il tourne seul ! à la poursuite du soleil … autonomie énergétique mode d’emploi  Bientôt disponible en ligne et sur papier ... Depuis plus de 10 ans nous sommes domestiquement autonomes avec un petit champ photovoltaïque de 3,7 m² conçu pour suivre le soleil, à l’image de la fleur de tournesol. Ce dispositif fait pour une bonne part la différence avec les dizaines de m2 immobiles d’un grand nombre de toitures … paradoxalement inefficace en hiver pendant la période où on en a vraiment besoin  ! ! ?
 
Pourquoi ?

Le graphique ci-contre compare 3 méthodes de collecte d’énergie solaire un jour d’hiver, orientation plein sud :

  1. •La courbe verte montre l’énergie  récupérée sur une toiture installée dans une région méridionale avec une pente de toit à 30 %,

  2. •La courbe bleue avec poursuite en élévation seule, où en effet à midi solaire nous passons par un maximum,

  3. •La courbe rouge avec poursuite totale. Le gain obtenu est de 1,6 fois la bleue et plus de 3 fois la verte.

Et en été ? … 3,6 fois la bleue, ce qui nous met en situation de surproduction une bonne partie de l’année.

L’énergie solaire est :

  1. I.gratuite

  2. II.intermittente

  3. III.plus rentable en hiver qu’en été, car proche des besoins

  4. IV.jusqu’à 2 fois plus efficiente à utiliser pour soi-même qu’à revendre

  5. V.jusqu’à 2 à 3 fois plus efficiente en accumulation électrique ou thermique

  6. VI.jusqu’à 4 à 5 fois plus rentable en thermique qu’en photovoltaïque

  7. VII.jusqu’à 6 fois plus rentable en poursuite qu’en fixe


En 1980 l’auteur à déposé un brevet concernant un principe de poursuite du soleil selon diverses options, afin d’anticiper sa course même en l'absence de celui-ci, un automate mécanique en quelque sorte toujours prêt à recevoir les premiers rayons du soleil, quoiqu’il arrive..

Aujourd’hui on peut faire la même chose
avec 3 fois rien, nécessitant cependant d’autre compétences. L’objectif de l’ouvrage est de vulgariser les technologies nécessaires à la construction d’un système de poursuite opérationnel sous toutes latitudes.

Bien qu’à priori très technique, le sujet est abordé en suivant le projet pas à pas jusqu’au résultat, un peu à la manière d’un mode d’emploi.

Il est destiné à un large public de bricoleur, peu ou pas compétent en technologie, théoriquement niveau 3e - seconde et écoles professionnelles. Donc pas ou peu de notions absconses, mais du concret. Pour une meilleure compréhension sont approchées les quelques notions de mécanique céleste nécessaires à la compréhension des mouvements relatifs entre la Terre et le soleil.

Les aspects essentiels sont abordés : mécanique, électrique, électronique et informatique, y compris les aléas de la nature.

La réalisation a pour “cerveau“ un microcontrôleur très minimaliste à 5 €, prisé dans les collèges et écoles techniques pour sa facilité d’abord, notamment dans l’initiation à la robotique pour les jeunes. La philosophie générale est : récupération, fond de tiroir et détournement d’éléments existants comme ici un bras de 2cv.  Les moyens informatiques sont du même acabit : vieux PC à la retraite et logiciels multiplateformes en français avec choix possible de trois langages de programmation.

Le lecteur selon la taille de son projet, aura à sa disposition des abaques, des fichiers tableurs pré-remplis,  des fichiers programmes et les liens de téléchargement nécessaires.

Le sujet s’est révélé suffisamment vaste pour nécessiter deux tomes, chacun d’eux se divise en trois parties.

Le tome I se concentre sur la réalisation minimaliste d’un tourneseul en monture équatoriale, avec cependant une partie de l’ouvrage consacrée à nombre d’évolutions technologiques disponibles à ce jour.

