sol" en Suisse.
• Depuis 1987 : Le "World Solar Challenge" en Australie.
• Depuis 1989 : Le "American Tour de Sol" aux États-Unis.
• Depuis 1990 : Le "Sunrayce USA", devenu le "North American Solar Challenge".
• Depuis 1992 : La "Grand Solar Challenge" au Japon.
• La "Dream Cup Suzuka" au Japon.
• Le "Dell-Winston School Solar Car Challenge", USA.
• En 2004 : Le "Phaethon 2004", pour les Jeux olympiques d'Athènes en Grèce.
• Le "World Solar Rally in Taiwan 2006"

La " Spirit of Canberra

La voiture solaire de l'université de Melbourne en Australie a participé à plusieurs courses solaires entre 1998 et 2002.

 

La voiture mesure 6m de long, 2m de large et 1m de haut. Son poids est de 170kg sans les batteries (sans pilote).

Elle peut atteindre les 140km/h avec batteries et 90km/h uniquement avec le soleil.

Elle est équipée de 800 cellules solaires recouvrant une superficie de 8m2, ce qui génère une puissance maximale de 1200 Watts.

Les roues sont surmontées de coupe-vent pour améliorer l'aérodynamique de la voiture et ainsi diminuer la consommation d'énergie. La roue avant, qui pèse 14.5 Kg contient le moteur qui délivre un rendement de 98%. Comme une voiture ordinaire, la voiture possède ceintures de sécurité, clignotants, des feux-stop, des freins (avec récupérateur d'énergie évoqué plus-haut) et un klaxon.

- Les batteries sont de types Lithium-Ion et pèsent 36kg au total. Elles sont composées de 2 blocs de 16 modules chacun. La puissance totale disponible est ainsi de 5kWh.

 

La « Power of One »

La "Power of One" est une voiture solaire ayant réalisé un record de distance en 2008.

Avec ses 5 mètres de longueur, ses 80 mètres de longueur et sa petite hauteur (0.90mètres), elle a déjà parcourue plus de 15 000 kilomètres. Elle pèse 300 kg, avec le pilote à l’intérieur.

Grâce aux 8 mètres carrés de cellules solaires disposées sur le toit du véhicule (similaire à la voiture précédente), elle est capable de parcourir 200 km sur ses batteries sans soleil, ou 500 km en plein jour. L’engin peut atteindre une vitesse de 120 km/h et passe de 0 à 85 km/h en 6 secondes.

 

Les panneaux solaires sont composés de cellules de Si-monocristallin (de la société Shell Solar) à 15% de rendement. Ces cellules fournissent une puissance maximale de 900 W, l’énergie est ensuite stockée par une batterie polymère Li-Ion

« Nuna »

Conçue pour la course, la voiture solaire Nuna a gagné la 8ème "World Solar Challenge" le 5 octobre 2005. Le véhicule a parcouru 3010km avec une vitesse moyenne de 102,75 km/h.

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  Nuna3

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  Nuna4

La voiture Nuna 3 a gagné le World Solar Challenge en 2006 avec une vitesse de 90 km/h en moyenne, pour une traversée effectuée en 4 jours.

La vitesse moyenne de Nuna 4 lors de l’édition 2007 a été inférieure à celle de Nuna 3 en 2005, à cause de la réduction de la surface de capteurs solaires (limitée à 6 m²) de 25%, et du fait que le conducteur devait être assis et pas couché (contraintes imposées par les organisateurs de la course afin de ressembler progressivement à des voitures classiques)

 

Conclusion sur la voiture solaire

• Le prix d'une voiture solaire varie de quelques milliers à plusieurs millions de Dollars/Euros, et ce sont des modèles uniques.
• Vitesse maximum sur le WSC (« World Solar Challenge »): 140km/h.
• Vitesse moyenne maximum : 100km/h sur les 3000km du WSC.

Avantages :

• Pas d’émission de gaz et de particules nocive.
• Pas de carburant

Inconvénients :

• Faible autonomie.
• La voiture doit être très légère, les charges supplémentaires réduisent les performances.
• Coût élevé.

