Chapitre 1 Un chargeur pour téléphone et lampes "USB"

Lorsque le capteur n’est pas utilisé pour la cuisson ou bien lorsque l’ensoleillement n‘est pas suffisant, il est possible d’en profiter pour recharger les téléphones portables, ou bien les " lanternes USB ", ou bien les batteries externes de secours pour téléphones portables.
Deux méthodes sont disponibles :
1- une méthode classique, avec un régulateur de charge, une petite batterie acide-plomb de 12 Volts, puis un chargeur de téléphone portable " 12V " classique
2- une méthode plus légère, en utilisant uniquement un " Convertisseur de Courant Continu.

Le convertisseur de courant continu est un petit composant électronique, entièrement encapsulé, qui admet une tension d’alimentation en courant continu variable entre 8 et 50 Volts généralement, et qui produit une tension de 5 Volts identique à celle des chargeurs que l’on branche sur le réseau.

Ils sont disponibles sur le Net sous différentes dénominations : convertisseurs de puissance, abaisseur de tension, convertisseur buck, etc. Il existe de nombreux modèles, bien vérifier les caractéristiques. Les modèles " 48V-24V-12V vers 5 V " admettent généralement toutes les tensions comprises entre 48 et 8V

Une mini installation
Le convertisseur est à brancher en sortie de l'interrupteur à trois positions du pupitre de commande du cuiseur (position I vers le cuiseur; position 0 : nulle; position II: vers d'autres utilisations) en respectant bien les pôles + et - .

L’utilisateur aura toujours envie d’utiliser l’électricité fournie par le panneau " jusqu’à la dernière goutte ", mais le convertisseur nécessite tout de même un minimum de tension. Une bonne pratique consiste à disposer d’un petit voltmètre, électronique ou bien à aiguille, et de déterminer un seuil en dessous duquel il faut s’interdire d’utiliser le converstisseur, par exemple 8 V après branchement du convertisseur.
Le voltmètre et le convertisseur pourraient être installés sur une plaque de contreplaqué (avec un interrupteur-poussoir ?) sur laquelle prendraient place également les appareils à recharger.

Les batteries externes
Dénommées également batteries de secours, ce sont des composants sophistiqués qui en plus de la batterie proprement dite, comprennent un Battery Management System pour gérer la charge de la batterie, l’équilibrage des cellules, la décharge, etc. Il est donc préférable de se procurer une batterie externe de bonne qualité.
Par précaution (peut-être superfétatoire) Il est a priori préférable de charger un téléphone à partir de la batterie externe, plutôt que directement à partir du convertisseur DC DC, le courant délivré par la batterie étant peut être de meilleure qualité que celui du convertisseur. Et de plus, la batterie externe permet plus de liberté à l'utilisateur pour user comme il l'entend de l'énergie ainsi stockée.

Les lanternes "USB"
Elles possèdent une batterie lithium qui permet plusieurs heures d’éclairage, et se rechargent comme les téléphones.

Chapitre 2 Cuisson et thermique

Qu'est ce que la cuisson ?
Parmi les différentes définitions de la cuisson, on peut retenir ici pour ce qui nous concerne que la cuisson est le fait de soumettre les aliments à une certaine température de façon à les rendre plus facilement assimilables.
"Elle brise les molécules d’amidon en fragments plus digestes, Elle "dénature" les molécules de protéïnes de façon à briser leurs chaines d'acides aminés, et les enzymes digestives peuvent les attaquer plus facilement. Et la chaleur ramollit physiquement les aliments. Cela les rend plus faciles à digérer, et même si le contenu n'est pas plus calorique, le corps a besoin de moins de calories pour les assimiler."
Telle est la thèse du Dr Wrangham, exposée dans son ouvrage publié en 2009 "Catching Fire: How Cooking Made Us Human", et qui a fait l’objet d’un article dans The Economist (http://www.economist.com/node/13139619). " La cuisson et d'autres formes de préparation des aliments sont décisifs pour l'humanité: c'est l'élément fondamental de l'évolution qui soutend toutes les autres qui ont fait de l'humanité des animaux à part."

