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Énergie du camping-car

  Energie

Introduction
Choix de la tension du bord
Pile à combustible
Chargeur de quai
Energiemètre
Groupe électrogène
Moteur et générateur Stirling
Micro-générateurs
Tableau électrique
Section des câbles
Coupe-batteries
Les alternateurs
La pile à combustible
Les batteries
Les diodes
Les convertisseurs 12 >220 V
Bien raccorder plusieurs sources

Maj : 01/07/19

Abstract :
The purpose of this page is to federate the problems of energy on a camper. A panorama of the various systems able to produce the electrical power. How to switch, transform and store the energy, with efficiency and security. How to manage without conflict a great number of various charging energy sources.
Separate pages for batteries, alternators and diodes.
The "how to do" for a fine wiring.

Résumé :
Le but de cette page est de fédérer les problèmes d'énergie sur un camping-car. Un panorama des divers systèmes capables de produire de l'énergie électrique. Comment commuter, transformer et stocker l'énergie avec efficacité et sécurité. Comment gérer sans conflit un grand nombre de sources de charge variées.
Pages séparées pour batteries, alternateurs et diodes.
Les règles de l'art pour un câblage correct.

Introduction

Cette page est une évolution de la page énergie d’un voilier autrefois sur Voilelec, remise à jour et très simplifiée, car c’est beaucoup plus simple sur un camping-car, il y a moins de sources de charges et moins de consommateurs.

La première partie recensera les divers moyens pratiques de produire de l'énergie électrique à bord.

La deuxième partie parlera des batteries, seul moyen connu à ce jour pour stocker l'énergie à prix acceptable et des divers accessoires permettant de gérer, économiser et manipuler cette énergie.

Le problème de l'énergie du bord peut se résumer simplement par quelques évidences, mais les limitations de poids et de budget rendent les compromis délicats. Il faudra donc multiplier les sources d'énergie les plus performantes, les plus variées et les plus fiables possibles.

Pour produire de l'énergie, nous ne disposons de quelques de moyens à bord

Alternateurs L'alternateur moteur est la source principale quand on roule, mais il n'est pas envisageable de faire tourner son moteur à vide à l'arrêt.
Panneaux solaires
Aérogénérateurs  (ce sont aussi des alternateurs)
Générateurs et groupe (ce sont aussi des alternateurs)
Piles à combustibles Encore beaucoup trop chères (achat et consommables), mais les prix sont en décroissance. C’est une solution d’avenir incontournable.
Chargeur secteur. L’énergie nucléaire est inépuisable et illimitée (à l’échelon individuel), à la différence de toutes les autres

Pour stocker cette énergie, le choix est très réduit
Une batterie démarrage moteur .et une ou quelques batteries de servitude.

 

Pour utiliser et gaspiller cette énergie, le choix est immense !
Tous les consommateurs du bord, décrits dans divers chapitres (sans oublier l'autodécharge des batteries).
Convertisseurs basse tension vers 220 V AC

La liaison des divers éléments se fait par commutateurs (de puissance) et diodes
Les petites puissances sont commutées par le tableau électrique.

Les chapitres suivants vont développer les divers points.

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Les Batteries

Un chapitre séparé traite des capacités, du rendement, du montage, ..., et des multiples aspects des batteries.

Annexe batteries
Batterie

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Camping-car en 220 V alternatif

Dans les temps anciens des lampes à filaments qui consommaient énormément, il fallait de grosses sections de cuivre pour réduire les pertes, et la solution 220 V était tentante pour les plus gros, mais avec le gain énergétique qu'apportent les leds en progrès permanents, l'argument des pertes ne tient plus. Voir la page des leds pour les détails Lampes à leds pour l’éclairage  moderne .
Tout sera câblé en 12 V par soucis de simplicité.

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Les alternateurs

Sur le camping-car, seul est utilisé l'alternateur moteur (hors groupe électrogène).
Une page annexe traite de ce matériel.

Annexe alternateurs
  Alternateur

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La pile à combustible (fuel cell)

La technologie des piles à combustible est en évolution rapide,
Une page annexe traite de ce matériel.

Annexe pile à combustible

fc

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Le chargeur secteur

Les anciens modèles à gros transformateur ont disparu, remplacés par les modèles à découpage bien plus légers.
Les anciens très lourds n’avaient qu’un avantage, la tension de sortie en demi-sinusoïdes à 100 Hz était exempte de parasites.
Les chargeurs de première monte sont suffisants si l’on ne rajoute pas de batterie supplémentaire.

