AERONEFS SOLAIRES
Un avion solaire est un appareil dont le moteur électrique est alimenté, complètement ou en partie, par de l'énergie qu'il capte du soleil grâce à des panneaux photovoltaïques. Disposés sur la surface de l'aile, ils convertissent l'énergie lumineuse en énergie électrique. Connecté aux panneaux, un circuit électronique assure une utilisation optimale de cette énergie afin d'alimenter le moteur qui va cette fois transformer cette énergie électrique en énergie mécanique au travers de l'hélice. Une batterie peut être utilisée pour stocker le cas échéant l'énergie supplémentaire générée par les cellules.
Cellules Solaires
Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière, génère une tension électrique. Le courant est continu et la tension obtenue est de l'ordre de 0,5 V. Les cellules sont constituées de semi-conducteurs à base de silicium, de sulfure de cadmium ou de tellurure de cadmium. Dans les années 50, les laboratoires Bell aux Etats-Unis ont réussi à fabriquer les premières cellules photovoltaïques au silicium, avec un rendement de 5%. Les premières utilisations ont concerné le domaine spatial. Les applications grand public ont débuté vers 1970. Actuellement, c’est le Japon qui produit la moitié des cellules solaires commercialisées dans le monde.
L'aviation solaire : un peu d’histoire
L'aviation solaire, conjonction hardie de deux domaines pionniers, le vol électrique et l’énergie photovoltaïque, a débuté dans les années 1970, lorsque des cellules solaires d'un coût abordable sont apparues sur le marché. Elle a concerné tout d'abord les modèles réduits. En 1980, les premiers vols avec un pilote à bord de l'appareil ont été réalisés par l'équipe de Paul Mac Cready à bord du Solar Challenger. Cet appareil, d'une puissance de pointe de 2,5 kW et d’une envergure de 14,2 m, traversa la Manche en 5h 23 min, avec pour seule source l’énergie solaire.
Solar Challenger
En Europe, au même moment, Günter Rochelt réalisa des vols avec le Solair 1 équipé de 2.500 cellules photovoltaïques permettant de générer une puissance de 2,2 kW. Dix ans plus tard, l'Américain Eric Raymond effectua la traversée des Etats-Unis en 21 étapes avec le Sunseeker, superbe motoplaneur solaire d'une finesse de 30 et d'un poids à vide de 89 kg. L'étape la plus longue fut de 400 km.
Sunseeker I
En 1996, le concours Berblinger était organisé, avec comme objectif de pouvoir monter à 450 m/sol à l'aide de batteries et de maintenir un vol horizontal avec une puissance d'énergie solaire de 500 W/m² minimum. Plus de trente projets furent présentés et le prix fut gagné par l'équipe de l'Université de Stuttgart, avec l'appareil baptisé Icaré 2 (surface de 25 m² de cellules solaires, masse 200 kg, coût du projet 800.000 €).
De nombreux drones solaires ont vu le jour partout dans le monde : citons en particulier le Pathfinder (AC Propulsion), de 37 m d'envergure, équipé de cellules solaires ayant un rendement de 19%, le SoLong de la même société, un drone de 5 m d'envergure, qui parvient à se maintenir en vol durant la nuit, le Solitair, le Zéphyr, et l'Helios (NASA), d'une envergure de plus de 70 mètres, qui a établi en 2001 un record d'altitude à presque 30.000 m.
Helios (NASA)
Projet d'aéronef solaire en cours : le SOLAR IMPULSE
Aujourd'hui, le projet de loin le plus ambitieux et le plus enthousiasmant est le Solar Impulse, mené par l'équipe du suisse Bertrand Picard. Il s'agit de réaliser un tour de la planète sans carburant ni pollution, à bord d'un immense monoplace de 63 m d'envergure, en ne se propulsant qu'avec l'énergie captée par des cellules solaires.
FICHE TECHNIQUE Envergure : 63,40 m |
Solar Impulse |
La question énergétique conditionne l’ensemble du projet Solar Impulse, des dimensions de la structure aux contraintes extrêmes de masse. A midi, chaque m² de surface terrestre reçoit l’équivalent de 1 000 Watts, soit 1,3 CV de puissance lumineuse. 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 produite par les moteurs du Solar Impulse n’atteint plus que 8 CV.
première sortie du Solar Impulse
Aéronefs solaires : un peu de technique
A ce jour, plus de soixante appareils solaires ont volé, avions, ULM, motoplaneurs et drones confondus, sans compter un grand nombre de modèles réduits. Tous sont restés à l'état de prototypes.