Les pertes thermiques et la baignoire qui fuit.
Au siècle dernier, lors des épreuves de feu le Certificat d’Etudes, les problèmes de robinets et de baignoire qui fuit étaient courants, du genre: on souhaite remplir une baignoire de 120 litres avec un robinet qui débite 10 litres à la minute; mais la baignoire a une fuite de 2 litres par minute; combien de temps faudra-t-il pour remplir la baignoire ?
Il est évident que plus la fuite est importante, plus il faudra de temps pour remplir la baignoire; plus le temps de remplissage est long, plus la quantité d’eau gaspillée sera importante. Si l’on ne s’intéresse qu’au temps de remplissage de la baignoire et que la fuite est importante, "il n’y a qu’à ouvrir plus fort le robinet;" si on s’intéresse à la consommation globale en eau, on veillera plutôt à diminuer la fuite. Pour la cuisson, en remplaçant l’eau de la baignoire par l’énergie thermique, il en est strictement de même; il y a toujours des pertes thermiques. Si elles sont importantes, par exemple si l'on fait bouillir une casserole d'eau sans mettre de couvercle, il faudra un temps plus long pour arriver à la température d'ébullition, et la quantité totale d’énergie thermique nécessaire sera très importante, une grande partie étant gaspillée en pure perte. Si le récipient de cuisson est isolé, les pertes sont nettement réduites.
Sur un plan thermique, on peut considérer que la cuisson est une guerre perdue d’avance, puisque tout (récipient, contenu…) finira par retrouver le niveau de température ambiante, mais c’est une guerre dont il faut gagner chaque bataille, puisqu’il faut parvenir au niveau de température souhaité pour cuire l'aliment.

Cuisson et niveaux de température.
Toutes choses égales par ailleurs, le bon achèvement de la cuisson dépend du niveau de température et de la durée de la cuisson. Ainsi le temps de cuisson de pommes de terre dans l’eau à 100° C est plus long que dans l’huile à 170°; ou bien: le temps de cuisson du jambon pendant une nuit à 60°C est plus long que pour un steack sur barbecue. En première approche, on peut distinguer trois niveaux de température:
- la cuisson à l’eau à 100° C,
- la cuisson à bain d’huile, à 170°C
- la grillade, à une température plus élevée.
Du fait de la technologie des résistances céramiques, les deux derniers modes de cuisson ne sont pas accessibles au cuiseur présenté ici; on ne s’intéressera pas non plus aux cuissons à basse température, pour ne retenir que la cuisson à 100°. Le chiffre-repère de 100° C est fourni par la physique; lorsque la température de l’eau atteint 100°C, et si l’on continue à lui fournir de l’énergie thermique, alors l’eau se transforme en vapeur qui s’échappe dans l’environnement, mais sa température ne dépassera pas 100°C même si elle bout à gros bouillons. Une fois que l’eau a atteint son point de vaporisation, il est donc inutile de continuer à la chauffer: l’apport d’énergie doit seulement compenser les pertes (bien sûr, si la baignoire fuit beaucoup…).
Le chiffre-repère de 100°C est valable aussi bien pour les cuissons à bain d’eau (pommes de terre ou autres) que pour les braisages, que l’on définit ici comme une cuisson sans apport de liquide, les aliments cuisant dans l’eau qu’ils contiennent. Cuisson à bain d’eau ou braisage, du point de vue de la physique il n’y a pas de différence.
Toutefois le chiffre-repère de 100° C est à moduler. La vaporisation de l’eau à 100° est valable lorsque l’eau est à pression atmosphérique, laquelle est d’environ 1 bar (1013 millibar) au niveau de la mer, soit environ 1 kg par cm² . C’est le poids de la colonne d’air qui est au dessus de nos têtes. La physique nous apprend que si l’eau est soumise à une pression plus élevée, par exemple si elle est enfermée dans une enceinte telle qu’un auto-cuiseur, alors elle ne se transforme en vapeur qu’à une température plus élevée. Ainsi sur les auto-cuiseurs usuels, la pression est réglée par la soupape à 0,5 bar au dessus de la pression atmosphérique, correspondant à une température de 110°C; sur les auto-cuiseurs Lagostina, la pression est réglée à 1 bar, d’où une température de 120°C. Qui dit température plus élevée dit cuisson plus rapide, comme évoqué plus haut. Et les modes d’emploi précisent bien de diminuer la chauffe pour ne conserver qu’un "chuchotement" de la soupape: il est inutile de la faire siffler.