Le tome II est plus généraliste, avec la seconde partie consacrée aux montures azimutales


Tome I

  1. I.Présentation des avantages de la poursuite face à la démesure du fixe déployé sur toiture et friches agricoles.

  2. II.Réalisation d’un « Tourneseul » très basique en monture équatoriale avec les documents nécessaires dont certains sont en ligne : programmes à charger dans le microcontrôleur Picaxe, tableaux prêts à être personnalisé selon la latitude, abaques pour le dimensionnement, ainsi que les choix aussi bien matériels que logiciels. Un afficheur permet de vérifier le bon déroulement du programme en cours.

  3. III.Les compléments permettant une réalisation plus élaborée, pour étudiants et concepteurs avec les notions nécessaires à l’élaboration d’un tourneseul de son cru :

  4. •mesures et asservissements de position,

  5. •asservissement optique,

  6. • études des procédés de simulations de la course solaire par : paramètrage, tables de valeurs ou calculs,

  7. •horloge temps réel et afficheur maison à bas coût,

  8. • un peu de théorie : astrométrie et technologies,

  9. • glossaire, liens et adresses utiles.

  10. En sus des fichiers accessibles en ligne, est joint dans la carte mémoire page 9 : documentations, tableaux de calcul, alidades et fichiers programmes aussi bien de test que d’exploitation.

  11. Un chapitre prospective clôt ce tome avec les futures cellules photovoltaïques pérovskites, fait le point sur la crise énergétique face aux véhicules électriques, et l’on termine sur l’alchimie d’hier aux piles non jetables de demain.

Tome II

  1. Celui-ci embrasse la plupart des systèmes de poursuite, les aspects théoriques et mise en pratique présentant les divers modes de pilotage selon :

  2. •4 types de montures : fixe, 1 axe, 2 axes et 3 axes,

  3. •16 types de montage/pilotage possibles répartis selon les 3 familles suivantes :

  4. I.Montures fixes et à un seul axe : horaire ou élévation.

  5. II.Les 2 axes : les montures équatoriales selon d’autres modes de pilotage, ainsi qu’une monture horaire sans fin pour régions polaires. Puis les azimutales selon 6 types de réalisations possibles :

  6. •par tables ou hybride,

  7. •par pilotage optique de l’élévation,

  8. •par calculateur trigonométrique seul,

  9. •hybride optique + calculateur,

  10. •totalement optique avec tables,

  11. •héliostat à usage domestique.

  12. III.La monture 3 axes dont :

  13. •systèmes pendulaires,

  14. •accélérométrie et ses applications,

  15. •réalisation d’un montage 3 axes piloté par accéléromètre et ses variantes.

  16. Un chapitre prospective en fin d’ouvrage est réservé aux accumulateurs d’énergie électrique : de l’accu plomb-acide aux accus lithium et aujourd’hui au sodium, un produit disponible à  volonté puisque dans l’eau de mer.

Dans les deux tomes, la troisième partie est consacrée aux curieux, étudiants, écoles, fab-Lab, etc… et pourquoi pas projet professionnel, sujets d’étude pour écoles professionnelles. Il y aurait un boulot de dingue pour qui voudrait monter sa petite entreprise … c’était le projet de l’auteur en 1980 avec un premier dépôt de brevet … probablement trop tôt à l’époque ?

Les intéressés y trouveront des technologies plus pointues, ainsi que les éléments de calculs nécessaires, des extraits de programme expliqué et commenté pour chaque fonction. Nous abordons également les encodeurs absolus, les inclinomètres et accéléromètres 2 et 3 axes, ainsi que leurs mises en pratique, mode de câblage, calibration et routines spécifiques en langage Basic. On y trouve les adresses utiles, fournisseurs, sites oueb de passionnés, etc.,.

Sont présentés la plupart des types de montages avec avantages et inconvénients ; de l’optimisation d’un montage fixe, en passant par les montages à un seul axe, les systèmes à 2 axes comme la très classique monture azimutale et l’incontournable équatoriale, ou plus originale : la monture équatoriale pendulaire à 3 axes. Tout y passe, y compris un héliostat à usage domestique et un montage à rotation sans fin pour les régions polaires.

