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Foire Aux Questions
Pourquoi un panneau solaire courbe/plat?
La voiture de demain?
Pourquoi 3 roues?
Quelle différence avec ma voiture?
Existe-t-il d'autres voitures solaires?
Ca coûte cher ?
Ca pèse lourd?
Quelles vitesses peut-on atteindre ?
Pourquoi utiliser des batteries lithium-polymère?
Mais où est le moteur?
Quelle puissance développe le moteur ?
Quelles batteries utilisez-vous?
Ca fait du bruit ?
Comment avez-vous réalisé la carrosserie ?
Est-elle rechargeable ?
Quelles sont les caractéristiques du moteur?
Et mon installation solaire ?
Utilise-t-elle de l’essence ?
Pourquoi un panneau solaire courbe/plat?
Les prototypes Hélios I, II, et III étaient équipés de panneaux droits, c'est-à-dire non courbés. Cette géométrie était liée à la technologie utilisée, le silicium monocristallin, qui est destinée à une position plane sans quoi son rendement peut diminuer. Une alternative au silicium monocristallin est le silicium amorphe plus flexible mais bien plus cher à rendement égale et plus limité.
Pour Hélios IV, aérodynamisme et performances ont dû trouver un juste milieu. Avec un panneau plat l'aérodynamisme est en effet fortement affecté, à la manière d'une feuille de papier ou des bâches sur les camions. Le compromis a été trouvé avec ce panneau courbé dans une direction et pourtant potentiellement équipé de cellules plates, posées à plat ou très légèrement courbées pour ne rien perdre de leur efficacité.
La voiture de demain?
On ne le dit peut-être pas assez mais la compétition c'est aussi ce qui donne naissance à des embryons d'innovation. Sur ce point les courses de voitures solaires sont à de nombreux égards sources d'idées parce que bien souvent ce sont des équipes jeunes mais aussi par l'essence même des véhicules véritablement uniques. Si chacun aujourd'hui peut rouler pleins phares toute la nuit c'est grâce aux 24 Heures du Mans, et peut-être que demain chacun pourra rouler électrique grâce aux véhicules solaires.
L'objectif d'Hélios en tous cas n'est donc pas de transposer directement le véhicule pour le grand public, le prix est et restera pour le un moment encore trop élevé, mais bien de montrer que le solaire ça marche, sur votre toit, et mieux: un prototype de voiture peut rouler longtemps et vite uniquement avec l'énergie solaire!
Pourquoi 3 roues?
Poser un objet immobile sur un plan revient à lui donner 3 points d'appui non alignés. Pourtant chacun peut le voir, le 4 roues constitue la majorité des voitures du commerce. C'est grâce à leurs suspensions qu'elles évitent au moins au repos ce qu'on appelle l'hyperstatisme qui est à l'origine des tables qui "basculent" sur leurs 4 pieds. Ainsi, des passagers mal placés dans une voiture qui comporterait 3 roues risqueraient de la déséquilibrer.
Comme Hélios, les voitures solaires sont en majorité monoplaces et le pilote constitue une part importante du poids total du véhicule (20 à 35%). Ainsi, bien placé entre les 3 roues, le véhicule est sans aucun problème stabilisé. En plus de cet aspect purement "statique", 3 "points" nécessitent moins de surface d'appui des pneumatiques au sol et donc moins de perte d'énergie par roulement.
Un dernier avantage se situe dans la motorisation, pour beaucoup sous forme de moteur-roue qui n'implique donc aucun élément de transmission (chaîne, courroie, engrenages) supplémentaire qui pourraient diminuer encore le rendement.
Les quelques véhicules solaires équipés de 4 roues n'en sont pas moins originaux par ailleurs, et le choix du 4 roues tient en partie dans la relative réduction de la surface frontale (et donc de la force aérodynamique) puisque les pantalons des roues arrières sont "masqués" par ceux de devant. La course australienne est de plus très rectiligne ce qui explique qu'un différentiel ne soit pas indispensable comme c'est le cas pour les voitures courantes qui absorbent les virages.
Quelle différence avec ma voiture?
Pour concevoir un véhicule solaire, on part d'une feuille blanche et non pas d'un châssis déjà existant. Pourquoi tout ce travail? Et bien parce que si une voiture de course et voiture grand public sont déjà bien différentes, une voiture solaire l'est encore bien plus. Parcourir le plus vite possible une distance de 3000 km avec pour seule énergie le solaire demande à repenser l'automobile de ses dimensions jusqu'à sa direction ou ses suspensions.