La physique nous apprend aussi que si l’eau est soumise à une pression moins élevée que 1 bar, elle se vaporise à une température moins élevée. C’est ce qui se passe quand on monte en altitude: la colonne d’air est moins haute, la pression plus faible, et l’eau ne dépassera jamais une certaine température. La pression atmosphérique varie aussi en fonction de la météorologie, mais ces petites variations sont complètement hors de notre propos.

La marmite norvégienne.
Toutes ces notions d’isolation, de température et de temps de cuisson nous amènent bien sûr vers la marmite norvégienne, présentée ainsi par Wikipedia: "On appelle marmite norvégienne (ou cuisinière sans feu, cuisinière à isolation, wonder oven ou appareil d'auto-cuisson) un procédé de fin de cuisson des aliments consistant à les placer dans un récipient lui-même contenu dans un réceptacle isolant: après avoir été chauffés de façon traditionnelle mais moins longtemps que le temps de cuisson habituel, les aliments peuvent y finir de cuire de façon autonome, sans nouvelle dépense d'énergie. Contrairement à ce que le nom indique, il ne s'agit pas forcément d'une marmite et il n'est pas sûr qu'elle soit d'origine norvégienne." Le cuiseur solaire photovoltaique proposé dans la présente documentation est une marmite norvégienne. Une fois les aliments parvenus à température, il n’est que de supprimer l’alimentation électrique. Voir par exemple la cuisson du Dahl de lentilles corail, dans la présentation du cuiseur: une fois atteinte la température de 100°, et après avoir supprimé l’alimentation électrique, la cuisson s’est poursuivie en marmite Norvégienne, la température étant encore de 90°C près une demi-heure.
En raccordant deux cuiseurs sur un seul panneau solaire, et en les faisant travailler alternativement, le rendement global de l'installation s'en trouve nettement augmenté.

Montée en température et maintient en température.
Il faut bien distinguer les deux phases de cuisson, d’une part la montée en température, et d’autre part le maintient en température.
Pour la première phase, la plus gourmande en énergie thermique, le cuiseur se place en queue de peloton au regard des autres modes de cuisson, compte tenu de sa faible puissance: 200 W disponibles sous 800 W/m² d’ensoleillement avec un panneau de 350 W/m2, alors que l’on dispose usuellement de puissances de l’ordre de 1000W ou plus en gaz, électricité ou bois. Même avec des pertes de 40 ou 50% pour les modes usuels de cuisson, le jeu est inégal. Mais ensuite pour ce qui est du maintient en température, compte tenu de l’isolation, le cuiseur repasse largement en tête du peloton, notamment en cas de cuisson en marmite norvégienne.

Cuisson à l'eau et braisage
Par cuisson à l’eau, on entend ici la cuisson d’aliments immergés dans un volume d’eau. Par braisage, on entend ici la cuisson d’aliments sans apport de liquide, l’eau contenue dans l es aliments étant suffisante pour assurer une cuisson sans que "ça attache" au fond du récipient. La physique nous enseigne que à part quelques exceptions tout à fait marginales, l’eau est le corps qui nécessite le plus d’énergie thermique par unité de poids, . Autrement dit, il n’y a rien de plus difficile à chauffer que l’eau.
Lorsqu’il est question de cuisson à l’eau, il faut chauffer l’eau, et chauffer les aliments, par exemple des tubercules. Le cuiseur n’est pas bien placé pour ce genre d’opération; ou alors il faut conserver l’eau de cuisson pour plusieurs cuissons successives. Dans le cas du braisage, le cuiseur est beaucoup plus à l’aise, même si les aliments contiennent souvent 80% d’eau ou plus; au moins c’est du liquide qui fait partie de la cuisson, qui n’est pas jeté en fin d’opération.

Au sujet du coût du cuiseur;
• Les résistances chauffantes électriques usuelles nécessitent un courant correctement régulé. Le courant délivré par les panneaux photovoltaiques étant éminemment variable, il est nécessaire de le stocker dans des batteries, avec un régulateur en entrée et un onduleur en sortie.
• Les résistances céramiques admettent de larges variations de courant. Le cuiseur proposé ici n’a donc pas besoin de régulateur, ni de batterie, ni d’onduleur. Il est composé uniquement es résistances céramiques (dont le prix est dérisoire) et d’interrupteurs . Les lois de l’électricité sont scrupuleusement respectées, mais compte tenu de l'auto-régulation des .résistances céramiques, il n'y aura jamais de burn-out. En corollaire, en cas d’absence de soleil, le cuiseur ne fonctionne pas, et il faut se retourner vers les anciens dispositifs de cuisson.
Le coût du cuiseur proposé ici est donc intrinsèquement moins élevé que celui de n’importe quel autre cuiseur photovoltaique; au vu des lois de la physique et dans l'état actuel des techniques, il est impossible de faire plus minimaliste: panneau solaire, interrupteurs et céramiques.

