Avion solaire, crédible ou pas ?

 

Au premier abord, l’article m’a paru donner un ton un peu trop optimiste. Dans ce contexte, il est même possible de vérifier les données quantitatives évoquées par l’article du journal.

Notre sujet d’étude aujourd’hui est un avion monoplan à hélice, dont le moteur électrique a une puissance de 18 CV. Ce moteur est alimenté par énergie solaire au moyen de 20 m² de panneaux photovoltaïques. De plus, l’avion pourrait atteindre les 24 km d’altitude.

  • Je cite : « »En dehors des engins spatiaux, aucun avion habité (à l’exception en 1977 du pilote russe Alexandre Fedotov qui a atteint 37.650 m à bord d’un prototype du Mig 25), n’a atteint une telle altitude d’où l’on voit à la fois la courbure de la Terre ainsi que les étoiles en plein jour », a expliqué Raphaël Domjan.»

En fait, il s’agit d’un record d’altitude pour tout avion de type classique, c’est-à-dire un avion à hélice… Pas pour tout type d’avion. Voir ici :  http://fr.wikipedia.org/wiki/Record_d%27altitude#Records_en_avion  De telles altitudes ne sont pas un problème pour les avions à réaction (surtout quand ils transportent eux-mêmes un comburant pressurisé comme l’oxygène liquide), par exemple. Quand un avion à réaction consomme l’air ambiant pour brûler son kérosène, le vol en haute altitude devient difficile car l’air devient raréfié. Transporter de l’air (ou oxygène) liquide résout le problème. Mais pour des avions à hélice, c’est encore plus difficile de voler en haute altitude que les avions à réaction… Alors un avion à hélice, et électrique, c’est plutôt ambitieux comme programme.

Ensuite, ma deuxième remarque concerne les données quantitatives présentées dans l’article. Quelle puissance électrique peut-on obtenir avec 20 m² de panneaux solaires ? Par journée ensoleillée (mais certainement pas la nuit où le compteur reste à zéro), le rayonnement solaire incident peut atteindre 342 W/m² environ (voir page 5 de ce document : http://gsite.univ-provence.fr/gsite/Local/geographie/dir/user-232/L3%20-%20GEOF02%20changements%20climatiques%20contemporains/Cours1_F02_L3.pdf ), et avec un rendement électrique réaliste de l’ordre de 10 à 20% ( http://www.enerzine.com/1/12172+rendement—des-panneaux-solaires-de-20-pct-sur-le-marche+.html ), on peut obtenir une puissance électrique de 684 à 1368 W pour 20 m² de panneaux photovoltaïques. Si toute l’énergie solaire était convertie en électricité, nous obtiendrions une puissance de 6840 W, c’est-à-dire 6,84 kW (mais dans les faits la puissance obtenue est environ 5 à 10 fois plus faible).

C’est quoi un cheval-vapeur ? Voir ici :  http://fr.wikipedia.org/wiki/Cheval-vapeur C’est une unité de puissance énergétique. Un cheval-vapeur (1 ch) équivaut à 735,5 W. Ainsi, une automobile ayant une puissance de 90 ch aura une puissance motrice d’environ 66 kW. Voir ici : http://automobilio.info/fr/Peugeot/307/307/2.0-HDI-90-AG/4061  En vérifiant, on voit que cela colle : 735,5 W/ch × 90 ch = 66195 W, soit 66,2 kW. Mais attention, il y a aussi les chevaux fiscaux (notés CV, comme ceux indiqués dans les cartes grises en France). La puissance fiscale est proportionnelle à la puissance 1,6 de la puissance en chevaux-vapeur, et à cela il faut y ajouter un paramètre proportionnel aux émissions en dioxyde de carbone. Voir ici :  http://fr.wikipedia.org/wiki/Cheval_fiscal et voir aussi ici : http://www.largus.fr/faq/index.cfm?action=3&idTexte=67&IdRub=26

Vérification via ce site officiel : http://www.carte-grise.org/methode_calcul_puissance_fiscale.htm Mon véhicule a une puissance administrative égale à 5. Or si je me base sur une émission de 125 g de CO2 par km, je constate que mon moteur aurait une puissance de 65 à 66 kW. C’est cohérent.