  Transfo

 Chargeur ancien à transformateur 

Les actuels sont légers mais le découpage produit des fronts raides, difficiles à filtrer. Les parasites sont importants et perturbent les signaux radio, mais à quai cela a moins d'importance. La sortie est hachée, à fréquence élevée. Attention aux modèles à bas prix, certains sont de vraies bombes incendiaires à retardement et n'offrent aucune sécurité avec une régulation parfois catastrophique.
Voici un des principes (abaisseur Buck). La tension secteur est redressée et alimente un gros condensateur réservoir.
Attention si vous dépannez ce matériel, la tension aux bornes est de 300 volts continu (220 * racine 2). Cette tension est mortelle et le condensateur reste longtemps chargé alimentation supprimée.
Le principe est très simple, un interrupteur hacheur (à semi-conducteur) charge le condensateur de sortie. Le circuit de régulation (comparateur) coupe la charge quand la tension de sortie de consigne est atteinte. Le découpage se fait à fréquence très rapide. Ce dispositif est magique, il permet d'obtenir en sortie n'importe quelle tension très simplement.
Vous remarquez immédiatement son premier défaut, la tension secteur se retrouve en sortie, c'est l'électrocution assurée en touchant les bornes basse tension.
Deuxième défaut, si l'interrupteur se met en court-circuit, la sortie 12 volts (par exemple) se trouve immédiatement à 300 volts. Les appareils n'aiment pas, zeners et fusibles ne peuvent éviter un désastre.
Il a donc été rajouté un transformateur d'isolement qui alimente le condensateur par impulsions au travers de la diode. Il n'y a plus aucun des risques précédents, ces systèmes parfaits sont universellement utilisés. Ce transfo est très petit, il travaille à quelques dizaines ou centaines de kilohertz, c'est un tore ferrite avec quelques tours de fils. Ouvrez par exemple une alimentation PC, vous serez surpris par la petite taille des composants (sauf radiateurs pour les diodes et switcher) pour une telle puissance. Les alimentations ou chargeurs à découpages sont très petits, certains modèles à faible puissance sont même moulés dans la prise secteur (comme les chargeurs de smartphones et gadgets).

  Découpage

 Schéma de principe et de réalisation du découpage 

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Chargeur pour deuxième batterie

Si l’on rajoute une deuxième batterie servitude, le chargeur secteur de base ne suffit plus, il faut en rajouter un deuxième indépendant.
Il n’est pas question de coupler les deux batteries par diodes, la régulation de tiendrait compte que de la batterie la plus chargée.
Remarque : Les chargeurs vibrent souvent et leur bruit est très gênant dans une cabine pour dormir. Il est souhaitable de les monter sur plaque intermédiaire et silentblocs.

Quel chargeur choisir ?

Vous avez donc le choix de deux technologies. Les lourds chargeurs à transformateurs ont disparu, sauf pour les très bas de gamme, les dangereux chargeurs de voitures qui étaient vendus en supermarché à prix dérisoires au siècle dernier. Préférez un bon modèle à découpage, mais attention, certains produits au catalogue sont très mauvais, bruyants et s'échauffant dangereusement. Les intensités indiquées sont des maximums absolus, et sur un parc à batteries à plat, un petit chargeur grillera rapidement, ne pouvant encaisser longtemps ce courant maximum.
Les matériels médiocres sont peu fiables, une panne peut être très grave car les énergies mises en jeu peuvent créer un incendie.

Exemple personnel :

Chargeur Invac 15 A, acheté quelques jours avant le départ en croisière. Je l'avais choisi car il n'avait pas de ventilateur et était donc discret, il était monté sur une cloison et bien ventilé sous la table à carte.
Bon fonctionnement pendant quelques tests, mais bateau neuf, avec le parc de batteries déjà bien chargé. Il a grillé à la première vraie utilisation, batterie servitude à plat après une traversée, au bout de 30 minutes à la valeur maximale de 15 A. Cela est inadmissible.
J'ai eu de la chance, l'Invac n'avait pas brûlé en mettant le feu au bateau. Je l'ai examiné avant de le rendre, le pont de diodes d'entrée, très sous-dimensionné et mal refroidi, a claqué, ne pouvant supporter 30 minutes au courant indiqué sur l'étiquette commerciale. C'est une panne très fréquente. J'ai reçu une quantité de courriels d'autres victimes de la même panne.
J'ai dû racheter à la première escale un autre matériel en remplacement, un Tecsup 25 A mais avec un ventilateur extrêmement bruyant qu'il m'a été indispensable de monter dans le compartiment moteur pour l'insonoriser.
Pour économiser un Euro, les constructeurs ne régulent pas le ventilateur qui tourne à fond même quand il n’y a rien à refroidir (fin de charge). Ces pratiques sont lamentables au vu du prix de vente public des matériels.

Un chargeur est caractérisé par trois indications :

La tension de service en sortie, de 12 ou 24 V, suivant la tension du bord, c'est évident.
La tension d'alimentation, parfois seulement 220 V ou pour les meilleurs modèles de 80 à 300 volts. en 50 et 60 Hz. Le 110 V est indispensable si vous voyagez loin !
Pour les petits modèles, il est rare que la commutation soit automatique. Il faut souvent démonter le capot pour changer un strap. Le branchement en 220 V sur un matériel réglé en 110 est fatal.
Les meilleurs modèles acceptent de 80 à 300 V en 50 ou 60 Hz.
L'indication de l'ampèrage commercial est une donnée beaucoup moins objective. Prenons un modèle marqué 30 A. Il ne va pas charger longtemps votre parc de batteries vide à cette valeur ! Si le modèle dispose d'un ampèremètre (toujours optimiste), il partira en butée pendant quelques minutes puis décroîtra progressivement à faible courant (charge flottante) au bout d'une douzaine d'heures, si aucun équipement du bord ne tire de courant évidemment. Si le chargeur est sous-dimensionné pour le parc, la charge sera d'autant plus longue et il chauffera beaucoup. Il faut considérer que le courant de service pratique d'un chargeur est toujours nettement inférieur à l'ampérage commercial indiqué sur le modèle.
Les valeurs commerciales sont calculées sur la tenue pendant quelques minutes, à la limite de la destruction par carbonisation, sur une charge résistive. Ce n'est pas très honnête commercialement, mais tout le monde le pratique. Le constructeur qui oserait afficher la courbe réelle ne vendrait qu'aux initiés.