Les courses ont permis plusieurs développements d'applications concrètes, parmi lesquelles :

Le développement de véhicules électriques suite au WSC (comme Général Motors). Avec la hausse du carburant actuellement et le développement de la technologie, ces véhicules sont de plus en plus nombreux.

L'aérodynamique des voitures apparaît un peu plus dans le monde automobile, afin de réduire la consommation des voitures, et les cellules solaires développées apparaissent dans bon nombre de véhicules électriques et hybrides en complément d'apport d'énergie.

Des pneus permettant d’améliorer les économies de carburant ont aussi été développés par plusieurs fabricants.

Les moteurs intégrés aux roues, utilisés dans les courses, s’étendent rapidement aux véhicules électriques puisque cela permet d’éviter les pertes énergétiques dans la transmission.

L’intégration du photovoltaïques dans les voitures classiques

La Prius solaire

Idée initiale :

L'entreprise californienne Solar Electrical Vehicles commercialise une Toyota Prius avec un capteur photovoltaïque sur le toit du véhicule. Le dispositif permet de parcourir jusqu’à 13 km grâce à l’énergie solaire accumulée dans une journée. Le système photovoltaïque (d’une puissance de 215 Wc) capte l’énergie solaire et l’emmagasine dans une batterie additionnelle au plomb. Un convertisseur augmente le voltage et achemine ensuite l’énergie vers le bloc de batteries original de la Prius (batteries de type NiMH - Nickel-Métal-Hydride). La Prius 3 pourra recevoir sur son toit des cellules solaires polycristallines fabriquées par la firme japonaise Kyocera.

 

Réalisation :

Le toit solaire est composé au total de 36 cellules photovoltaïques. Les cellules ont une taille de 15*15 cm, ce qui correspond à la moitié d’une taille standard, avec un taux de rendement de 16,5 %. (Source : Kyocera) La production maximale d'électricité pourra atteindre les 50 watts. Cette électricité doit servir pour alimenter le système de climatisation. En effet, Toyota pensait se servir de l’électricité pour alimenter la batterie, mais l’idée a été abandonnée car les chargements/déchargements à répétition détériorent rapidement la batterie.

 

Le toit solaire en option coûtera 1500 euros.

Toyota désire commercialiser tous les mois environ 10 000 Prius au Japon à un prix de départ estimé à 2,05 millions de yens (environ 15 700 euros), soit une baisse de 12 % par rapport à l'actuel modèle le moins cher de la marque.

Les objectifs de de la société Fiat

Le constructeur Fiat désire rajouter des panneaux solaires photovoltaïques à ses voitures.

Pour Fiat, les avantages sont indéniables : design, écologie, économie d'énergie, rechargement des batteries. Pour ce faire, Fiat s'est associé avec un fabricant de technologies solaires Irlandais, la société SolarPrint, afin d’intégrer des panneaux photovoltaïque sur les toits de ses nouveaux modèles.

Les panneaux solaires seront une technologie à film fin, directement imprimé et conçue pour le toit des véhicules. Les panneaux à film fins sont sombres, discrets et performants, et donc adaptés pour l’automobile.

Les panneaux photovoltaïques sur le toit permettront d’alimenter de nombreux éléments :

• La Climatisation : grâce au toit solaire, on pourrait réduire de 15% la consommation en énergie. La climatisation est effective lorsque le soleil brille, le panneau solaire sera donc utile, et permettra à la climatisation d'utiliser moins d'énergie.

• Le rechargement de la batterie avec les panneaux photovoltaïques : mêmes si la voiture est à l’arrêt, les panneaux solaires continueront de recharger de la batterie. Une voiture garée en plein air n'aura aussi plus de problème de batterie qui se décharge. Les panneaux photovoltaïques seront directement branchés à la batterie.

• Utiliser les fonctionnalités de la voiture à l'arrêt : les panneaux solaires suffisent pour alimenter une radio, et une grande partie des appareils branchés sur l'allume cigare.

Les cellules produisent moins d’énergie et le coût est plus élevé que des cellules photovoltaïques conventionnelles à silicium, mais elles permettent de produire avec beaucoup moins de lumière, dans n’importe quelle situation.

