Culture et communication en Provence

Les lampes solaires de jardin

Les lampes solaires de jardin sont-elles un moyen d’économiser l’électricité ?
Il peut être séduisant d’utiliser des lampes autonomes pour éclairer un jardin ; en effet ces lampes n’ont besoin d’aucune installation et elles paraissent a priori économiques puisqu’elles ne puisent aucune énergie électrique sur le secteur.
Néanmoins si on prend en compte la durée de vie limitée de ces appareils et le faible éclairage on s’aperçoit que l’électricité est payée beaucoup plus cher que le prix au compteur !
Par contre il existe quelques cas dans lesquels ces lampes présentent un avantage et qui sont :

 Installations provisoires ; lieux à éclairer éloignés qui nécessiteraient des travaux importants ou des câbles longs.
Il en est de même pour l’éclairage public : Lorsqu’il s’agit d’éclairer un endroit ponctuel là où il n’y a pas de réseau électrique, il est meilleur marché d’installer un ensemble alimenté par le soleil que de faire réaliser des travaux d’installation de réseau électrique dont le coût devient vite extrême. Bien sûr dans ce cas on passe à du matériel « professionnel ! »
Mais nous allons voir que les systèmes à destination des particuliers ou ceux pour les collectivités devraient avoir la même exigence de rigueur : il est ridicule de réaliser des appareils utilisant les énergies renouvelables s’ils ne durent pour certains pas plus d’un an comme nous allons le voir.
Différents exemples de lampes de jardin :

Il existe énormément de modèles ; la qualité dépend essentiellement de celle du capteur photovoltaïque.
Le capteur

Sur des modèles bas de gamme ce sont de minuscules morceaux de cellule enrobés dans une résine de mauvaise qualité qui ne résiste pas aux U.V. ; à cause de la maigre surface le débit de charge est minime et la lampe éclaire à peine. Au bout de quelques mois la résine s’obscurcit et le capteur devient inutilisable. La lampe ne fonctionne plus.
Il existe toute sorte de capteurs photovoltaïques des meilleurs aux plus mauvais. D’une façon générale on voit bien en regardant le capteur si toute la surface est remplie ou s’il ne s’agit que de petits morceaux de cellule.
De façon générale éviter les capteurs enrobés dans de la résine car ils résisteront un à deux ans après lesquels la résine commencera à s’obscurcir. Préférer des capteurs recouverts d’une plaque de verre. Il en existe dans la marque Solite (Lampe de type « value ») et dont le prix de revient n’est pas pour autant important : Elles sont vendues en magasin de bricolage pour 20 Euros environ le carton de 3 lampes.
La pile rechargeable

C’est l’élément le plus fragile de tous. Jusqu’à maintenant les lampes étaient souvent pourvues d’une pile rechargeable au Nickel Cadmium ; étant donné le pouvoir polluant du cadmium ce type de piles disparaît progressivement et on trouve dans les lampes des piles à l’hydrure de métal (NI-Mh) ou sur le haut de gamme des piles lithium-ion. Mais les problèmes de durée de vie sont plus importants : Les piles Ni-Cd supportaient un millier de recharges au maximum, soit une durée de vie de trois ans ; les Ni-Mh en supportent moins de 500 ce qui signifie une durée de vie de un an et demie. Rajoutons que les piles sont sensibles à la chaleur ce qu’il signifie qu’il vaut mieux placer ces lampes dans des jardins que sur des terrasses où la réverbération risque l’été risque de faire monter la température ! En outre le Ni-Mh supporte moins la surcharge que le Ni-Cd. Il ne devrait pas être chargé avec un courant supérieur au vingtième de sa capacité. Autrement dit une lampe avec une cellule solaire qui charge à 55 mA devait être branchée sur une pile au minimum de 20 x 55= 1100 mA/h. Malheureusement les constructeurs ont remplacé dans leurs lampes les piles à Cadmium Nikel par des NiMh de même capacité (on trouve surtout des 600 ma/h) sans se soucier du problème !
Le système électronique (convertisseur) et la LED (diode électro-luminescente.)