Cependant, des projets d’avions solaires sont régulièrement présentés pour une mise sur le marché d’ici quelques années. Est-ce sérieux ou ne s’agit-il que d’annonces marketing, histoire de surfer sur la vague de l’aviation écologique ?
Par rapport à l'utilisation de ressources fossiles, l'énergie solaire a l'avantage d'être inépuisable, gratuite et non-polluante. Malgré tout, de multiples raisons expliquent qu'elle n'est pas encore utilisée pour les transports aériens : les cellules photovoltaïques sont fragiles, doivent rester toujours propres, sont difficiles à mettre en œuvre sur une aile et ont un coût élevé. De plus, en raison de leur rendement maximum situé actuellement entre 15 et 25%, une surface très importante est indispensable pour obtenir une puissance suffisante. Il existe bien des cellules solaires ayant un rendement atteignant presque 40%, par exemple celles de technologie dite "AsGa", que l'on utilise dans le domaine spatial, mais hélas, ce ne sont pas des cellules souples et leur prix est exorbitant.
CALCUL CONCRET :
Objectif : faire voler un petit avion léger monoplace d'une masse totale de 130 kg avec une puissance générée par des cellules photovoltaïques disposées sur toute la surface de la voilure. Il s’agit de maintenir l’avion en vol stabilisé à sa vitesse de finesse max. On va considérer que l'on a besoin pour cela de 10 CV (7,5 kW).
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=> Nous sommes encore loin de l'aéronef léger solaire pour le particulier...
Les avancées technologiques des cellules solaires
La troisième génération de cellules solaires va peut-être apporter une solution. Elle utilise de nouveaux matériaux et de nouvelles techniques de fabrication qui structurent la matière à l'échelle du nanomètre. Bien qu'encore caractérisées par des efficacités relativement faibles par rapport à leurs équivalents inorganiques, les cellules organiques pourraient révolutionner le marché du photovoltaïque grâce à leur faible coût de fabrication et leur facilité d'utilisation (flexibilité, légèreté). Les avancées dans ce domaine sont rapides ces dernières années, mais les cellules de ce type n’en sont encore qu’au stade du développement en laboratoire.
L’énergie solaire, une vraie solution d’éco-conception ?
Le bilan énergétique d'un système photovoltaïque embarqué est la durée pendant laquelle les cellules solaires doivent fonctionner afin de compenser l’énergie utilisée pour les fabriquer. On estime qu'une cellule de silicium monocristallin doit fonctionner environ 4 ans à raison de 8 heurs par jour en moyenne pour produire l'énergie qui a été nécessaire à sa fabrication. Compte tenu de leur faible utilisation envisagée en aviation légère (environ 200 heures par an), il faudrait plus de 58 ans pour que le bilan énergétique de cellules installées sur la voilure devienne positif.
EN CONCLUSION
Tant que les cellules solaires n'auront pas un rendement supérieur à 50% et un coût réellement abordable, l'avion léger solaire pour tous ne sera pas envisageable. Certains projets présentés très sérieusement avec de belles simulations 3D ne sont absolument pas réalistes sur le plan technique. L'aviation solaire reste pour l’heure un rêve séduisant, porté par des prototypes ambitieux comme Solar Impulse.
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Une solution simple pour voler grâce aux panneaux photovoltaïques
Si l'on veut voler en utilisant de l'électricité produite par des panneaux solaires, c'est tout de même possible en installant ces panneaux sur les toits des hangars aéronautiques. Les abris à avions sont souvent très grands, donc offrent une surface aujourd'hui inutile qui peut être ainsi intelligemment valorisée.
De plus en plus d'installateurs de panneaux photovoltaïques recherchent de grandes superficies bien orientées, et cela partout en France.Ces installations comprennent le coût des panneaux et des onduleurs, les frais de mise en œuvre et le raccordement au réseau. Malgré les subventions de l'Etat, c'est une opération assez onéreuse. Ensuite, l'électricité est rachetée par EDF, avec des contrats garantis pendant 20 ans. Avec des cellules ayant un rendement de 14%, un toit de 300 m² situé en région Centre, orienté Sud et incliné à 20° va permettre de générer environ 32.000 kWh par an. Cela permet de payer l'emprunt contracté pour financer les panneaux, et au bout de quelques années, la production d'électricité assure un revenu annuel intéressant au gestionnaire de la surface ainsi équipée.
L'aéro-club, l'école de pilotage ou la société aéronautique qui vont s'intéresser de près à la valorisation de leurs toitures seront gagnants. Pour une activité de loisirs motorisés, c'est une belle image de "développement durable".
Sunseeker I
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