 

Comment calculer le temps de charge des batteries ?

C'est impossible simplement, car le si le parc ne peut être totalement vide (à 50%), il faudrait modéliser chargeur et batteries. C'est simple pour le chargeur mais pas pour les batteries qui se dégradent avec le temps. Le problème est bien plus complexe qu'il n'y paraît si le parc est composé de plusieurs batteries différentes plus ou moins chargées, avec pour compliquer une consommation pendant la charge.

Il faut calculer le courant maximum du chargeur en fonction de la somme des capacités du parc afin de ne pas dépasser un courant maximum tolérable de C/5 correspondant au début de la charge à fort courant, la phase "Bulk".
Si toutes les batteries sont vides et de capacité égale, sans consommation, pour simplifier en négligeant les pertes, à C/5 la charge ajoute 20% d'énergie chaque heure.
Au bout de quelques heures, l'intensité diminuera pour passer en mode "Boost", c'est la phase d'absorption qui va compléter la charge.
Ensuite la phase flottante "Float " à courant réduit maintiendra la charge maximale.

Nous allons prendre un exemple concret dans le monde de la voile pour voir que le problème est en réalité compliqué. Le bateau dispose d'une batterie démarrage de 75 Ah, une servitude principale de 135 Ah sur laquelle tire pilote, frigo, radar, disons 15 A en moyenne, et une servitude secondaire en réserve qui n'est quasiment pas sollicitée (ce qui est stupide !).

En 5 heures sous voiles, la servitude à fourni 15*5 = 75 Ah, plus de la moitié de sa capacité, il faut impérativement recharger d'urgence.

Le moteur est démarré, l'alternateur charge à fond. La batterie moteur très peu sollicitée est chargée à bloc en quelques minutes ainsi que la servitude secondaire. L'alternateur (ou le chargeur de quai) n'alimentera donc en pratique que la servitude vide.

Si le dispositif a été dimensionné pour donner un C/5 pour tout le parc, la seule batterie à charger recevra un courant 2.5 fois trop fort et se dégradera extrêmement vite (75 + 135 + 135 ) / 5 = 70 A.

Si le dimensionnement a été fait pour une seule batterie, 135/5 = 27 A, la charge est parfaite, mais ne sera très insuffisante si tout le parc est vide.
Il faudrait évidemment une régulation séparée par batterie, mais par économie, cela n'existe pas.
Autre facteur aggravant, si la consommation de 15 A reste constante pendant la charge, il faudra charger en bulk à 27+15 A, donc augmenter la puissance de charge.

Attention, si le bateau est à quai et laissé en charge secteur, consommations supprimées, il faudra évidemment revenir au strict C/5 nominal au début.
Nous avons évidemment supposé que toutes les batteries sont de technologie identique, car si des types démarrage automobile ou traction ou …, liquides ou gélifiées ou …, les tensions sont différentes et le problème encore plus complexe.

Il n'y a malheureusement aucun moyen avec nos technologies actuelles de charger vite.
Si le poids et le budget le permettent, il est donc préférable :
° d'augmenter le plus possible la capacité du parc
° de répartir les consommations sur plusieurs batteries
° de privilégier les batteries modernes haut de gamme qui acceptent une décharge plus profonde
° de séparer les circuits de charge en de dépassant jamais C/5 sur une batterie
° de s'orienter vers des technologies de groupes silencieux, comme les Striling qui peuvent tourner des heures sans nuisances
° de piloter la charge par des moniteurs de consommation qui mémorisent l'état réel de chaque batterie
° de ventiler les batteries pour refroidir et éliminer les gaz (jamais dans le compartiment moteur trop chaud !)
° …

En termes de rendement, il faut un gros chargeur, et si l'on utilise un groupe, charger souvent, mais peu de temps plutôt que moins souvent et plus longtemps pour rester dans la phase "Bulk" qui exploite au mieux l'énergie disponible et surabondante.

Nous avons déjà évoqué le fait qu’il faut recharger la batterie après utilisation d’un quart de sa capacité, ne l’oubliez pas si vous n’avez pas d’énergies douces en quantité suffisante pour compenser les consommations, il faudra quadrupler le résultat calculé…

Je vous invite à consulter cette autre page de référence, un document pdf de Victronenergy, bien meilleur que mon chapitre médiocre et incomplet, qui développe le sujet de la charge des batteries (voir liens).

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Ampèremètre / Energiemètre, instrument magique

Avec plusieurs batteries, la gestion de l'énergie est complexe. Il existe pourtant un moyen facile de connaître à tout instant l'état de charge des batteries du bord. Pour prendre une analogie simplificatrice, l'ampèremètre heure (coulombmètre) agit comme le ferait un compteur réversible en série sur l'unique entrée basse d'un réservoir.

Le principe est donc de mettre un très petit shunt, qui absorbe une puissance négligeable en série dans un fil au départ de la batterie.
Un amplificateur permet d'exploiter la très faible tension produite par le passage du courant.
Les entrées et sorties sont comptabilisées, et l'instrument affiche en permanence le nombre d'Ampère*Heures fournis par la batterie. Une fois le réservoir rempli, le compteur est mis à zéro et toutes les entrées et sorties sont comptées.

Avec un vrai réservoir d'eau, ce serait bien plus simple, il suffirait de lire le niveau sur une jauge graduée en négatif pour avoir un résultat identique ! C'est évidemment impossible pour une batterie, il n'y a aucun autre moyen de connaître son état de charge en service que d'intégrer son courant.