C’est cohérent aussi d’après ce site http://www.guide-carte-grise.info/info-pratique/calculer-puissance-fiscale.php#calculette quand je vérifie la puissance administrative (qui vaut 5) avec pour données : 90 g/km de CO2 et 90 ch de puissance.

 

Y a t-il corrélation et cohérence entre la puissance de 18 CV prétendue (qui est plutôt ch) et la puissance électrique délivrée par le moteur alimenté en énergie solaire ?

Concrètement, 18 ch est équivalent à 13,24 kW si on parle en terme de cheval-vapeur comme unité de puissance. Et 179,14 kW (ou 243,6 kW selon un autre calcul) en terme de cheval fiscal comme unité appliquée en France dès 1998. Ces deux valeurs excèdent elles-mêmes largement la puissance fournie par les 20 mètres carrés de panneaux photovoltaïques (684 à 1368 W, soit 0,68 à 1,37 kW)… Pourquoi cela ne colle t-il quantitativement pas ? Je ne comprends pas. Si l’avion est équipé en batteries électriques, elles se déchargeraient près de 10 fois plus vite qu’elles ne se rechargent, et la panne serait alors assurée. Le projet est ambitieux… et plutôt risqué…

Qu’en pense le Dr Goulu ? Aurais-je oublié un détail dans les calculs ? D’où provient l’incohérence ? Je garde ce présent article de côté dans le cas où des renseignements nouveaux se présenteront pour compléter mon article. Je suis actuellement dans une perspective professionnelle qui va bouffer de plus en plus mon temps disponible. D’ici un mois je serai un blogueur beaucoup moins actif, je n’aurai plus de temps à m’y concentrer (et puis je ne veux pas prendre le risque d’écrire des erreurs aussi quand je rédige à la hâte). On ne fait bien son boulot qu’en ne faisant qu’une chose à la fois, et parfois on n’a plus beaucoup de temps pour tout faire.

 

Argument additionnel le 25/03/2014 :

En considérant comme vrai ce qui est raconté dans l’article suivant : http://www.tpepanneauxsolaires.fr/rentabilite.html alors je procède à la remarque ci-dessous.

Je cite : «En France, 1 m² de panneaux photovoltaïques correctement orientés produit en moyenne 100 kWh (kilowatts-heure) par an.»

Ainsi, pour 20 m² de panneaux photovoltaïques bien orientés sous une région géographique tempérée, l’énergie annuelle atteint donc 2000 kWh/an × 3 600 000 J/kWh = 7,2 GJ. Cette énergie rapportée sur une année complète (365 jours × 86400 secondes) correspondra alors à une puissance électrique moyenne de 228,3 W pour 20 m² de panneaux solaires, c’est-à-dire seulement 11,4 W/m² en moyenne sur un intervalle de temps de 365 jours, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. En extrapolant à un avion solaire à hélice, 228,3 W est une puissance faible, elle équivaut à 0,31 ch.

Et sachant que si l’avion n’est utilisé uniquement que par des temps ensoleillés (1750 à 2000 heures d’ensoleillement en France, contre un total annuel de 8766 heures équivalentes à un an), alors la puissance atteindrait entre 1000 W et 1143 W en moyenne, soit entre 1,36 ch et 1,55 ch.

Mais pas 18 ch…

Autre argument : d’après un site d’aéromodélisme (http://aerodaniel.canalblog.com/archives/2010/05/12/17873990.html), la puissance du moteur électrique serait proportionnelle au poids de l’avion.