Le plus simple serait de partir des points communs. Tous les prototypes Hélios sont dotés de roues directrices avant mais à propulsion électrique arrière. Les 3 premiers sont dotés d'un volant avec direction par crémaillère ou excentriques. Enfin, les pneumatiques sont "tubeless" (sans chambre à air), et les véhicules disposent de suspensions.
Pour le reste, les moteurs électriques hauts rendements souvent spécifiques aux véhicules solaires, le bras oscillant arrière, les suspensions triangulaires, toute une électronique dédiée au moteur et au panneau, des batteries performantes, une carrosserie carbone et Kevlar légère alliée parfois au Nomex, les inserts et éléments tubulaires en aluminium, les pneus uniques, etc... sont autant d'éléments que vous ne trouverez pas sur les voitures "classiques", à part peut-être la carrosserie carbone des véhicules très haut de gamme et les suspensions triangulaires des formules de course.
Existe-t-il d'autres voitures solaires?
Lors du Panasonic World Solar Challenge (WSC) et du North American Solar Challenge (NASC), beaucoup d'équipes, en majorité américaines, concourent.
En France, à part Hélios I et les autres prototypes qui ont suivi depuis 1996, seuls quelques autres équipes sont présentes sur le territoire, certainement trop peu nombreuses. Ce manque d'engouement est probablement à mettre sur le compte du peu de courses sur le territoire français mis à part le rallye Franco-Espagnol Phébus et le Solar-Event en Savoie. Au nombre des équipes françaises, on peut citer la voiture de l'université Jules-Verne d'Amiens, celle du CNRS de Toulouse et celle du CUST de Clermont-Ferrand.
Voici une liste non exhaustive d'autres équipes:
Équipes européennes
Associazione FUTURA (Italie)
Heliodet (Allemagne)
Nuon Solar Team (Pays Bas)
South Bank University (Angleterre)
University of Patras (Grèce)
Équipes canadiennes
Conestoga College
École Polytechnique de Montréal
McGill University
McMaster University
Queen's University
University of Alberta
University of British Columbia
University of Calgary
University of Toronto
University of Waterloo
University of Western Ontario
Power of One
Équipes américaines
Auburn University
California Polytechnic State University - San Luis Obispo
Clarkson University
Columbus State Community College
Drexel University
Florida A&M University
Howard University
Illinois State University
Iowa State University
Kansas State University
Lincoln Land Community College
Los Altos High School/La Puente Valley ROP
Massachusetts Institute of Technology
Mercer University
Michigan Technological University
Middle Tennessee State University
Minnesota State University Mankato / Winona State University
New Mexico Institute of Mining and Technology
Newburgh Free Academy
North Dakota State University
Northern New Mexico Community College
Northwestern University
Ohio State University
Orange County Community College
Prairie View A&M University
Principia College
Purdue University
Rose-Hulman Institute of Technology
South Dakota School of Mines & Technology
Stanford University
Taylor University
Texas A&M University
United States Military Academy
Universidad del Turabo (Puerto Rico)
University of Arizona
University of California Berkeley
University of Colorado-Denver
University of Idaho
University of Kentucky
University of Michigan
University of Minnesota
University of Missouri-Columbia
University of Missouri-Rolla
University of New Orleans
University of North Dakota
University of Oklahoma
University of Pennsylvania
University of Puerto Rico-Mayaguez Campus
University of South Carolina
University of Texas at Austin
University of Virginia
Virginia Western Community College
Western Michigan University
Winston Solar Challenge
Yale University
Équipes australiennes
Aurora Vehicle Association
Kormilda College
South Australian Solar Car Consortium
Southern Cross Catholic College
Sungroper Solar Car Association
University Of New South Wales
Équipes asiatiques
Aoyama Gakuin University (Japon)
Ashiya University (Japon)
Hachinohe Institute of Technology (Japon)
National Taiwan Science Education Center (Taiwan)
Osaka Sangyo University (Japon)
Southern Taiwan University of Technology (Taiwan)
Tokyo Institute of Technology (Japon)
Universiti Teknologi Malaysia (Malaysie)
Ca coûte cher ?
Oui. Tout dépend aussi de ce qu'on compte dans la réalisation du véhicule, qui coûte déjà 100 000 euros Avec les études, les partenariats, le temps consacré par les membres, etc … on atteint environ 300 000 euros. Un prototype performant est à ce prix là !