Heu ben non ... désolé, pas encore de cuiseur solaire, peut-être un jour ;-) le lecteur aura à sa disposition tout ce qu’il faut pour ce faire …

Aujourd’hui face à la crise énergétique, la fragilisation des réseaux par le mariage contre nature du “mix“ éolien/nucléaire, on ne devrait plus se poser la question du coût réel de l’énergie gratuite venue du ciel et celui hyper taxé extrait du sol de pays lointains.

    Agir ou subir, telle est la question ! ?

    Alors suivre le soleil et être auto-suffisant ... pourquoi pas vous ?

Afin de commencer à élaborer votre propre réalisation, divers tableaux de calcul tout prêts, alidades de mesures et documents divers sont disponibles dans une archive .ZIP via le lien ci-dessous :

    DOCs/calculs_iltourneseul.zip    poids environ 8,4 Mo

    Les fichiers tableurs sont sous 4 formes :  .odt  .numbers  .xls  et .pdf pour visionner les divers tableaux


Concernant l’ouvrage, nous distinguons la version libre en PDF disponible en ligne, environ 200 Mo, de la version papier. Cette dernière fournit en sus au lecteur une carte mémoire avec tous les éléments nécessaires à une réalisation de son cru, dont les logiciels d’exploitation et de mesures nécessaires au microcontrôleur. Mais aussi le dimensionnement avec abaques, fiches techniques traduites en français, qu’il trouvera dans une carte mémoire de type SD insérée en page 9.

 

Les différents types de poursuites

Elles se présentent mécaniquement selon diverses montures et plusieurs modes de pilotages possibles.

Le premier qui vient à l’esprit est un système optique qui suit le soleil, à l’aide de moteur et vérin apte à pointer vers la luminosité la plus élevée. On devra tenir compte de la nuit avec une position d’attente optimum à déterminer et de jour la présence plus ou moins intense de l’ensoleillement.

Cela nécessite déjà une logique jour/nuit. Pour faire simple, on optera pour un pilotage horaire par défaut via l’horloge, dés l'apparition du soleil l’optique devient prioritaire. Pour l’élévation, la solution consiste à anticiper la poursuite, être déjà grossièrement face au soleil avant même qu’il n’apparaisse derrière le dernier nuage. On aura besoin, selon le type de monture, d’une logique simple ou d’une suite de calculs en fonction de la latitude du lieu, de l’heure et de la saison.

On y est, pour ce faire nous avons les systèmes à un seul axe, ensuite à 2 axes de type azimutal ou équatorial, ce dernier pouvant se décliner en 3 axes, rotation sans fin …. D’autre part, un Tourneseul devra pouvoir être installé n’importe où entre un pôle et l’équateur.

En conséquence, nous allons devoir définir ce qui distingue une monture équatoriale d’une azimutale, car en théorie tout est possible. Or, selon le choix du type de monture et la latitude de l’installation, il apparait des difficultés difficiles à surmonter, car contre nature.

  1. ✴L’azimutale a son axe horaire toujours perpendiculaire au sol. Elle est donc particulièrement adaptée dans les régions polaires, simplement parce que son axe de rotation est parallèlement très proche de celui de l’axe de rotation terrestre, alors qu’entre l’équateur et les tropiques leurs axes deviennent perpendiculaires entre eux, donc contre nature. Dans la pratique, chaque changement de position horaire entraine systématiquement un repositionnement en élévation déterminé par un calcul laborieux, d’où la complexité du pilotage de l’engin et la pertinence d’une assistance optique.

  2. ✴L’équatoriale a son axe horaire toujours parallèle à l’axe de rotation terrestre. Elle est naturellement adaptée aux régions situées entre l’équateur et les tropiques, d’où son nom, du fait que l’axe horaire est sensiblement horizontal, presque parallèle à la surface du sol puisque parallèle à l’axe terrestre.
    Par contre en se rapprochant des pôles, ce système devient naturellement azimutal au-delà du cercle polaire. Cette monture équatoriale est donc universelle, car en plus dans une version simplifiée, elle ne nécessite aucun calcul. Ici le positionnement en élévation ne dépend que de la saison, il peut être réalisé soit manuellement une fois par mois ou moins, soit automatiquement en fonction du numéro de jour de l’année. L’assistance optique n’est pas indispensable.