Ainsi la puissance du moteur devra être entre 100 et 200 W par kg de charge. Si cette règle reste valable pour de vrais avions (et non seulement pour des modèles réduits), alors sachant que l’avion solaire a une masse de 350 kg, il lui faudra un moteur électrique de 35 à 70 kW, soit  environ 47 à 95 ch, c’est-à-dire bien plus que les 18 ch évoqués… De plus, mon argument précédent indique que 20 m² de panneaux photovoltaïques produisent 1,55 ch au maximum aux latitudes tempérées et uniquement par temps ensoleillé.

Argument additionnel :

Je cite cette phrase intéressante : «Répartie sur 24 heures, l’énergie du soleil ne fournit qu’une moyenne de 250 W/m2. Avec 200 m² de cellules photovoltaïques et 12 % de rendement total de la chaîne de propulsion, la puissance moyenne sur 24 heures fournie par les moteurs de l’avion atteint 8 CV ch ou 6 kW.» d’après cette page  http://solar.impulse.free.fr/wordpress/?page_id=28

Donc avec 20 m² de panneaux selon un rendement de 12%, la puissance moyenne sur 24 heures atteint 0,8 ch ou 600 W. Ce qui est proche des 684 W que j’avais trouvés par calcul ci-haut. Sachant que 600 W pour 20 m² ça équivaut à 30 W/m², ce qui est peu, à cause du faible rendement.

À moins qu’il y ait plusieurs moteurs électriques, me direz-vous ? Cela ne change rien au problème si l’on n’a que 20 m² de panneaux photovoltaïques…

 

Ainsi, j’aimerais comprendre l’enthousiasme et l’optimisme qui entourent cet ambitieux projet d’avion solaire. Cela m’intrigue.

En regard des éléments actuels en ma connaissance, un avion solaire ça fonctionne, mais avec une grosse batterie électrique d’appoint que l’on peine à recharger avec l’énergie solaire. Ou alors il faut prévoir une superficie en panneaux solaires beaucoup plus grande (11 fois plus de surface au minimum, voire 45 fois plus de surface au pire)…

 

J’attendais la réponse du Dr Goulu sur son blog mais il m’a répondu sur Google Plus :

gugli

C’est bien ce que je suspectais : la puissance requise pour faire voler l’avion est supérieure à celle fournie par 20 m² de panneaux photovoltaïques.

Le calcul sur l’énergie potentielle est bienvenu :  l’énergie potentielle est égale au produit de la masse et de l’accélération de la pesanteur et de la variation de hauteur, ici 500 kg × 9,81 m/s² × 24000 m = 117,72 MJ, soit 32,7 kWh. Je retrouve sensiblement la même grandeur que celle du Dr Goulu.

En combien de temps atteint-on 32,7 kWh (et donc une altitude de 24 km) avec un avion solaire qui est alimenté par une puissance électrique moyenne de 1 kW et en l’absence de batterie d’appoint ? Une trentaine d’heure. Or le jour ne dure qu’approximativement 12 heures, et la nuit dure aussi longtemps. De nuit, sans batterie d’appoint, l’avion perd de l’altitude car le moteur cesse de fonctionner. Ce que je veux dire, c’est que les avions solaires ne peuvent pas voler durablement en l’absence de batterie d’appoint. En ce sens, le 100% solaire n’est pas fiable, une batterie d’appoint est une nécessité pour que ça fonctionne.

Oui, les courants ascendants peuvent suppléer l’énergie solaire.

C’est un projet possible mais qui a ses limites.

Voici l’article du Dr Goulu sur les véhicules solaires : http://www.drgoulu.com/2010/09/30/solar-machins/   C’est une bonne remarque à propos des bateaux solaires, pourquoi faire compliqué et coûteux avec du photovoltaïque alors que l’énergie du vent grâce aux voiles c’est si efficace et peu coûteux depuis des siècles ?  😉

Au fait, comment la batterie d’appoint a t-elle été initialement chargée avant embarquement sur l’avion ? En la branchant sur un secteur 220 V ? Ouuuh c’est de la triche !

iconlol

 

© 2014 John Philip C. Manson

 

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