Au sujet du prix
Quant au prix dans le cadre d’une production à l’unité ou en petite série, c’est hors du champ de compétences de l’équipe de "cuisson-solaire-photovoltaique.org" qui limite son activité à la mise au point du cuiseur et à la mise à disposition des instructions de fabrication dans un cadre artisanal au plus près des utilisateurs..

Chapitre 3 Au sujet des capteurs photovoltaiques

Le guide EnR Photovoltaique est une source majeure d’informations. On ne fournit ici que quelques rappels utiles.

Quelques caractéristiques principales

Pour un panneau, on peut distinguer deux groupes de caractéristiques, qui ont tous deux leur intérêt :les caratéristiques STC Standart Test Condition, relevées sous un ensoleillement de 1000 W au m², qui est en pratique l’ensoleillement maximum possible, et les caractéristiques NOCT Normal Operating Cell Temperature, relevées entre autres sous un ensoleillement de 800 W au m², donc plus proches des conditions de terrain .
Par "un bon ensoleillement", la réalité se situera entre les deux. Les caractéristiques STC sont plus flatteuses que les caractéristiques NOCT ; sur les documentations commerciales, les revendeurs mettent en avant les caractéristiques STC.
On fournit ici, à titre indicatif, des valeurs relatives à un panneau de 1,65 * 0,99 m, de qualité moyenne, qui fait figure de panneau-repère pour notre propos de cuiseur solaire.

Caractéristiques STC, sous 1000 W pour notre panneau-repère:
- Puissance nominale, au point de puissance maximale Pmpp = 280 W
- Tension en circuit ouvert : Lorsque le panneau est exposé au soleil mais que l’on ne prélève pas d’énergie, on peut mesure une tension entre les deux bornes du panneau, dite tension de circuit ouvert Uco = 39,9 V. Remarquer que, même par temps très nuageux, il existe une tension en circuit ouvert, de l’ordre de 34 V, - mais il n’y a aucune Intensité, donc aucune puissance.
- Courant de court circuit : en branchant cette fois un ampèremètre (de calibre convenable!) entre les deux bornes du panneau, on crée un court-circuit, et l’ampèremètre mesure l’Intensité du courant qui le traverse : Icc = 9,35 A
- Tension au Point de Puissance Maximale, lorsque l’on prélève de l’énergie : Umpp = 31,1 V
- Courant au Point de Puissance Maximale: Impp = 9A
La puissance crête est donc bien :31.1 V * 9A = 280 Watt
Si l’on souhaite des chiffres arrondis (à la hausse), faciles à mémoriser, résumant les caractéristiques de notre panneau-repère telles que présentées par les revendeurs, on peut retenir : 300 W Max/ 10 Ampères Max/ 40 Volt Max;

Caractéristiques NOCT, sous 800 W,pour notre panneau-repère :
Puissancenominale Pmpp = 207 W
Tension en circuit ouvert Uco = 36,4 V
Courant de court circuit Icc = 7,57A
Tension au Point de Puissance Maximale Umpp = 28,4
Courant au Point de Puissance Maximale Impp = 7,29 A
Les caractéristiques électriques d’un panneau photo-voltaïque sont bien définies par le réseau de courbes Intensité/Tensions, voir 3ème partie Présentations théoriques. Les revendeurs de panneaux rechignent à fournir ces courbes, celles qui sont publiées sont très souvent fausses (ce sont parfois les mêmes courbes pour tous les panneaux d’un même revendeur…) .

Quelques spécificités des panneaux photovoltaiques

la production d’un panneau photovoltaïque dépend de l’ensoleillement ET de la charge qu’on lui applique
Lorsque l’on est habitué à l’utilisation de l’électricité en réseau, il est sous entendu que le réseau fournit l'électricité demandée, en qualité et en quantité.. Dans le cas de l’électricité photovoltaïque, la production optimale du panneau varie selon que la charge est plus ou moins bien adaptée à ses capacités du moment. C’est la régulation du cuiseur qui est chargée de réaliser cette adéquation, en mettant en œuvre le nombre de céramiques permettant à un moment donné, d’optimiser la production du panneau.
Les résistances céramiques sont des objets très rustiques, ne nécessitant pas une régulation très fine ; en particulier, elles auto-limitent leur température à 220° C environ ce qui écarte tout risque de burn-out.