C'est beaucoup plus compliqué que si l'on voulait connaître le volume d'une d'eau dans une baignoire en lisant la quantité d'eau entrante (charge) et la quantité d'eau sortante (décharge), en effet pour poursuivre l'analogie avec une baignoire (problèmes de certificat d'étude du siècle précédent, maintenant c'est du niveau Bac+2) :
° Plus on remplit vite, plus on perd de l'eau (les tuyaux de remplissage fuient) = Plus la charge sera forte, plus le rendement sera faible, les forts courants détruisent la batterie.
° Quand elle est pleine, on peut encore la remplir (débordement) = Au bout d'un temps long, la charge passe en mode d'entretien, l'énergie est alors perdue par échauffement (il faut limiter le courant).
° La baignoire se vide peu à peu spontanément (forte évaporation et fuites permanentes) = Autodécharge de la batterie très délicate à caractériser, dépend de l'âge et des contraintes subies précédemment.
° Plus on la vide vite, plus on perd de l'eau (les tuyaux de vidange fuient) = Pertes, entre autre par effet Joule, d'autant plus fortes que le courant augmente.

Toutes ces raisons font que ce petit matériel est très délicat à réaliser, non pas électroniquement (c'est une application simple à base de microcontrôleur) mais à cause de la mise en équations très subtile des échanges. Une prochaine page illustrant la modélisation de comportements physiques évoquera sa réalisation.

En résumé, il s’agit à la base d’un simple Coulombmètre qui comptabilise le produit « courant * temps » (ce qui est très facile à réaliser), mais qui se complique beaucoup car il faut introduire les importantes pertes difficiles à modéliser.

 

 Les contrôleurs d'énergie 

Attention ce modèle est obsolète, il est remplacé par le Xantrenx LinkPro : linklite

Sur la photo, les moteurs tournent depuis 30 minutes, la batterie bâbord est encore déchargée de 4.4 Ah, la tribord de 8.2, cela suffirait largement pour avoir quelques jours tranquilles, mais c'est le dessalinisateur et le frigoboat qui demandent de laisser tourner les moteurs plus longtemps. Avant de lancer la charge, les deux parcs étaient vers -40 Ah.

Ces instruments se sont avérés extrêmement fiables et précis. Après quelques mois de navigation, les zéros n'ont glissé que de d'une vingtaine d'Ah et l'information reste très pertinente. Ce petit glissement est parfaitement normal, à cause de la diminution progressive de la capacité des batteries et de l'auto décharge par fuite interne que le circuit externe ne peut mesurer.
Il faut faire un reset pour mettre à zéro le total cumulé des Ampères*heures à la première mise en service des parcs à batteries et ensuite deux ou trois fois par an.
La procédure est simple : Basculer provisoirement tout le circuit de consommateurs d'un parc sur l'autre, mettre en charge et en attendant que le courant tombe presque à zéro (charge d'entretien). Sur un chargeur de quai cela peut prendre plus de 24 heures. La tension est alors maximale, c'est le moment de faire le reset. Le deuxième parc subit ensuite le même sort, puis le câblage normal est restauré.

A titre d'exemple sur Itzamma qui possède deux gros parcs en 24 V et des matériels gourmands, avec un aérogénérateur pour compenser, après une nuit au mouillage, les décharges sont de l'ordre d'une cinquantaine d'Ah par parc. Les deux moteurs mis en marche pendant 45 minutes permettent l'appareillage, la fabrication de quelques centaines de litres d'eau et la recharge du Frigoboat ainsi que la remise à niveau des batteries.
Le gain en énergie est évidemment très rapide pendant les premières minutes et décroît ensuite exponentiellement.

Ampèremètre / Energiemètre différenciant les courants d’entrée sortie

Un énergiemètre possède un afficheur et des touches pour sélectionner, courant tension et déterminer en intégrant ces valeurs en fonction du temps la capacité consommée et restante dans la batterie.
Le plaisancier rêve d’un appareil plus sophistiqué qui lui permettrait aussi à tout moment de lire sa consommation générale et séparément les courants de charge de chacune des sources entrantes. Cela n’existe pas dans le commerce. La réalisation ne poserait aucun problème, mais il faudrait impérativement un shunt séparé par direction pour différencier chaque courant, le point commun de tous ces shunts étant le positif batterie.
Les shunts devraient évidemment être de puissances très différentes, le guindeau et le démarreur consomment 300 A, l’alternateur principal charge en pic à 100 A, les panneaux solaires et aérogénérateurs dans la gamme 5 à 10 A…
En disposant de cette série de shunts installés proprement, il suffit alors de rajouter autant de convertisseurs courant/tension flottants, ce sont maintenant des composants à très faible coût.
Avec une seule batterie cela compliquerait le câblage, mais avec plusieurs batteries et des répartiteurs à diodes, ce serait pire encore, bien au-delà des compétences de l’électricien du port et du plaisancier moyen.
Ce produit n’est pas disponible dans le commerce car la réalisation d’un tableau de shunts avec des borniers de qualité reviendrait beaucoup plus cher que l’électronique associée très simple.