Mécaniquement, les éléments automobiles simplifient la construction. Par exemple un demi-train avant conjugue les deux mouvements, avec la rotation de la roue pour l’horaire et la direction pour l’élévation. Cependant là encore on devra tenir compte du type de monture. Si équatoriale, l’élévation se limite à ±23,5°, par contre si azimutale, elle peut évoluer dans de grandes proportions : sur l’équateur de 0 à 113°, sur le cercle polaire de 0 à 23°, sur le 45ème parallèle comme chez nous, de 0 à 67°. La taille du véhicule sera bien sûr fonction de la surface de captage désirée, mais attention aux excès de vent !

En résumé, au nord comme au sud, tout va bien entre le tropique et le cercle polaire, au-delà, le moins difficile à mettre en œuvre sera souhaitable. Au lecteur de voir.

Les 16 montages possibles en 3 familles

Celles-ci se décomposent en 1, 2 et 3 axes. Voici les types de pilotage étudiés selon la monture :

    1. 1.Un seul axe en élévation, orientation si possible plein sud. Le pilotage n’est pas nécessaire, le réglage de hauteur peut rester manuel. On pourrait envisager un pilotage optique ou par horloge temps réel.
      C’est certainement la version la plus minimaliste à bas coût de revient, tout en étant efficace car privilégie la période hivernale la plus critique, tout en favorisant d’un point de vue mécanique l’usage d’un champ de capteur de grande dimension aussi bien thermique que photovoltaïque.

    2. 2.Un seul axe en horaire, on privilégiera à la construction un angle d’élévation proche de la plus grande hauteur hivernale. Le pilotage sera par horloge temps réel. Cette version semble un peu démesurée, croissant proportionnellement avec la dimension, pour un résultat mitigé. Cependant un modèle opérationnel est testé depuis plusieurs années et demanderait une étude plus poussée.

    3. 3.Deux axes, entièrement optique, horaire et élévation, en tel cas peu importe le type de monture, mais aléas possibles en été qu’il est possible de compenser par une horloge. Il existe plusieurs réalisations consultables sur la Toile. Bien que le pilotage optique horaire soit mis en œuvre dans le “Tourneseul“ cette approche n’a pas été explorée dans son ensemble.

    4. 4.Deux axes, sur monture équatoriale, pilotage optique horaire prioritaire et paramétrique, comme le Tourneseul décrit en première partie du tome I,

    5. 5.Deux axes, préférentiellement équatoriale, optique horaire prioritaire, zéro calcul par table de valeurs précalculées puis mémorisées dans le microcontrôleur, avec en option horloge temps réel et accélérométrie. L’azimutale est possible mais plus complexe.

    6. 6.Deux axes, sur monture équatoriale, horloge prioritaire, option très minimaliste, zéro calcul via 2 tables de valeurs, voire éventuellement 3, pas d’assistance optique, afficheur et accélérométrie en option, cf. fonction horloge seule. L’azimutale est possible, non testée.

    7. 7.Deux axes, équatoriale seule, mémorisation quotidienne de l’heure de la position horizon, donc sans tables de valeurs, zéro calcul ni paramètrage. L’unique asservissement est la position horaire avec en option horloge temps réel et/ou pilotage optique. Ce procédé était déjà envisagé en 1980 dans le brevet avec un détecteur d’horizon.

    8. 8.Deux axes, les deux types de montures semblent pouvoir coexister, avec rotation sans fin, plus spécifiquement pour les régions polaires du fait d’une géométrie très proche, sachant que le jour peut approcher les 24 heures. La monture équatoriale sera privilégiée avec zéro calcul, avec en option horloge temps réel et/ou assistance optique. Cela est réalisable avec une conception et un matériel adaptés. Voir monture à axe horaire sans fin. Non testé.