Durée de vie des panneaux
Les garanties sont de 10 et 25 ans pour les panneaux (voir plus de détails dans le guideEnR). Cette durée de vie, à priori élevée, s’explique : les panneaux sont utilisés pour des centrales photovoltaïques, construites sur la base d’emprunts bancaires. Il est donc hautement souhaitable que la durée de vie des panneaux soit supérieure à la durée des emprunts… La qualité des panneaux peut donc être vue comme une exigence des banques (merci!).

Rendement des panneaux
Pour ce qui est de notre propos, c’est un aspect complètement mineur : peu importe à quelques pour cent près le rendement énergie/ensoleillement, ce qui compte avant tout ici, c’est le prix du panneau. Mais bien sûr c’est grâce aux progrès constants de la recherche et de l’industrie que désormais les panneaux photovoltaïque sont abordables pour effectuer de la cuisson solaire.

Tenue mécanique des panneaux
Les panneaux sont entourés par un profilé métallique, qui est suffisant pour assurer sa tenue pendant le transport, pour quelques petites manutention effectuées avec soin, et pour le déposer ensuite sur un support. Mais le panneau, recouvert d’une plaque de verre, ne supporte pas d’être voilé (c’est à dire : ne pas être parfaitement plan). Pour notre usage, un panneau ne doit jamais être fixé directement à partir de son cadre, il doit reposer sur un support sur toute la longueur des ses quatre côtés. Le support doit donc être résistant au voilage, et si c’est un support orientable, il doit ne reposer que sur trois points, par exemple : sur un axe, et sur une béquille réglable afin de toujours définir un plan. Quatre points, ou bien une ligne et deux béquilles de réglage, ne définissent jamais un plan parfait, la plaque de verre de protection du panneau, dont la souplesse est limitée, fendra inévitablement selon une diagonale.

Panneau orientable ou panneau fixe ?
La question a déjà été abordée en préliminaire de la 5ème partie.Un capteur photovoltaique orientable permet de multiplier le rendement thermique et financier du couple capteur-cuiseur.

Le choix de l'emplacement du panneau
C’est une décision stratégique, avec une très forte composante psychologique : avec les énergies traditionnelles, l’utilisateur fait du feu où il veut, quand il veut, et comme il veut. Ici, le maître, c’est le soleil.
Une solution assez sage consiste à ne pas se précipiter à prendre d’emblée une décision définitive. C’est après quelques semaines ou quelques mois ou une saison que l’on peut dessiner un compromis ; d’ici là, une installation foraine avec un support amovible et orientable permet de tester différents cas de figure. Et si l'utilisateur n'est pas satisfait, l'installation peut émigrer sous d'autres cieux.

Au sujet du prix des panneaux
Un panneau de 280 W crête comme celui utilisé pour les exemples de cuisson ou d'essais de performances coûtait 100 € en 2019; depuis, les standards ont évolué vers plus de puissance; fin 2023 en Namibie, on pouvait se procurer un panneau 550 W crête pour 140 €. Ces montants sont à mettre au regard du coût des bouteilles de gaz à acheter pendant 10 ans pour effectuer le même travail : à chacun de faire ses calculs.
Ci dessous : le prix des panneaux solaires photovoltaiques, publié par Our World in Data

Chapitre 4 Au sujet des batteries

• A) Batteries Gel, Introduction
• B) Batteries Gel, documents de référence
• C) Batteries Lithium, Introduction
• D) Batteries Lithium, quelques documents
• E) Contrôleur de charge et protecteur de batterie
• F) Batteries et dangerosité

A) Batteries Gel, Introduction

Il n’est question ici que de batteries telles qu’on peut les trouver usuellement dans les installations solaires ; les batteries gel sont des batteries au plomb ; elles diffèrent des anciennes batteries acide-plomb en ce que l’acide est enfermé dans un gel, et de ce fait elles sont dites étanches, et sans entretient. On présente ici quelques notions de base, mais l’essentiel des informations est à collecter par exemple dans les documents référencés au § B.