Le capteur charge une pile de 1,2 volts. Comme la diode blanche a besoin de 3,6 volts pour fonctionner le boîtier contient un minuscule convertisseur de tension à découpage. Le convertisseur se met hors-circuit pendant la journée pour que la diode n’éclaire pas le jour ; le courant de commande vient soit d’une photorésistance montée dans le boîtier soit du capteur lui-même. Dans les derniers modèles des progrès ont été faits ; on trouve des convertisseurs de meilleur rendement, avec un circuit intégré ou des CMS (composants miniaturisés de montage en surface.) Sachant que les constructeurs prévoient que leur lampe puisse fonctionner la luit pendant dix heures le courant d’alimentation de la diode est réglé en fonction de ce que le panneau est présumé donner comme charge dans une journée. Sur les modèles bas de gamme on a un débit dans la diode de 2 mA, les milieux de gamme ont un débit de 5 à 10 mA ; les haut de gamme ont de deux à trois diodes à 20 mA soit jusqu’à 50 mA !
Il faut tenir compte enfin du rendement de la diode luminescente ; sur les modèles de bas de gamme la diode a un rendement de 40 lumen par watt ; sur les haut de gamme jusqu’à 60 lumen par watt.

Les améliorations possibles

Le stockage de l’énergie

De ce côté on ne peut pas faire grand chose sinon remplacer de temps à autre la batterie, éventuellement par une batterie de plus grande capacité. Pour ma part j’ai démonté d’anciennes batteries de caméscope ; elles sont remplies d’éléments de 1,2 volt et j’ai pu en récupérer pour remplacer des batteries de lampes solaires.
Comme nous l’avons vu la pile est fragile et a une durée de vie très limitée. Le seul système actuellement robuste est l’accumulateur au plomb.
Mais on ne peut pas remplacer une batterie de 1,2 volt au Nickel cadmium par un élément d’accu au plomb de deux volts. Car la cellule solaire dans ce cas là est formée de 4 modules de 0,45 volt et fournit donc une tension de 1,8 volt insuffisante pour charger un accu de 2 volts. Par contre si vous avez une lampe solaire qui contient deux batteries NICD en série (soit 2,4 volt) vous pouvez la remplacer par un élément au plomb (disponible par exemple chez Conrad.) Mais attention aux contraintes des batteries au plomb : elles garderont une longue durée de vie si elles ne sont pas déchargées à plus de la moitié ; alors que pour le NICD c’est le contraire : on préserve leur durée de vie en les déchargeant régulièrement. Donc un système solaire avec des batteries au plomb doit avoir soit un panneau suffisamment puissant soit une protection contre la décharge ce qui n’existe naturellement pas sur les lampes de jardin.

Vers la réalisation d’un système d’éclairage domestique autonome

L’idéal serait probablement d’installer un vrai panneau solaire avec quelques fils enterrés et un vrai stockage d’électricité dans une batterie au plomb. Cette fois on a un système qui peut fonctionner plusieurs dizaines d’années. Et qui ne revient pas spécialement cher d’ailleurs.
Le prix du stockage de l’énergie sur un accumulateur au plomb est inférieur à celui des piles. A noter que les batteries à électrolyte liquide sont plus robustes que les batteries dites « sans entretien.
A joutons que si l’on dispose d’une batterie de voiture un peu faible qui ne donne pas une intensité de démarrage suffisante pour une voiture elle pourra convenir encore assez longtemps dans une installation solaire, à condition de ne pas avoir d’autodécharge trop importante. En effet lorsqu’une batterie ne permet plus de faire démarrer correctement une voiture c’est à cause de l’accroissement de sa résistance interne. Mais un éclairage solaire de jardin se contente de quelques ampères au maximum ; on est loin des centaines d’ampères nécessaires à un démarreur ! Il existe également deux procédés pour régénérer les batteries usagées : l’un consiste à l’envoi de courant par impulsions. Il suffit de construire un générateur de signaux carrés à une fréquence de 1 khz environ qui pilote un transistor de puissance et une inductance. Voir plus de précisions sur ce lien
http://www.nrjrealiste.fr/elec/batterie/Desulfateur.pdf
L’autre solution pour régénérer les batteries consiste à les nettoyer avec une solution d’EDTA qui va dissoudre les dépôts de sulfate.
Rajoutons que pour avoir une longue durée de vie les batteries au plomb doivent être utilisées en tenant compte de certaines règles : Ne pas dépasser un courant de charge du dixième de la capacité, soit 5A pour une batterie de 50 Ah. Ce qui veut dire en pratique que cette batterie (de la forme la plus courante trouvée sur les voitures) ne devra pas être alimentée par un panneau de plus de 5 A sous 12 volts soit 60 watts, ce qui n’est déjà pas si mal.
Il faut éviter de surcharge la batterie lorsque la charge est complète. Par contre s’il s’agit d’un panneau peu puissant, jusqu’à 20 watts, la batterie supportera un excès de charge sans dommage. Au delà il faut brancher entre le panneau et la batterie un régulateur de charge.
Ce régulateur a un deuxième intérêt c’est qu’il empêche la décharge complète de la batterie ; il déconnecte l’éclairage lorsque la batterie passe en-dessous de 12 volts. Si la consommation est peu importante on peut encore une fois se passer de régulateur.