Fiat, en collaboration avec l’école Polytechnique de Turin, a récemment développé un concept de voiture électrique appelé « Phylla » La voiture dispose d'une propulsion électrique et de batteries qui lui assurent une autonomie de 145 à 220 km (le temps de recharge est de 5 heures maxi).

Son toit est équipé de panneaux solaires photovoltaïques, lui apportant une autonomie de 12 à 18 km. Elle met 6 secondes pour passer de 0 à 50 km/h, avec une vitesse de pointe de 130 km/h. Elle n'émet aucun rejet polluant et est entièrement recyclable.

 

La Venturi Eclectic

La Venturi Eclectic est la première voiture urbaine autonome fonctionnant à l’énergie solaire créée.

Elle est encore à l’état de prototype ou de très petite série. Une version limitée de 200 exemplaires a été lancée en juin 2007.

 

La Venturi est équipée de batteries qui se rechargent de façon autonome grâce aux énergies renouvelables (solaire, éolien) ou si nécessaire grâce à l’électricité délivrée par le réseau.

L’autonomie peut aller jusqu’à 50 km pour une vitesse de 50 km/h.

• La production solaire (2.5 m² de cellules photovoltaïques) en une journée d’exposition permet de parcourir 7 km, à une vitesse maximale de 50km/h.
• La recharge totale du véhicule (sur secteur) prend 5 heures et permet de parcourir 50km.
• La production d’une ou plusieurs éoliennes qu’il est possible d’installer sur le toit pendant le stationnement (en option) en une journée (de bon vent) permet de parcourir 15km.

Le prix total est d’environ 15 000 €.

Fiche technique

La Venturi Eclectic est un véhicule électro-solaire à 3 places

- Puissance moteur : nominale 4 kW; 9 kW - Panneaux solaire : 0,8 m2 (rendement de 14%) 72 W - Batteries : Trojan 48 V – 145 Ah (option Lithium 48 V - 240 Ah) - Masse à vide de 390 kg

 

Le type de stockage le plus adapté pour l’automobile.

La batterie est l’élément principal des voitures électriques. Elle conditionne les performances et surtout l’autonomie du véhicule. Aujourd’hui, ce sont les batteries lithium qui permettent d’améliorer les caractéristiques techniques des véhicules électriques et de rendre leur utilisation possible.

Les caractéristiques les plus importantes d’un stockage photovoltaïque sont le prix du kWh stocké, le rendement, et la durée de vie.

Il existe différentes batteries :

• Les batteries au plomb permettent de délivrer une tension de 2.1V mais ne stockent que 30-35 Wh/Kg
• Les batteries alcalines se déchargent trop rapidement.
• Les batteries nickel-cadmium ont une bonne capacité de stockage (40-50 Wh/Kg) mais sont toxiques
• Les batteries nickel hydrures métalliques peuvent stocker 70Wh/Kg, mais sont relativement onéreuses
• Les batteries au lithium : le lithium est un métal très léger avec une grande capacité à stocker l'électricité. Ces batteries sont utilisées principalement pour les objets portables (ordinateurs, téléphones, consoles ...). Les recherches effectuées sont axées sur le lithium - ion et polymère. Par rapport aux autres batteries, elles sont plus légères et ont une plus grande capacité de stockage.

Le lithium permet en effet de stocker énormément de charges électriques sous forme d’ions sur les électrodes. Le principe de fonctionnement est basé sur la circulation des électrons pour générer un courant électrique, comme pour toute autre batterie : les ions lithium, sur l’électrode négative en graphite, traversent l’électrolyte (correspondant à la paroi centrale de la batterie), pour se fixer sur l’électrode positive en dioxyde de cobalt.

La densité énergétique

L’important pour une batterie est d’embarquer un maximum d’énergie pour une place minimale. En brulant 1 kg d’essence, il est possible de générer 1000 Wh d’énergie. La densité énergétique est définie par le rapport poids/puissance et détermine les performances d’autonomie de la voiture électrique.