Ca pèse lourd?
Hélios IV, la plus légère des Hélios ne pèse que 165kg, sans le pilote. Nous avons réussi cela grâce en majorité à l'emploi des matériaux composites, et en particulier le carbone qu'on retrouve sous toutes ses formes. Tissé d'abord pour la carrosserie, et sous forme d'enroulement filamentaire pour le châssis. Ce dernier est en fait un assemblage de quelques tubes en carbone sur lequel sont fixés des manchons qui reprennent différents éléments, comme les triangles de suspension.
Quelles vitesses peut-on atteindre ?
La tension du pack de batteries fixe la vitesse maximale théorique atteignable par le moteur. Nous n'avons pas réalisé la voiture dans cette optique, mais nous avons atteint environ 110 km/h sur la ligne droite du circuit de Darwin en Australie. Plus on roule vite, plus on consomme, et nous n'avons pas roulé à cette vitesse pendant la course, même si les pilotes se sont parfois surpris à rouler à 95km/h. L'équilibre entre apport du panneau solaire et consommation se trouve aux alentours de 65km/h.
Pourquoi utiliser des batteries lithium-polymère?
Cette technologie est celle qui présente les meilleurs rapports de densité énergétique (environ 200Wh/kg) et de densité volumique. On embarque ainsi plus d'énergie tout en limitant le poids du véhicule. Elle présente toutefois une durée de vie relativement courte (500 cycles) mais qui est à relativiser étant donné le côté éphémère de nos prototypes.
Mais où est le moteur?
Le moteur est logé dans la roue. C'est ce qu'on appel un moteur-roue. La technologie utilisée est synchrone à aimants permanents à flux radial: deux couronnes d'aimants sont fixées à la "jante" et tournent selon le flux du stator qui n'est qu'un simple disque bobiné (en fait des cables pris dans de la résine). Il est contrôlé par un variateur et on peut atteindra jusqu'à 97% de rendement.
C'est très souvent la technologie synchrone qui est utilisée, toutefois en 1996 Hélios I était doté d'un moteur asynchrone relativement petit puisqu'il tourné à des fréquences importantes. Il n'était par contre par inclus dans la roue, mais la faisait tourner grâce à une chaine.
Quelle puissance développe le moteur ?
Le moteur est dimensionné pour une puissance maximale d'environ 8kW soit un peu plus de 10 chevaux. En temps normal on utilise le moteur entre 700 et 2000 W soit 1 à 2,5 chevaux environ avec un rendement dépassant les 90%. A titre indicatif une bouilloire consomme environ 1000W. Ces puissances sont bien inférieures aux puissances des véhicules thermiques, et même des véhicules électriques. Le poids réduit et son efficacité aérodynamique font que le prototype Hélios 4 n'a pas besoin de consommer plus.
Quelles batteries utilisez-vous?
Pour rouler, la voiture a parfois besoin d'utiliser l'énergie emmagasinée pendant les périodes de fort ensoleillement, via ses batteries.
Celles-ci sont de typer lithium-polymère, et assez différentes de celles utilisées pour tous les objets et véhicules disposant d'une batterie rechargeable. Le lithium polymère est l'une des technologies les plus performantes, elle permet d'emmagasiner beaucoup plus d'énergie que les batteries au plomb par exemple pour un même poids !
Elles sont cependant plus difficiles à manipuler, à recharger et à décharger, c'est pour cela qu'elles restent surtout utilisées dans les objets de haute technologie.
Ca fait du bruit ?
Les véhicules électriques (ou hybrides avec moteur électrique) sont réputés pour leur silence. Cette réputation est méritée, à tel point qu'il faut parfois ajouter des systèmes de "bruiteur" pour que les piétons fassent attention à eux. Sur Hélios c'est aussi souvent le cas, d’autant plus qu'elle est très basse. Contrairement à ses « cousines » électriques, le moteur d'Hélios est peu isolé puisque directement sur la roue arrière, on peut donc entendre son bruit particulier à l'accélération, bien qu’il soit bien loin du niveau sonore des moteurs thermiques.
Comment avez-vous réalisé la carrosserie ?
