ARTheque - STEF - ENS Cachan | La voiture solaire, c'est pour demain

Frédéric MARTHALER Ecole d'ingénieurs, Bienne (Suisse)

MOTS-CLEF : VOITURES SOLAIRES - SPIRIT OF BIENNE II - WORLD SOLAR CHAlLENGE - AUSTRALIE - ANTI-POLLUTION

RESUME: Tout le monde est conscient de la nécessité de réduire la pollution et les autres nuisances duesàla circulation automobile. Dans le but de supplanter les carburants fossiles, les chercheurs du solaire ont fait d'énormes progrès grâceàdes courses de véhicules solaires. L'Ecole d'ingénieurs de Bienne (Suisse), qui vient de prendre brillamment la première place dans le "World solar Challenge", en Australie avec son véhicule de compétition, propose la solution des hautes performances à tous les niveaux de la chaîne énergétique.Ontrouvera ici la description de l'engin et la narration de l'épreuve australienne par Kurt Vogel, l'un des pilotes.

SUMMARY : Everybody is nowadays aware of the need to reduce pollution and other nuisances caused by automobile trafflc.Inthe process of replacing fossile fuels, the researchers in solar energy have made a big progress through solar racing. The Engineering College of Bienne (Switzeriand) which has just won the Worid Solar Challenge in Australia with its vehicle proposes the use of high performance problem solutions on alileveis of the energetic chain. Here you will fmd a description of the engine and the narration of the Australian race by Kurt Vogel, one of the drivers.

1. PREMIERS SUCCES

JI y a quelques années encore, le véhicule solaire provoquait juste un petit sourire condescendant. Mais, après le déroulement des deux "Tours de sol", en 1985 et 1986, courses destinées avant toutàdes véhiculesàtraction solaire, l'opinion des observateurs a bien changé. En 1985, le véhicule vainqueur, de la maison Mercedes Benz, a parcouru la distance de Romanshornà

Genève (368 km) en 9 heures et 41 minutes, ce qui représente une vitesse moyenne de 38 km/ho Au départ, il y avait 29 véhicules solaires sans pédales. Au "Tour de Sol 86", le véhicule victorieux de l'Ecole d'ingénieurs de Bienne (vitesse de pointe125km/hi a parcouru la distance de 382 km, laquelle comptait des dénivellations de 1851 mètres à la montée, et de 1683 mètres à la descente, en 7 heures 42 minutes1Cette performance correspondàune vitesse moyenne de 50 km/h environ.(3)

En fait, les vitesses moyennes réalisées durant ces courses helvétiques ne dépendaient guère des capacités techniques des véhicules, mais plutôt des conditions de la circulation sur les routes suisses.

La voilUre "Spirit of Biel-Bienne" (fig. 1)

équipe à cause des coûts prohibitifs. Par la suite, une maison allemande entreprit de fabriquer des capteurs d'un nouveau genre, atteignant un

rendement voisin de 18 % et bien meilleur marché. Mis au point exclusivement pour le Spirit of Bienne II ( voir fig.l), ces générateurs solaires au silicium sont les plus performants jamais construits! En moulant les cellules dans une matière synthétique de haute transparence, renforcée de verre, on a obtenu un générateur d'une épaisseur de seulement 1,3 mm et dont le poids n'excède pas 17 kg pour une surface de près de 8 mètres carres.

Notons que pour utiliser un maximum d'énergie solaire dans la compétition, l'installation d'accumulateurs (malgré l'augmentation de masse du véhicule) était nécessaire. Cette batterie fut

1.1 Capteurs d'énergie solaire pour un véhicule

Dans la catégorie III de "Tour de Sol 86", la surface des cellules photovoltaïques était limitéeà 6 m2 , la puissance de pointe obtenue étant d'environ 120 watts. L'augmentation du rendement du générateur solaire était pennise. Aussi, avait-il été prévu de modifier l'inclinaison des capteurs de 30° d'angle pendant la course grâceàune charnière!

Les cellules au silicium utilisées par notre véhicule en 86 étaient tout à fait ordinaires. Chaque module comportait 18 éléments monocristallins en série. Par une irradiation de 1000 W/m2 ,à 20° C, ces cellules débitaient 2,53 A sous une tension de 8,7 V, soit une puissance de 22 W. Le rendement était donc de 12,7%.(4)

Il existait pourtant déjà, à cette époque, des cellules plus efficaces, mises au point pour la Nasa. Mais elles étaient inaccessibles à notre

constituée de 86 éléments argent-zinc de 1,5 V, montés en série pour obtenir une tension nominale de 129 V, une capacité de 25 Ah et une masse totale de 38 kg!