Stockage d’électricité et réaction chimique.
Une batterie ne stocke pas d’électricité, elle stocke de l’énergie chimique. Lors de la charge, l’électricité provoque une réaction chimique entre les différents matériaux contenus dans la batterie, et lors de la décharge il se produit une réaction inverse. Il s’ensuit de nombreuses conséquences.
- la réaction chimique a certaines exigences , il lui faut notamment du temps pour que les éléments chimiques se combinent correctement entre eux. Une réaction chimique qui s’effectue trop rapidement ou dans de mauvaises conditions entraîne un vieillissement prématuré des matériaux.
- la réaction chimique produit de la chaleur, tant à la charge qu’à la décharge. Or cette énergie thermique ne peut que provenir de l’énergie contenue dans la batterie ; il en résulte une perte d'énergie, une perte de rendement d’autant plus élevées que la charge ou la décharge sont puissantes ; il en résulte aussi un vieillissement prématuré de la batterie, voire même à l’extrême destruction et incendie.

Le coefficienr C et la loi de Peukert
La capacité disponible d’une batterie dépend de la quantité d’énergie qu’elle contient, mais elle dépend aussi de la rapidité de la décharge : plus la décharge est rapide, plus la quantité totale d’énergie disponible pour l’utilisateur diminue. Sans chercher à donner les multiples raisons de ce phénomène, on peut l’imager ainsi : soient trois véhicules automobiles identiques possédant chacun 10 litres d’essence ; si l’un circule à 60 kmh, il parcourra plus de distance que celui qui roule à 110 kmh, qui parcourra plus de distance que celui qui circule à 140 kmh. Et tout conducteur d’un véhicule électrique sait pertinemment que s’il roule très vite, sa batterie lui permettra d’aller moins loin que s’il roule moins vite. Lorsqu’on lit sur l’étiquette d’une batterie " 100 Ah ", cela signifie que cette quantité d’électricité de 100 Ah sera disponible sous réserve qu’elle soit prélevée régulièrement sur une durée de 20 heures , au rythme de 100/20 = 5 Ah. Cette valeur de 20 heures, dite C20 est une convention entre fabricants sans laquelle toute indication de capacité serait fantaisiste. La valeur C20 est valable pour la plupart des batteries gel ; il existe aussi des batteries estampillées C10. La valeur du coefficient C fait partie des spécificités d’une batterie, et figure en principe sur l’étiquette.
Noter que le coefficient C des batteries lithium est 1. Le C1 des batteries au lithium est un grand avantage au regard du C20 des batteries gel.

Soit une batterie gel de 100 Ah C20 que l’on décharge totalement.

Si l’on souhaite disposer de 100 Ah non pas en 20 heures mais en 1 heure, il faudra majorer la capacité de la batterie par un coefficient 100/65 = 1,54. Chaque constructeur indique les performances de ses batteries, mais d’une batterie gel à une autre, il ne semble pas y avoir de différences majeures.

Durée de vie d’une batterie
La durée de vie dépend de très nombreuses variables, entre autres
-nombre de cycle et profondeur de décharge à chaque cycle ; par exemple :
500 cycles à décharge 80 %
750 cycles à décharge 50 %
1 800 cycles à décharge 30 %
- température ambiante, par exemple
température 20° C: 12 années de vie prévisibles
température 30° C : 6 années
température 40° C : 3 années
- les décharges profondes à répétition peuvent achever une batterie en quelques mois.
C’est là un point extrêmement délicat. Qu’est-ce qu’une décharge profonde ? Quel est le risque d’une décharge profonde en cas d’utilisation de la batterie sans les précautions adéquates ? Comment l'utilisateur peut-il être prévenu qu'il s'approche d'une décharge profonde ? Il est préférable de consulter la documentation fournisseurs.

Etat de charge d’une batterie
En première approche, l’état de charge d’une batterie est connu en mesurant la tension à ses bornes. Voici un tableau à partir des indications de deux fabricants différents. Les valeurs varient quelque peu, mais il y accord sur la valeur de la tension à l’état de charge 50 %