Le panneau solaire

Si on construit une alimentation centrale sur batterie on peut utiliser par exemple un panneau solaire de six watts pour l’alimenter ; cela reviendra à une cinquantaine d’Euros. On peut trouver sur Ebay des panneaux solaires de ce type chez les vendeurs solarshop1a ou Horizon Star Energy. En France Electronique Diffusion par exemple propose des panneaux solaires de 20 watts et plus de puissance. On trouve aussi pour moins cher de l’ordre de quinze à 20 Euros des tablettes chargeurs de batteries auto de 2 watts qui sont théoriquement destinées à être posées sur la lunette arrière de la voiture mais que l’on peut aussi bien utiliser en plein air.
Bien sûr si on réalise une alimentation centrale en 12 volts on pourra utiliser des lampes à économie d’énergie, une puissance de 12 watts est suffisante pour éclairer une pièce.

Les lampes à Led

On peut aussi créer des lampes à Led qui fonctionnent en 12 volts. Pour cela on peut mettre en série trois diodes Led et une résistance qui va définir l’intensité qui traverse les diodes. Le calcul de la résistance se fait selon la loi d’Ohm sachant que l’intensité ne doit pas dépasser 20 milliampères pour les Led de base, ou mieux 100 milliampères pour les Led dites "Un demi-watt" et que la tension dans la résistance sera égale à la tension de batterie (13,5 volt pour une batterie 12 volts) moins la tension des Led (3 x 3,5 volts pour trois diodes en série) d’où 13,5 volt moins 10,5 volts égale trois volts. La résistance est égale à la tension divisée par l’intensité, soit 3 volts divisés par 0,02 ampère égale 150 ohms. Dans le deuxième cas on a 3,5 volts divisé par 0,1 ampère égale 35 ohms. Prendre une valeur en ¼ de watt.
On peut mettre plusieurs séries en parallèle ce qui accroit d’autant la puissance. J’ai commandé de très bonnes Led un demi-watt chez un commerçant Ebay qui s’appelle Light of victory ; le paquet de 30 led coûte une douzaine d’euros. La lumière est blanche sans être bleutée. Avec le paquet on a de quoi se faire une lampe d’une douzaine de watts, pour un prix largement moins cher que les réalisations du commerce. Petite précision technique : les Led appelées un demi watt ne font en réalité que 100 mA x 3,6 volts = 0,36 watt, mais c’est déjà correct. On trouve maintenant des Led de toutes les puissances, jusqu’à 20 watts ; elles sont vendues avec leur refroidisseur mais l’évacuation de la chaleur et l’adaptation en tension demande un minimum de connaissances techniques. L’inclinaison du capteur
Une autre raison de perte de captation est le fait que le capteur est horizontal alors que l’inclinaison idéale est plutôt cers les 45 degrés (surtout si l’on estime que la captation doit rester bonne pendant l’hiver. Car sinon on se trouve face à une aberration : l’hiver où les nuits sont plus longues on a besoin d’un éclairage qui fonctionne plus longtemps et si le capteur est à l’horizontale on va avoir au contraire une perte de lumière la plus importante.)
Sur les bornes en métal le capteur est collé par une sorte de colle caoutchouteuse et un peu molle ; en la tirant on peut la déplacer et la mettre à 45 degrés. Reste à rajouter un peu de colle avec un pistolet de collage à chaud pour la faire tenir. Si on ne peut pas déplacer le capteru on peut tenter de coller un réflecteur en position horizontale à l’arrière. Si l’on dispose d’un panneau solaire distinct il faut le fixer avec un dispositif qui permette de l’incliner.
L’amélioration du niveau de l’éclairage.