Pour les bricoleurs

Utilisation du câble batterie comme shunt de mesure. Tout conducteur est résistant, il peut donc être utilisé comme shunt.
Quand le démarreur absorbe 100 A, la chute dans le bout de gros câble entre le négatif batterie et la masse du moteur est de l'ordre de 0.1 V, donc, comme V=RI, la résistance de ce câble est de l'ordre de V/I= 0.1/100 = un millième d'Ohm.
C'est largement suffisant pour pouvoir constituer un shunt de mesure de qualité en amplifiant la tension par un circuit spécialisé comme les excellents Maxim " Precision, High-Side Current-Sense Amplifiers " 471-472.
Sur le plan pratique, il faut réaliser le shunt en soudant dans les grosses cosses le fil de puissance et fil fin vers le convertisseur, en aucun cas sur une cosse séparée, la fluctuation des résistances de contact fausserait toute mesure.
J'utilise un petit convertisseur pour alimenter en tension flottante le « moniteur » de batteries sur shunt câble.

Attention toutefois, le logiciel d’un énergiemètre est très complexe car les lois qui régissent l’énergie restituée en fonction de l’énergie de charge dépend de nombreux paramètres subtils.
Un simple algorithme qui ne prendrait en compte qu’un pourcentage de perte charge / décharge en fonction du courant et de la température serait trop médiocre.
Les bons matériels commerciaux ont un logiciel beaucoup plus subtil, c’et pour cela que dans ce cas particulier, je n’inciterai pas à bricoler un programme de microcontrôleur maison.
Il n’y a aucune difficulté de hardware, mais l’algorithme acceptable sera très difficile à écrire. Les documents Xantrex en évoquent les grands principes.

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Groupe électrogène

Les groupes électrogènes sont les moyens les plus anciens et classiques pour produire de l'énergie quand le moteur principal ne tourne pas. Le principe est très simple, un petit moteur (diesel fixe sur un voilier, essence en camping-car) est accouplé à un générateur. Le tout est monté sur silentblocs dans un cocon plus ou moins bien insonorisé. Le refroidissement se fait soit à l'eau de mer(voilier) soit par air, nettement plus bruyant. L'échappement est évidemment une source de bruit et de pollution. Ces groupes peuvent tourner en permanence et ont une consommation acceptable de moins d'un litre de gazole par kW produit, soit une centaine d'ampères sous 12 volts.
Attention, à petit débit, la consommation est beaucoup plus grande, cela ne vaut qu’au courant nominal proche du maximum.
La gamme des puissances est énorme, mais le choix est réduit pour les petites puissances dont nous aurions besoin.
Le marché des très petits diesels de 1 et 2 CV (pour groupe électrogènes et moteurs hors-bord) n'intéresse aucun constructeur à ce jour. En pratique, il faudra donc utiliser un groupe de puissance surabondante ou, bien mieux, un Stirling (très cher !).

Les groupes électrogènes ont un excellent rendement car la puissance et le régime du moteur sont parfaitement adaptés à la charge, alors qu'avec l'alternateur d'origine moteur, seulement une très faible partie de la puissance moteur est utilisée.

Il ne faut jamais faire tourner le moteur au ralenti pour charger ses batteries, voir page pannes moteur

Il existe aussi sur le marché des petits groupes, 12 V 20 A, très intéressants car alimentés par la bouteille de gaz du bord. Ils sont légers, peu bruyants, ils évitent les transferts et stockages dangereux de carburants mais sont beaucoup plus chers que les groupes portables classiques. Ils doivent être envisagés non pas comme source régulière, mais en appoint occasionnel, pour regonfler le parc servitudes à plat après une longue escale sauvage (Cherchez "Gasperini").
Vous trouverez une grande quantité de liens sur les groupes électrogènes (power group generator) avec les moteurs de recherche.

Tous les groupes électrogènes ont une consommation du même ordre.
Il faut compter moins d'un litre (gazole ou essence) par kilowatt restitué.
Un groupe de 1 cheval (736 watts) restitué fournira environ
60 ampères sous 12 volts ou 30 A sous 24 v,
et consommera 0.8 litre à l'heure à pleine charge.

Attention à l’interprétation de ces valeurs, le courant ne sera fort qu’en début de charge, le rendement de charge baisse ensuite très vite avec la puissance demandée.
De plus, quand le groupe ne fournit pas sa puissance maximale, il consomme presqu'autant de carburant, donc son rendement s'écroule.
Pour économiser le carburant et optimiser le rendement, il faut couper le groupe dès que la charge passe en floating et le démarrer plusieurs fois par jour peu de temps au lieu d’une seule fois longtemps.
Il est totalement inutile d’essayer de charger à fond.

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Moteur et générateur Stirling

Un remarquable groupe électrogène est commercialisé, il utilise un moteur Stirling : Son avantage énorme est de ne pas exploiter de moteur à explosion mais un extraordinaire moteur à combustion lente. C'est un petit brûleur comme sur les réfrigérateurs à sorbtion (non ce n'est pas une faute de frappe !), qui pourrait être alimenté par n'importe quel combustible. Ces moteurs sont très anciens, ils ont deux siècles. Ils sont rustiques et très fiables et fonctionnent en circuit fermé.
Quelques connaissances basiques en thermodynamique sont nécessaires pour comprendre le principe d’un moteur à vapeur ou à explosion, mais cet ancêtre de deux siècles vous laissera très perplexe…
Au début, on pense avoir compris son cycle de Carnot, en se disant " Cela ressemble au moteur à vapeur ", mais en approfondissant le sujet sur les diverses variantes, bien des questions vont se poser.