    9. 9.Deux axes, monture azimutale, sans calculateur trigonométrique, optique prioritaire seule en élévation, horloge prioritaire via 1 table de valeurs.

    10. 10.Deux axes, monture azimutale, entièrement par tables, horloge prioritaire, version via 9 tables de valeurs, pas d’assistance optique.

    11. 11.Deux axes, monture azimutale, par tables et optique prioritaire en élévation, horloge prioritaire via 4 tables de valeurs, non testé.

    12. 12.Deux axes, monture azimutale, entièrement par calculateur trigonométrique, horloge prioritaire, version minimaliste via 4 tables de valeurs, pas d’assistance optique.

    13. 13.Deux axes, monture azimutale, hybride calculateur+optique en élévation, horloge prioritaire recommandée, via 4 tables de valeurs.

    14. 14.Deux axes, monture azimutale, héliostat, par calculateur, non testé.

    15. 15.Trois axes, monture équatoriale pendulaire, par paramètrage. Deux asservissements : horaire et horizon, horloge temps réel recommandée, avec en option pilotage optique et accélérométrie.

    16. 16.Trois axes, monture équatoriale pendulaire, avec mémorisation quotidienne de l’heure de la position horizon, donc zéro calcul ni paramètrage. Trois asservissements : horaire élévation et la correction de roulis sur horizon par accéléromètre, horloge temps réel recommandée avec en option l’assistance optique.

  2. En bref, les versions les plus minimalistes sont la 1, la 4 du Tourneseul du tome I, la 6, 7, 8 et 9, éventuellement les 11 et 16. Un tableau comparatif sera publié prochainement.

Nous n’avons pas la prétention d’être exhaustif, juste approcher les solutions les plus
pragmatiques.

Le Tourneseul décrit dans le tome I -à droite sur la photo- est une monture équatoriale paramétrique, elle combine l’horloge interne du microcontrôleur et un asservissement optique. L’élévation est soit réglée manuellement, environ une fois par mois, soit par l’horloge en se basant sur le numéro du jour de l’année de 0 à 365 et bien entendu la latitude du lieu d’installation.

Le tome II passe en revue la plupart des montages, dont certains sont installés sur site depuis plusieurs années ou testés sur des réalisations opération- nelles et maquettes de production. Dans ce tome nous décrivons diverses façons de piloter un Tourneseul à monture azimutale, comme celui de gauche sur la photo avec assistance optique en élévation.

 

Cet ouvrage fait suite à deux précédents :

  1. 1.un en 2013, sur le bilan éco-énergétique de notre maison face aux réglementations thermiques  RT2012-2020 :                maison passive, un sophisme pour rester Zen ?

  2. 2.un second en 2021, sur un projet de cogénération appliqué à l’habitat autonome, recensant au passages 10 ans de mesures de terrain :       cogénération, objectif exergie

Ces parutions démontrent que le photovoltaïque des toitures se contente généralement d’un rendement énergétique d’en moyenne 15 %, alors qu’avec la même surface le chauffage solaire est de l’ordre de 75 %.

Cela signifie que du point de vue énergétique,
il serait au minimum 4 fois plus rentable (400 %) de faire du chauffage plutôt que de l’électricité. Ce qui amène à considérer que les besoins énergétiques réels de la population sous nos latitudes et au-dessus, sont massivement thermiques, non pas électriques.

    Pourquoi alors subventionner le photovoltaïque ?

C’est pourquoi nous avons commencé par 4 m² de solaire thermique en toiture-terrasse, pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire, photo ci-contre en position été. Pour vous faire une idée

photo © jean-noel thimonier novembre 2009

du « bien-fondé » des réglementations énergétiques, vous pouvez consulter un de nos bilans : DOCs/bilan_energies_2016-2023.pdf

Le photovoltaïque n’est venu que par la suite, il était

opérationnel en 2012 en manuel avec télécommande radio seulement, puis automatisé en 2021 objet de ce dernier ouvrage.