Les batteries lithium-ion ont une densité énergétique de 150 Wh/kg, six fois plus que les batteries traditionnelles au plomb. Mais cela reste 5 fois moins que les carburants liquides. Les chercheurs travaillent sur de nouveaux types d’électrodes capables de stocker plus d’ions, comme l’oxyde de manganèse (LiMnO2) ou l’oxyde de nickel (LiNiO2), ce qui permettrait d’avoir une densité énergétique des batteries capable d’atteindre 500 Wh/kg. Mais pour le moment, les chercheurs rencontrent des problèmes, l’électrode positive se dissolvant dans l’électrolyte après quelques cycles de charge.

Comparaison des différentes technologies de batteries pour les transports

Ce schéma permet de montrer que les batteries au plomb et au nickel disponibles sur le marché ont relativement peu de capacité de stockage et le coût du kWh est élevé. En revanche, les découvertes comme le lithium ou des matériaux nano structurés, en développement ou même encore en recherche permettront d’avoir une grande autonomie, avec un coût du kWh raisonnable.

 

Les batteries au lithium polymère

- Elles sont constituées d'un bobinage d'un film de 150 µm. - Elles fonctionnent à une température d’environ 90°C. - Leur capacité de stockage est de plus de 200 km pour un temps de charge relativement court. - Elles sont très stables et ont une longue durée de vie (10 ans ou 150 000 km). - Elles ont une densité d'énergie de 150 Wh/Kg (deux fois plus que les batteries au nickel et six fois plus que les batteries au plomb).

Le temps de charge

Le temps de charge d’une batterie d’une voiture électrique est d’environ 8 h avec une prise domestique de 16 A. Il passe à 5 h avec la prise prévue à cet effet. Plus l’intensité de charge (et donc le nombre d’électrons transitoire élevé) est importante et moins la charge est longue.

Cependant, une charge rapide endommage la batterie. Lorsque la puissance est trop importante, les ions lithium n’ont pas le temps de reprendre leur forme originale sur l’électrode de graphite, à la surface de laquelle se forme une couche de lithium métallique. Il existe donc une intensité à ne pas dépasser dans la batterie. Une solution serait de changer l’électrode de graphite par une feuille d’oxyde de titane (qui permet une intégration des ions lithium plus rapide). La charge complète de la batterie devient alors bien plus rapide (quelques minutes) mais la densité énergétique est alors en baisse (environ 130 Wh/kg).

Le prix d’une batterie

Le budget consacré à la batterie par les constructeurs automobiles est d’environ 200€/kWh, alors que le coût des batteries lithium est de l’ordre de 500 €/kWh.

Il est possible de diminuer le coût de l’électrode en cobalt par d’autres matières tout aussi stables (remplacement par électrode en phosphate de fer, plus stable et moins chère que le cobalt, mais toujours avec une densité d’énergie moindre).

Les ressources en lithium

Les batteries d’une voiture électrique comptent environ 15 kg de lithium. En 2008, il y avait environ 60 millions de véhicules électriques, soit 1 million de tonnes de lithium nécessaire pour les batteries.

En 2008, la production mondiale était de 30 000 tonnes, même si les réserves mondiales sont estimées à 11 millions de tonnes (présence au Canada, en Afrique, en Bolivie et au Tibet).

On estime qu’il y a sur Terre les ressources capables de tenir environ 5000 ans et même des millions d'années avec le lithium contenu dans les océans. En effet, le lithium est présent dans les océans, en faible concentration (0,2 g/m3).

Cependant certains endroits où est présent le lithium sont des sites remarquables et les gisements sont donc limités et très réglementés.

Une solution pour l’approvisionnement en lithium pourrait donc être de recycler les batteries une fois utilisées. Afin de récupérer les matériaux de la batterie, il existe des solutions chimiques ou thermiques, encore peu développées.

Si le lithium venait à manquer, d’autres perspectives restent possibles (batteries fonctionnant au magnésium, très abondant, ou encore l’utilisation d’enzymes de la biomasse afin de produire des molécules chargées électro-chimiquement.).

Une autre alternative à la batterie pourrait être les super condensateurs, qui utilisent le principe de l’électricité statique afin d’accumuler des charges d’électrons entre deux plaques de métal. Ceux-ci ont une durée de vie quasiment illimitée, les matériaux utilisés sont simples et bon marchés. En revanche, la densité énergétique est relativement faible pour qu’ils soient appliqués seuls aux véhicules électriques.