Thèses et mémoire pour doctorat…

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Pourquoi le solaire ?

Dans les chapitres suivants, il sera démontré que l’utilisation de batteries (même limitée à des batteries rechargeables) à la température typiquement rencontrée à haute altitude par un avion de la gamme Airbus, est inenvisageable. Il est alors nécessaire d’avoir recours à la capture de l’énergie ambiante comme expliqué ci-dessus. Parmi les sources possibles, dans la mesure où notre cahier des charges nous permet de n’envisager que les vols de jour, nous avons choisi d’utiliser l’énergie photovoltaïque. En effet, et pour des environnements « habituels », c’est elle qui offre la plus forte densité surfacique (figure I- 3): jusqu’à 5 à 30 mW électriques par cm2, en fonction du rendement de la cellule solaire.

Dans le paragraphe qui suit, nous allons donc faire un rapide point de l’utilisation de panneaux solaires sur avions. Pour cela, nous utiliserons largement les données collationnées dans la thèse de doctorat d’André Noth [1], « Design of Solar Powered Planes for Continuous Flight ».

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tel-00554679, version 1 – 11 Jan 2011Chapitre I – Introduction générale

Figure I- 3 : Evaluation de quelques puissances capturables sur avion  Boeing. I.3.2 Installation de cellules solaires sur avion :

L’utilisation de l’énergie solaire pour propulser un avion est actuellement un sujet d’actualité avec le projet Solar Impulse, qui a comme objectif de faire effectuer un tour du monde sans escale à un avion solaire piloté. Solar Impulse a effectué son premier vol le 7 avril 2010.

Figure I- 4 : Solar Impulse (image de synthèse)  SolarImpulse.

André Noth a lui conçu, fabriqué et fait voler un avion sans pilote, le Sky-Sailor (3,3 m d’enverugure), destiné à des vols de plus de 24 heures, et ne tirant son énergie que de l’énergie solaire. Une partie du surplus d’énergie capturée de jour est stockée pour le vol de nuit, à la fois sous forme électrochimique, par l’intermédiaire de batteries, et sous forme d’énergie mécanique potentielle, en faisant prendre de jour de l’altitude à l’avion. Contrairement à notre étude, les altitudes envisagées n’imposent pas de trop basses températures, incompatibles avec un rendement acceptable des batteries rechargeables.

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Chapitre I – Introduction générale

Figure I- 5 : Sky-Sailor en vol [1]

L’énergie solaire est-elle toutefois d’un usage si simple ? Rappelons tout d’abord qu’une cellule solaire convertit un flux de photons en charges électriques et éventuellement en courant, par l’intermédiaire de la création de paires électrons-trous dans la zone de transition d’une jonction PN semi-conductrice. Une description plus détaillée de ce principe est donnée plus loin dans ce document. C’est une source d’énergie à longue durée de vie ne nécessitant pas de maintenance autre qu’un nettoyage éventuel.

Hors de l’atmosphère (référence spectrale dite AM0 – Air Mass Zero), le flux de puissance du rayonnement solaire direct est de 1 353W/m2. Au niveau de la mer (AM1.5) il n’est plus que de 1 000 W/m2. Une partie du rayonnement solaire est par ailleurs réfléchie par la surface de la terre et dépend de l’albedo local (rapport de l’énergie réfléchie à l’énergie incidente) : celui-ci varie de 80% pour la neige, à 5-30 % pour l’herbe.

Malheureusement, toute cette énergie optique n’est pas convertible en énergie électrique : en laboratoire, les meilleurs rendements de conversion atteints par des cellules solaires (multicouches en l’occurrence) ne dépassent pas 40%.

L’irradiation dépend de plus– dans notre cas – de la situation géographique de l’avion, de l’heure, de la date, des conditions météorologiques, de l’assiette de l’avion et de la localisation du panneau de cellules sur l’avion. A titre d’illustration, on trouvera figure I-6 le modèle d’irradiance utilisé dans [1]: on constate la très grande dépendance vis à vis de l’heure. La figure I- 7 complète la précédente en précisant, pour la ville de Lausanne, l’évolution annuelle de l’irradiance max Imax et de la durée du jour Tday. La nécessité de croiser précisément ces données avec un cahier des charges précisant la puissance requise par la charge s’impose clairement.

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Figure I- 6 : Deux modèles [1] de l’irradiance en fonction de l’heure. Le modèle de Duffie et Beckman correspond à la référence [2].

Figure I- 7 : Evolution de Imax et de la durée du jour Tday pour la ville de Lausanne [1].

Le profil de l’élément mécanique sur lequel est placé le dispositif est également susceptible d’influence grandement la puissance disponible, notamment en début et fin de journée (faible élévation du soleil) et pour des positionnement près du bord d’attaque de l’aile par exemple (figure I- 8) ; au-delà de l’irradiance réduite, celle-ci sera de plus non-uniforme à la surface du panneau, soulevant la question de l’efficacité de la poursuite du point de puissance maximum (voir chapitre suivant). Une question identique se pose dans le cas d’une ombre portée permanente sur une partie du panneau (voir sur la figure I- 2, l’ombre du plan horizontal de la dérive sur les éléments de test fixés sur le plan vertical).

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Figure I- 8 : Effet sur l’irradiance du profil mécanique du support, dans une configuration du type de celle rencontrée dans notre étude.

Une contrainte spécifique à notre étude concerne l’altitude à laquelle les essais en vol sont susceptibles d’avoir lieu. Les altitudes maximum atteintes par les avions de la gamme Airbus correspondent tout d’abord à des niveaux de pression statique faibles par rapport au niveau de la mer, impliquant un montage mécanique permettant l’équilibrage des pressions. Ce sont ensuite des températures très basses qui sont rencontrées, imposant elles aussi quelques précautions d’ordre mécanique, mais surtout impactant considérablement tous les processus physico-chimiques, en particulier ceux mis en jeu dans les batteries et les supercondensateurs. Ce dernier point explique donc la nécessité d’une bonne part des travaux de caractérisation présentés dans les prochains chapitres.

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I.4

Perspectives ouvertes pour la suite de notre étude

De ce qui précède, il ressort que les contraintes de mise en œuvre qui sont les nôtres imposent une caractérisation préalable fine, en particulier vis à vis de la température, des composants présents dans la chaîne de gestion de l’énergie. Celle-ci doit être conçue et dimensionnée spécifiquement pour l’application « essais en vol » qui est la nôtre. Cette démarche va être développée dans les chapitres suivants.