Calcul " sur un coin de table " :
dimensionnement d’une batterie pour un cuiseur électrique de 300 Watt.
On souhaite effectuer une cuisson d’une durée de 1 heure avec un réchaud électrique de 300 Watt fonctionnant sous 24 Volt.
- Ampérage requis sous une tension de 24 Volt :
P (puissance, en Watt) = U (tension, ou voltage, en Volt) x I (Intensité, ou Courant, ou Amperage, en Ampere)
P = UI ; donc I = P/U = 300/24 = 12,5 A
Consommation : on suppose que le cuiseur fonctionne pendant une heure ; la batterie doit être capable de fournir 12,5 A pendant une heure, soit 12,5 Ah, sous 24 Volt; Incidence du coefficient C (loi de Peukert): on applique un taux de majoration de 1,54 (difficilement négociable)
12,5 Ah x 1,54 = 19,25 Ah
- Incidence du taux de décharge: afin de ménager la durée de vie de la batterie, on souhaite ne pas dépasser une profondeur de décharge de 50 % (quelque peu discutable); il convient donc de doubler la capacité de la batterie; 19,25 Ah x 2 = 38,5 Ah sous 24 Volt.
Conclusion : il faut disposer de deux batteries de 12 Volt /40 Ah accouplées en série.

NB Une fois la cuisson achevée, il faut recharger la batterie, alors que, le soleil permettant, un cuiseur avec résistances PTC pourra continuer à travailler, pour peu que le panneau photovoltaique soit orientable. Et, cerise sur le gateau, un cuiseur à résistances PTC peut parfaitement fonctionner avec une batterie, et ensuite sans batterie. Ou l’inverse, bien sûr.

B) Batteries Gel, quelques documents de référence

Voici un premier document généraliste et très abordable, publié par batterie-solaire.com.

Un autre document généraliste est disponible auprès de batteryuniversity.com

Voici ensuite trois documents de référence concernant les batteries gel
a) un document émanant du guidenr.fr qui consacre une partie aux batteries acide-plomb.

b) Un document émanant du constructeur Power Sonic

D'autres documents sont disponibles à l'adresse https://www.power-sonic.com/resource-center/

c) Un document émanant d'un installateur Victron Energy

A l’adresse https://www.victronenergy.com/support-and-downloads/technical-information on a accès à une mine d’informations de première qualité.

On ne résiste pas à l’envie de citer l’auteur de " Energie sans limites ", dans son introduction, page 10 :
" J'aime les moteurs, et surtout les moteurs d’autrefois, sans fioritures électroniques. S'ils ne marchent pas correctement, on peut regarder, écouter, sentir et les démonter s'il le faut. Les pièces peuvent être remplacées, réparées ou révisées. Puis on assemble le tout, et ça marche à nouveau ! Avec une batterie, c'est impossible. La batterie est un produit mystérieux. De l'extérieur, on ne peut rien savoir sur la qualité, le vieillissement éventuel ou l'état de charge. Il n'est même pas possible de la démonter pour évaluer le vieillissement interne. Ouvrir en la sciant serait possible, mais la batterie serait alors définitivement inutilisable ; seulement des spécialistes peuvent en analyser le contenu pour éventuellement connaître la cause du problème. Si une batterie ne marche plus correctement, elle doit être remplacée. La réparer est impossible. "

C) Batteries au Lithium, Introduction

Concernant les batteries au lithium, on ne dispose pas d’informations aussi complètes et aussi bien établies que pour les batteries classiques . Peut-être est-ce parce que le domaine est nouveau, et qu’il y a une diversité de batteries au lithium ? L’introduction présente quelques notions de base, mais l’essentiel des informations est à collecter par exemple dans les documents référencés au § D).

Les batteries au lithium sont plus denses énergétiquement que les batteries plomb ,
mais cet aspect ne concerne pas directement la cuisson solaire.

Le coefficient C (loi de Peukert) est de 1 ,
ce qui est un avantage certain. Une batterie lithium de 100 Ah délivrera effectivement 100 A en une heure. Comme pour les batteries gel, une décharge plus rapide aura des effets sur la quantité d’énergie disponible, mais dans notre cas de figure cela ne nous concerne pas.

Le Battery Manager System Dans la gamme de puissance qui nous intéresse, les batteries au lithium sont équipées d’un Battery Manager System plus ou moins sophistiqué, qui contrôle en permanence l’état de charge ou de décharge de la batterie, et tous les éléments nécessaires à sa bonne conduite. Entre autres, le BMS interrompt la décharge avant un seuil de tension critique pour la batterie (de l’ordre de 2,7 à 3 Volt par élément). Voir par exemple la présentation du système de gestion des batteries (BMS) de Victron Energy .
En cas de panne, le BMS peut être remplacé.
Noter que même les petites batteries au lithium dites " batterie de secours pour téléphones " sont équipées d’un BMS : la conduite des batteries au lithium est trop délicate pour qu’elle soit entièrement confiée à l’utilisateur.