Il n’y a pas d’échappement (circuit fermé), il suffit d’évacuer le flux de gaz chauds, en silence. Ce dispositif produit aussi une grande quantité d'eau chaude.
Ils n'ont aucune carrière possible en propulsion automobile directe car ils ne peuvent avoir que des variations de vitesse très lentes et sont longs à démarrer et à arrêter, mais cela est parfait pour entraîner, sans bruit ni vibrations, un alternateur à sa vitesse optimale constante sur d'énormes durées, il a de l’avenir pour les véhicules hybrides (Il peut fonctionner avec n’importe source de chaleur) …
Le rendement thermique d’un Stirling est meilleur que celui d’un diesel ou d’une essence.

Regardez ce petit modèle de 90 kg, moins d'un litre de gazole à l'heure par kW, ce qui est proche des petits groupes à essence très bruyants et polluants. C'est l'équipement parfait pour un bateau de voyage, il règle définitivement tous les problèmes d'énergie du bord. Le prix est son seul défaut, mais sortir 70 A en 12 V ou 35 A en 24 V, cela 24 heures sur 24, sans bruit ni vibration et quasiment sans entretien, mérite un sacrifice. Il n'y a pas d'autre équivalent ou concurrent sur le marché.
Stirling Micro Combined Heat and Power (MCHP). Mais son prix exorbitant est un défaut rédhibitoire...

 générateur

Le moteur Stirling va revenir à la mode avec le besoin d'écologie (la vraie, pas celle des bouffons de la politique !), et le développement de la propulsion électrique mixte.
Très grossièrement, un Stirling peut ressembler de loin à une machine à vapeur, mais la vapeur est remplacée par de l'air (ou tout autre gaz) en circuit fermé !
Le gaz est chauffé d'un côté, il pousse un piston moteur en se dilatant, il refroidit de l'autre côté, un piston déplaceur permet le mouvement astucieux du gaz.
Voici un des superbes petits jouets pédagogiques Stirling fonctionnant parfaitement.

 Jouet

Philips a énormément investi sur ce principe, en particulier sur sa fonction inverse de réfrigération et sur les petits groupes increvables.
Il y a un très bel avenir pour ce moteur. Il est très utilisé en spatial comme cryogénérateur, c'est la meilleure solution pour refroidir les capteurs infra-rouges. Il n'y a pas mieux comme générateur non polluant sans vibrations et silencieux.
Il peut se contacter de très faibles gradients thermiques et tourne 10 ans sans maintenance, il y a très peu de pièces mobiles, elles sont simples cela permet une très grande fiabilité, ce qui est une opportunité formidable pour les pays en voie de développement.
Je regrette vraiment que le marketing de Philips ait jugé qu’il fallait abandonner la filière Stirling car la branche était peu rentable, et que ce genre d’énergies douces n’intéresse pas le grand public. Ils avaient une énorme expérience sur ce sujet et tout leur savoir-faire s’est perdu.
Il a été jugé beaucoup plus lucratif de vendre des climatiseurs à l’effet désastreux pour l’avenir de la planète, que des Stirling pour quelques illuminés au pouvoir d’achat insuffisant.

 Voici quelques petits exemples des multiples utilisations des moteurs Stirling, mais la liste est bien loin d’être exhaustive :

Un Stirling entraîné (par exemple par un autre Stirling en moteur à partir d'une source de chaleur quelconque) fait un remarquable réfrigérateur et liquéfier les gaz à moins 200 degrés.

MSI a fait une très belle application en récupérant la chaleur du CPU pour faire tourner un petit Stirling qui entraine un ventilateur de refroidissement

La Nasa l’utilise pour des engins spatiaux, le vide spatial fournit la partie froide, une réaction nucléaire la partie chaude.

Le silence absolu d’un moteur Stirling à haute pression et l’absence d’échappement direct en fait un excellent choix pour les sous-marins non nucléaires, et le Saga de la Comex.

 

Utilisation d’un moteur Sterling pour produire son énergie

Le moteur Stirling étant disponible, il faut d’abord réaliser la mesure de la puissance fournie. Cela se fait simplement au frein de Prony et au compte tours.
Le frein se bricole avec deux bouts de bois et des serre joints. Le contre poids se fait facilement avec une charge posée sur une balance, attaché par un fil souple en bout du bras de levier. Les renvois par poulies diminuent la précision de la mesure.
Faute de compte tours, un réducteur improvisé et un chronomètre font l’affaire.
On obtient la  courbe donnant le couple en fonction de la vitesse.

Connaissant maintenant la puissance que peut fournir le moteur, reste à choisir le bon alternateur ou la dynamo avec  le réducteur à poulies ou engrenages.
Pour un Stirling qui tourne lentement, il faudra beaucoup accélérer.
Un petit Stirling entrainera une « dynamo » de vélo, un gros un alternateur automobile.

Pour mémoire, fournir 20 A à 13.6 V demande 272 W, avec les pertes plus d’un demi CV (1 CV = 736 W), cela demande un très gros moteur.

Parcourez le ring des sites Stirling, et faites des recherches sur ce moteur étrange et passionnant "stirling motor", "stirling refrigerator".

Vous l’avez peut-être deviné, je suis un grand fan du moteur Stirling…

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Les micro-générateurs

Ce petit chapitre évoque un matériel très différent. Il n'est plus question de produire des dizaines ou centaines de watts mais de petites énergies. Il s'agit d'un très petit chargeur de batteries alimenté par une mécanique rustique convertissant les contractions de la main en rotation d'un minuscule alternateur. Ce matériel présente beaucoup d'intérêt dans les kits de survie.
Une dizaine de contractions musculaires suffit à alimenter un petit récepteur pendant une demi-heure. Anecdotiquement, mais dans le même esprit, il existe un très bon rasoir gyroscopique purement mécanique, lancé par ficelle comme un hors-bord, qui tourne quelques minutes après traction (il se trouve sur les marchés populaires en Asie pour quelques dollars).
Il est encore plus facile d’utiliser un alternateur à manivelle qui fournit une puissance importante, cela est très répandu maintenant en magasins de bricolage. Le petit accumulateur permet aussi de recharger ses téléphones portables à la manivelle sur les meilleurs modèles, les bas de gammes ont une tension trop faible.