Les diodes Led utilisées dans les lampes solaires ne sont pas celles qui ont le maximum de rendement ; pour autant une diode Led à haut rendement n’est pas spécialement chère. Les meilleures Led à haut rendement sont vendues sur Ebay par le vendeur jeledhk ; elles sont données pour une luminosité de 55000 mcd à 20 degrés de directivité ; elles en font en réalité environ 40000 mcd ce qui est excellent et correspond à un rendement de 80 lumen par watt ce qui est proche de ce qui se fait de mieux. A noter pour la bonne compréhension des chiffres : une indication de luminosité en millicandelas est relative à l’angle de directivité. Autrement dit si on focalisait le même éclairage sur dix degrés on aurait une luminosité quatre fois plus importante sans pour autant que la diode ait un rendement plus élevé.
On trouve également des diodes led de bonne qualité sur le site shop dotlight.de
Ce site a la particularité de donner des indications de luminosité qui sont fiables ; il vend les diodes d’un grand fabricant qui est Nichia.
Si on veut de l’éclairage à forte puissance on peut faire appel à des Led de puissance de 3 watts ; les meilleures sont actuellement Seoul Z-Led P4 rank U qui donne 240 lumen à 3 watts et la Cree Xlamp 7090 XR-E qui donne 260 lumen à 3 watts. Elles sont disponibles auprès de luxleds et de shop.dotlight. Penser à acheter le refroisisseur, la colle conductrice thermique et l’optique en même temps.
Il existe actuellement des Led de toutes les puissances ou presque ; par exemple des Led de 0,5 watt vendues sur Ebay par Redheartking Barry et données pour 35 lumen. Je ne les ai pas testées. Il faut savoir que les indications de luminosité données par les vendeurs sont rarement exactes ; si l’on veut avoir des certitudes mieux vaut le vérifier avec un luxmètre ou consulter un site comme www.candlepowerforums.com qui présente beaucoup de mesures. (Choisir la rubrique Led)

L’amélioration du système de conversion de l’électricité

Nous reprenons notre exemple des lampes de jardin pour approcher la théorie des convertisseurs à découpage.

Ces convertisseurs existent d’ailleurs dans un certain nombre de lampes à Led d’éclairge car la Led fonctionne avec une tension de 3,6 volts en général. Pour passer de 220 volts ou de 12 volts à 3,6 volts on crée soit un système série avec résistance (mais qui occasionne une perte de rendement de 20 pour cent environ) soit on utilise un convertisseur électronique à découpage, qui occasionnera une perte moindre, de 10 pour cent environ, mais qui, revers de la médaille produira une pollution électromagnétique, certes moindre que celle des lampes fluocompactes.)

Actuellement la majorité des lampes de jardin fonctionne avec un élément de 1,2 volts. Quelques-unes en possèdent deux (soit 2,4 volts en résultante), quelques-unes encore possèdent un élément 3,6 volt Li-ion. En général les lampes plus puissantes fonctionnent avec une tension plus importante mais rien n’empêcherait de réaliser une lampe très puissante sous 1,2 volt seulement. Simplement sous 1,2 volts pour obtenir un bon rendement de conversion il faut des composants de qualité. Le convertisseur à circuit intégré pour lampes de jardin SR 2203 a un rendement de 65 % ; le circuit 6601 que l’on trouve sur certains modèles a un rendement de 80 %.
Comment fonctionne le convertisseur et l’électronique ?
Le système permet deux fonctions : d’une part il éteint l’éclairage le jour ; d’autre part il contient un élévateur de tension car ici on augmente au contraire la tension : la diode pour pouvoir s’éclairer doit être alimentée par une tension supérieure à 3,6 volts.
Il existe plusieurs techniques différentes :

 Le blocage de l’éclairage le jour
Un transistor est branché sur la cellule photovoltaïque et bloque le transfert du courant dans le dispositif élévateur de tension lorsque la cellule produit du courant. Ainsi donc lorsqu’il fait jour l’éclairage s’éteint. Dans certaines lampes la détection de la lumière se fait par une photorésistance qui est distincte de la cellule photovoltaïque.