On retiendra que les batteries au lithium sont des dispositifs sophistiqués, tant du point de vue hardware que du point de vue électronique.

D) Batteries au Lithium, quelques documents de référence

a) Publications de l’entreprise SAFT Un document concernant la sécurité de stockage
et aussi: https://www.saft.com/energizing-iot/lithium-ion-batteries-use-5-more-tips-longer-lifespan

b) L’entreprise Tycorun
met à disposition plusieurs centaines d’articles concernant les batteries au lithium , par exemple: https://www.takomabattery.com/discharge-current/

c) Power Sonic
publie plusieurs documents: sur les batteries au lithium , entre autres
https://www.power-sonic.com/wp-content/uploads/2019/04/Lithium-Vs-lead-acid.pdf

E) Contrôleur de charge et protecteur de batterie

Les contrôleurs de charge
Dans le cas d’une alimentation de la batterie par des panneaux photovoltaiques, le contrôleur de charge doit tenir compte de l’état de charge de la batterie, mais il lui revient aussi d’optimiser le flux solaire. Deux méthodes sont possibles pour cette optimisation : MPPT ou PWM ; sur le choix d’une des deux , voir l’article PWM ou MPPT ?
Ce sont des dispositifs électroniques de puissance : l’ensemble du flux provenant du panneau est manipulé pour être adapté au besoin du moment. Voir par exemple : les contrôleurs de charge Victron https://www.victronenergy.fr/solar-charge-controllers .

Dans les petites puissances égales ou inférieures à 20 A, le contrôleur de charge contrôle aussi la décharge, il peut même la déconnecter si jamais la charge de la batterie est trop faible.

Les protecteurs de batterie
Pour les puissances supérieures à 20 A, la décharge peut (mais rien n’indique que ce soit obligatoire…) être contrôlée par un protecteur de batterie. Le propos est d’éviter entre autres les décharges profondes, source de vieillissement prématuré des batteries. Il existe plusieurs sortes de protecteurs, plus ou moins sophistiqués, avec des écrans d’affichage, des systèmes blue tooth de transmission d’information et d’alarme, etc.… Dans le cas de batteries au lithium, les protecteurs de batterie agissent en plus du système BMS interne à la batterie.

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En conclusion, que penser de cette annonce commerciale sur un des plus importants sites de e-commerce international ?

F) Batteries et dangerosité

" La dangerosité d’un récipient dépend
- premièrement de la quantité d’énergie potentielle qu’il contient , que ce soit du gaz, de la vapeur, de l’électricité sous forme d’énergie chimique, ou des cartouches de dynamite emballées dans du papier.
- deuxièmement de la rapidité avec laquelle cette énergie se libère; un fut de gaz oil n'aura pas le même effet qu'un bidon d'essence ni qu'une cartouche de dynamite.
Dans le cas d’une batterie, la libération brusque d’énergie peut provenir d’un court-circuit provoqué par exemple par un outil métallique qui malencontreusement tombe et reste sur les deux pôles de la batterie : l’outil s’échauffe, la batterie aussi, avec risque d’incendie et d’explosion. Une personne à proximité risque d’être brûlée ou blessée par l’explosion, ou par sa chute suite à un mouvement réflexe de recul, mais ses blessures ne seront pas provoquées par l’électricité, il n’y a pas électrocution.
Noter que le courant continu sous 48 Volt maximum est en dessous du seuil de dangerosité, voir 4ème partie de la documentation.

Les batteries au lithium sont sensibles à la température ambiante (cf les documents ci dessus), et elles s’échauffent lors de la charge et surtout lors d’une décharge rapide ; les risques d’incendie sont loin d’être négligeables, d’où la nécessité du Battery Manager System qui, entre autres, contrôle en permanence la température de la batterie et peut interrompre la décharge si besoin.

Même les batteries de 3,5 V des nos téléphones portables sont source potentielle de danger ; il y est bien inscrit entre autres de ne pas les percer : l’outil utilisé pour percer la batterie provoquerait un court circuit entre les différents éléments, donc une libération brusque d’énergie, avec risque de brûlures pour la personne – mais il ne s’agirait pas d’une électrocution.