Produire son énergie électrique en pédalant

De nombreuses études ont été faites pour les avions à propulsion musculaire, en particulier pour établir des records de traversée de la Manche sur des engins ultra légers à pédales. La documentation est abondante et très savante sur la performance musculaire pour tout ce qui touche le sport de haut niveau, objet de beaucoup de thèses.
Il est admis qu'un champion cycliste normalement dopé à l'EPO et aux diverses piqûres de routine peut fournir 550 W pendant 3 heures avant hospitalisation et décès.
Un individu normal, en bonne condition physique, capable de terminer un marathon en moins du double du temps du vainqueur, fournira une centaine de watts dans des conditions d’effort et de durée équivalentes et raisonnables.
Une douzaine de sportifs entraînés pédalant en tandem pendant une heure fournira donc autant qu’un petit groupe électrogène avec un demi litre d’essence.

Il est assez facile pour un bricoleur de modifier un vélo d'appartement et d'adapter un alternateur. Il y a toutefois une difficulté pratique ! Les alternateurs courants de type automobile se trouvent en quantité dans les casses pour une dizaine d'euros.
Ils sont prévus pour tourner en régime nominal à des vitesses très élevées, jusqu'à 21000 tours/minute en produisant des courants très forts de 30 à 180 Ampères, la puissance fournie étant de l'ordre du kilowatt (15 volts * 70 ampères).
En pédalant à un tour/seconde, ce qui est raisonnable, il faut adapter un multiplicateur de vitesse par 350 (350*60=21000).
Les pertes par frottement dans un tel ensemble de pignons, alternateur débranché, seraient supérieures à l'énergie fournie en pédalant.
À vitesse réduite le rendement de l'alternateur est très faible, un alternateur automobile ne produira donc aucune énergie attelé à un vélo d'appartement.
Cette approche n'est pas satisfaisante, il faut trouver un alternateur dix fois moins puissant que celui d'une automobile, mais il sera beaucoup plus cher et rare.
Je n'ai pas connaissance d'un tel dispositif pratique produisant quelques ampères.

Il ne faudra donc pas espérer beaucoup améliorer son bilan énergétique en pédalant avec un vélo d’appartement modifié à bord, mais c’est très bon pour la forme et le moral car les jambes ne travaillent pas en navigation. Les vélos à production d’énergie sont utilisés dans l’espace, non pas tant pour l’énergie produite (récupérée), mais pour diminuer la perte de calcium des os pendant les vols de longue durée et lutter contre le relâchement musculaire. C’est une excellente thérapie.

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Tableau électrique

Le tableau électrique ne concerne que les petites puissances du bord pour éviter les échauffements. N'hésitez jamais, éliminez les disjoncteurs ! Ils sont chers, plus fragiles, moins fiables et plus lents que les fusibles. Multipliez les fusibles, en séparant les circuits, d'intensité bien adaptée à la charge. Il est impératif d'utiliser des porte-fusibles de qualité, graisser légèrement contacts des fusibles et filetages.
Il faut dimensionner exactement les fusibles au plus près des valeurs normalisées classiques (1, 2, 4, 6.3 ,10 A,...).
Vérifiez que vous avez à bord les fusibles de rechange nécessaires avec toutes les valeurs, pour ne pas surdimensionner les fusibles lors des remplacements.
Si un fusible claque, il ne faut pas le remplacer bêtement par un plus fort, mais comprendre ce qui a causé la panne et résoudre le problème.
Pour le dépannage, il est très utile d’avoir un faux fusible bricolé qui remplace le strap par une ampoule à filament de 10W. Si en mettant provisoirement à la place du fusible grillé elle s’allume, il ne reste plus qu’à chercher le court-circuit avant de mettre un nouveau fusible.

 

Paradoxe des protections

Tous les consommateurs du bord sont protégés par fusibles ou disjoncteurs.
Le plus gros consommateur est le démarreur qui n’a aucune protection !
En cas de court-circuit, le courant peut monter à mille ampères et mettre le feu ! Ce n’est pas un oubli mais une nécessité de prendre un tel risque. Le démarreur est un élément vital de sécurité et on ne peut se permettre un incident de fusible dans un moment critique, il faut câbler au plus rustique possible. Il est presque impossible d’implanter un fusible 1000 A de manière fiable et à des prix acceptables. En cas de court-circuit fatal, un élément doit brûler, ce sera souvent le coupe batterie plutôt que les câbles, il faudra jouer de l’extincteur avant que la batterie n’explose…
Il faut donc particulièrement soigner le circuit très simple de batterie / coupe-circuit / démarreur.