La carrosserie des véhicules Hélios est essentiellement constituée de fibres de carbones. Ces fibres sont souples à l'état brut, et doivent être maintenues par de la résine (époxy dans notre cas) avec la forme désirée. La résine est d'ailleurs appelée "matrice", et les fibres sont le "renfort". On utilise la technique du moulage par mise sous vide pour avoir que la fibre de carbone imprégnée de résine prenne la forme du moule. Ces moules sont dits "négatifs" et sont fabriqués de différentes façons. Soit ils ont été usinés (dans du bois par exemple), soit réalisés avec plusieurs plans de coupe sous ordinateurs et retracés sur des couples en bois ou en métal pour former des gabarits. Pour Hélios 1 et 4 on a réalisé un "master", qui est en fait une maquette échelle 1 en mousse renforcée ou en polystyrène, sur laquelle on vient réaliser les moules négatifs en fibre de verre par exemple.
Est-elle rechargeable ?
Parmis les voitures hybrides (moteur thermique + électrique) se développe la technologie dite "Plug-In" qui permet en plus de charger les batteries avec le moteur thermique, de les recharger également sur une prise de courant. Cette opération est très simple, en tous cas elle paraît l'être, mais il faut veiller à charger correctement chacun des nombreux modules du pack de batteries.
Les véhicules solaires n'étant pas destinés à être rechargés pendant les compétitions autrement que par leur panneau solaire, nous n'avons pas développé de branchement simple comme le "Plug-In". Cependant, comme la météo n'est pas toujours au rendez-vous dans les évènements auxquels nous participons, nous rechargeons manuellement chaque module du pack de batteries afin d'assurer, quelque soit la météo, une autonomie suffisante.
Quelles sont les caractéristiques du moteur?
Nous utilisons un moteur synchrone triphasé (à courant alternatif donc) à flux axial.
Thumbnail image
Pourquoi à courant alternatif? Pour éviter les contacts électriques entre le rotor (la partie tournante), ici équipé de plusieurs aimants, et le stator (la partie fixe) équipé du bobinage. Il ne reste plus que les roulements à bille qui crée des pertes, ainsi que l'effet "ventilateur" du rotor.
Animation d'un moteur synchrone à flux radial triphasé. (Copyright Creative Commons Paternité Mtodorov_69)
Pourquoi triphasé? Parce que la somme des puissances absorbées aux trois phases est beaucoup plus constante que dans un moteur monophasé (un peu comme ceux utilisés dans les aspirateurs ou les machines à laver). On voit sur l'animation le champs tournant créé par le 3 bobines alimentées en courant alternatif. Reste que lesbatteries sont en courant continu, ce sera au contrôleur moteur de convertir le courant en alternatif.
Pourquoi synchrone? Les moteurs à courant alternatif sont les plus performants. Deux grandes familles se dessinent alors: les moteurs asynchrones (le rotor est en retard sur la vitesse du flux statorique), et les moteurs synchrones (bobinés ou à aimants). Les moteurs synchrones à aimants ne nécessitent pas d'alimenter le stator, ce qui limite les pertes, et ce sont ceux dont la puissance pour un kg de matière est la plus élevée.
Pourquoi autant d'aimants? Dans un moteur, à fréquence réseau identique (en Europe, 50Hz), plus un moteur a de pôles, plus il tournera lentement. Le moteur créé par le CSIRO est ainsi équipé de 40 pôles, pour avoir une vitesse optimale du véhicule aux alentours de 100km/h. Et si on peut augmenter la fréquence (ce que permet le contrôleur Tritium), on réduira d'autant la taille du stator à puissance égale.
Et mon installation solaire ?
Nous ne pouvons pas ici développer les solutions photovoltaïques pour les installations solaires du particulier ou du professionnel.Vous trouverez toutefois quelques sites vous permettant de réaliser des calculs sur l'ensoleillement dans votre région et le dimensionnement de votre future installation:
Site de l'instalatteur Tecsol (très simple) : http://www.tecsol.fr/spv/pv_reseau.htm
PVGIS, site européen (en anglais) : http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps3/pvest.php
Site de l'INES (calcul de la rentabilité) : http://ines.solaire.free.fr/index.php
Utilise-t-elle de l’essence ?
Non. C'est une voiture complètement électrique et alimentée uniquement par ses cellules photovoltaïques et ses batteries. On peut estimer à environ 90% la part d'énergie provenant du panneau solaire lors du World Solar Challenge. 10% seulement vientn des batteries, elles servent en fait surtout à équilibrer la puissance consommée vis-à-vis des aléas de puissance du panneau (plus de puissance le midi que le matin et le soir).