 La conversion de tension
Il existe trois systèmes principaux. Dans la version économique il s’agit d’un oscillateur qui utilise un seul transistor. Il existe une version plus élaborée et performante de l’oscillateur avec deux transistors et même sur certaines lampes avec un circuit intégré. Sur la lampe en ma possession c’est un circuit intégré de référence 6601D fabriqué en Chine ; la notice du circuit indique que le débit en sortie dépend de la valeur de l’inductance. Sur notre modèle il était réglé pour produire une intensité de 5 mA. Nous avons vérifié qu’en modifiant l’inductance on pouvait faire passer le débit à 20 mA. Bien sûr une telle modification ne vaut que si la cellule phototovoltaïque est suffisamment puissante pour que l’énergie emmagasinée permette un éclairage pendant une durée suffisante ; sinon bien sûr en augmentant la puissance de l’éclairage on réduit sa durée ! Il existe d’autres circuits intégrés pour lampes solaires.

La qualité des systèmes de conversion est très différente d’une lampe à l’autre. Au fil du temps la technique semble néanmoins s’améliorer. Nous avons trouvé sur des lampes de milieu de gamme (par exemple marque Solite) un montage en CMS (composants de montage en surface) très bien réalisés. Nous avons examiné une lampe de bonne fabrication qui alimente deux diodes Led ; le convertisseur est précisément réglé pour les alimenter à 40 milliampères ce qui est le maximum qu’elles peuvent absorber donc il les utilise au mieux. Par contre dans d’autres lampes bas de gamme (il s’agit de lots « promotionnels » de dix lampes) le convertisseur cumule les problèmes : mauvais rendement, inférieur à 50 pour cent et alimentation de la Led avec seulement quelques millliampères. ; on ne peut pas dire de telles lampes qu’elles éclairent le sol ; tout juste voit-on que quelque chose est allumé en passant dans le noir !
Enfin dans les derniers modèles que nous avons observés le courant en sortie du convertisseur qui est séquentiel est redressé et filtré ; il s’en suivra une meilleure durée de vie de la Led et une diminution de la pollution électromagnétique car le dispositif oscillateur fonctionne comme un émetteur de radio à une fréquence de un mégaherz environ et peu de soins ont été pris généralement pour limiter le rayonnement électromagnétique. Il a été créé récemment de nouveaux circuits intégrés, les PR4401, PR4402, PR4403 ; ce dernier est spécialement prévu pour fonctionner avec une pile de 1,2 volt et une cellule solaire.
On peut le commander sur ce site :
http://www.ak-modul-bus.de/cgi-bin/iboshop.cgi ?showd270 !0,49580526030254,PR4403

et encore trouver sa notice
www.prema.com/pdf/pr4403.pdf
Un schéma a été aussi publié dans le numéro d’Elektor Juillet-août 2008.

Bien entendu ce circuit intégré permet aussi de réaliser facilement une lampe-porte clés à Led alimentée par une pile bouton. Dans ce cas là on n’a pas besoin de la commande extérieure de mise en fonction on peu donc prendre le 4401 ou le 4402 qui sont un peu plus simples (3 pattes seulement)
Quelques tests de lampes solaires :

1er modèle : intensité dans la diode 2 mA Rendement de la Led : environ 40 l/watt
2e modèle : intensité dans la diode 5 mA Rendement de la Led : environ 40 l/watt
3e modèle : intensité dans la diode 5 mA Rendement de la Led : environ 60 l/watt
4e modèle : intensité dans les diodes 50 mA Rendement de la Led : environ 60 l/watt

Conclusions :
Préférer à l’achat les lampes à module solaire de verre plutôt que ceux en résine ; on peut essayer de réutiliser des batteries de remplacement (récupération) au Cadmium Nickel qui auront une durée de vie deux fois plus importante que les batteries NI-Mh . Les Lithium-Ion ont elles une durée limité, guère plus de de trois ans et qui court à partir du jour de la fabrication.

Voici donc des exemples permettant de se familiariser avec des techniques déjà applicables et même prometteuses pour peu que la technique continue encore d’évoluer.

Pour me contacter : rameljl(a)free.fr remplacer le (a) par arobase