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Section des câbles

Il faut déterminer avec soin la bonne section des câbles. Trop fins, ils chauffent et les pertes par effet Joule sont inacceptables. T
rop gros (pour les forts courants) ils sont inutilement lourds et chers. La section se calcule en fonction de la chute en ligne :

S= r0 * L * I / V  

r : résistivité du cuivre = 0.021 ohms mm2/m (16 pour le cuivre le plus pur, 17 pour le recuit, 18 pour l'écroui, 21 pour le médiocre habituel).
L : longueur totale (aller+retour) en m
I : Courant en A et V la chute de tension.
Soit pour un fil de 10 m, un courant de 10 A et une chute de 1 V : S= 0.021* 10 * 10 /1 = 2.1 mm2
C'est une chute importante, il ne faudrait pas dépasser 0.85 V de perte par effet Joule, nous prendrons donc :

Section minimale de 2.5 mm2 pour 10 A et 10 m (soit 2*5m) avec perte de 0.85 V

Si vous avez un câble de récupération dont vous ne savez pas identifier la section, n'oubliez pas que sa section (surface) est égale au carré du rayon multiplié par Pi.
Donc si vous mesurerez au pied à coulisse un diamètre de cuivre d'environ 1.8 mm pour un fil plein (un peu plus pour du multibrins) vous avez un câble de 2.5 mm2.

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Coupe-batteries

Les catalogues offrent les choix entre de simples contacteurs à clef et de gros aiguillages circulaires commutant plusieurs batteries.
Éliminez sans aucun état d'âme ces gros gadgets qui sont sources de nombreux accidents. Ils sont souvent très mal construits, présentent des mauvais contacts et pertes en commutant de forts courants, les plots cuivre étant sous-dimensionnés. Le plus grave est qu'ils autorisent des positions intermédiaires mettant directement des batteries en parallèle. Ces matériels chauffent, les contacts s'oxydent puis charbonnent, le plastique finit par brûler. C'est un danger très réel.

Il y a sur le marché des commutateurs à clef très médiocres, sans marque d'équipementier connu.
Ils ont été achetés moins d'un demi-dollar (port compris) au constructeur chinois, qui fabrique suivant les contraintes de prix imposées et revendus 20 fois le prix d'achat au consommateur final occidental.
Il faut prendre un modèle à clef de qualité, pas forcément beaucoup plus cher qu'un bas de gamme, le prix ne dépend pas de la qualité mais du réseau de distribution. Avec un multiplots, il y a un risque accru d'avoir un très mauvais produit.

N'utilisez que les simples contacts à clefs à deux bornes ils sont de bien meilleure qualité et offrent toutes les possibilités pour un faible coût.
La marque d'un équipementier offre une certaine preuve de qualité.
 robinet

En secours vous pouvez utiliser la batterie servitude quand celle du moteur claquera, bien qu'elle soit de technologie totalement inadaptée, mais elle risque de se détruire. Il suffit de placer deux contacteurs proches avec une seule clef, fixée à une garcette, le commun sur le démarreur. Autre avantage de ce système, si vous fermez la vanne d'eau moteur, accrochez la clef à la vanne. Vous ne pourrez plus démarrer en oubliant que le refroidissement est fermé.

Pour économiser les coupe-batteries de secours, un par batterie servitude, qui risquent de ne jamais servir, un très gros câble à pinces suffit pour démarrer si la batterie moteur claque (un seul, les négatifs sont communs).

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Diodes : technologie et utilisation

Les diodes de puissance sont très utilisées à bord.
Une page annexe traite de ce matériel.

Annexe diodes de puissance
  Diodes
et les répartiteurs à diodes

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Convertisseurs de tension 12/24 V DC > 220 V AC

Le convertisseur est un dispositif destiné à fournir une alimentation en courant alternatif pouvant se substituer à celle du secteur, à partir de l’énergie d’une batterie en basse tension continue et permettant de brancher des équipements secteur classiques.
Une page annexe traite de ce matériel.

Convertisseur basse tension continue
  Convertisseur 12 V dc / 220 V ac
vers 220 V alternatif

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Bien raccorder plusieurs sources d’énergies douces

La question est souvent posée de raccorder plusieurs sources d’énergies douces, solaire ou éolien sur un régulateur à plusieurs entrées.
La première idée est qu’il ne faut pas le faire car ces entrées ne sont faites que de diodes branchées en cathode commune, la source la plus élevée en tension bloquera toutes les autres.
Si par exemple vous reliez deux panneaux solaires identiques, le mieux éclairé fournira toute l’énergie, l’autre peu, à cause de la chute du seuil de diode, mais il faut tempérer car en fournissant de l’énergie, la tension de la source s’écroule.
Pour la même raison, on ne monte pas non plus les panneaux en série, le moins éclairé bloquerait les autres.
Vérifiez sur votre installation avec une pince ampèremétrique (continue à effet Hall, pas à transfo).
Il y a deux solutions pour mélanger ses sources de tensions et puissances différentes avec un bon rendement :

° Soit utiliser un régulateur haut de gamme MMPT (Maximum Power Point Tracking), spécifiant clairement sur  sa notice technique que chaque entrée est indépendante, à pompe de charge séparée. Ces matériels existent sur le marché américain et acceptent des tensions différentes, de 12 à 48 V et plus, sur chaque entrée, la tension et la technologie des batteries étant programmables.
Ces excellents matériels à haut rendement sont chers mais offrent de nombreux avantages, ils permettent de voir les historiques des charges par entrées, sur leur écran incorporé et avec récupération USB sur PC.

° Soit utiliser des régulateurs peu chers (sur eBay, quelques dizaines d’Euros rendus), mais un différent pour chaque entrée. Cette solution marche aussi très bien.

Je ne suis pas un boutiquier, ne me demandez pas des marques et adresses, cherchez sur le Net…

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