1.2 Gestion électronique astucieuse

Parmi les éléments nécessaires au bon fonctionnement de cette machine de compétition, deux éléments ont été mis au point par les astucieux spécialistes de l'Ecole d'ingénieurs: le MPT (Maximum Power Tracker) et le Module d'entraînement électronique.

Lepremier est un élévateur de tension non isolé, constitué de 7 convertisseurs, chacun d'une puissance nominale de 220 Watts. Son rendement est de 98,6%à300

e

pleine charge. Son poids est seulement de 0,4 kg. Le second est un onduleur MOS-FETà haut rendement, d'une puissance nominale de 1100Watt. Son rendement peut atteindre 98% et sa masse est de5,1 kg.

1.3 Une solution hybride En associant un moteur ultra-léger, semblable à celui mis au point pour Spirit of Bienne II (4,2 kg) à de simples accumulateurs au plomb et à une carrosserie légère (dont la forme doit être adaptée cette fois aux besoins pratiques et non plus à une épreuve de compétition)ilest possible de construire une

voiture de ville. (fig. 1) La voiture "Spirit of Biel-Bienne"

Un prototype.(Voir fig. 2) est déjà en circulation. Les batteries de ces véhicules seront peut-être rechargées à la maison grâceàdes panneaux solairesàhaut rendement ou dans des stations-services spéciales, délivrant de l'énergie électrique d'oligine renouvelableJ5) Grâce à cette hybridation (séparation des capteurs d'énergie et du véhicule proprement dit), de vraies voiturettes électriques ne tarderont pasà apparaître sur le marché.

2. LA TRAVERSEE D'AUSTRALIE

2.1 Le "World Solar Challenge"

Cette course de véhicules solaires peut êU'e considérée comme la plus dure au monde. L'Ecole d'ingénieurs de Bienne, le seul centre de formation européen comportant un cours d'études de technique automobile, a tenté sa chance et a donc mis au point avec minutie ce véhiculeàtrois roues de presque six mètres de long, avec un profil d'aile d'avion et dont la masse totale, grâce à l'utilisation de Kevlar et de fibre de carbone, n'est que de 175 kg. Testé en soufflerie et sur le

terrain, ce bolide présente un coefficient de pénétration dans l'air (cx) de0,13, résultat jamais atteint jusqu'à ce jour! Déjà lors de la première compétition australienne d'il y a trois ans, le team suisse s'était illustré comme outsider en obtenant, avec "Spirit of Bienne 1" le troisième rang derrière les grands constructeurs GeneraI Motors et Ford,

Cette course de3004,76 kilomètres sur le légendaire Stuart Highway (fig, 3) avait pour but de mettre en évidence le degré de développement des véhicules fonctionnant à l'énergie solaire. "Un rallye" a dit le directeur de la course, Hans Tholstrup, disputé par les équipes de développement les meilleures au niveau mondialJ6)

2.2 Description de l'épreuve sur le terrain

Sur la base du film-vidéo produit par Swatch (qui a été l'un de nos "Sponsors" pour cette dernière Course d'Australie), M. Kurt Vogel a pu retracer les grandes lignes de la compétition elle-même.

- "Swatch" ,commenta-t-il avec humour en montrant sur l'écran le sigle de la célèbre fmne peint sur la carrosserie de notre véhicule, ça ne veut pas dire que les montres suisses vont plus vite que les

autres!

Voici la transcription du papier écrit par notre assistant alémanique:

Cette course a eu lieu leIlnovembre, départ de Darwin dans les "Northon Territories", et menait jusqu'à Adélaïde, quelque 3000 km plus au sud.Ily avait39voitures solaires, provenant de 8 pays différents, surtout des Etats-Unis, du Japon et d'Australie.

Le règlement disait que la voiture devait être propulsée uniquement par des cellules solaires d'une sU/face de8 m2 et avoir une hauteur de 1,3 m. Un

jeu de batteries était aussi accepté, mais on devait les charger uniquement par les cellules solaires de la voiture pendant la course.

Jour après jour, la course commençait à 8 heures du matin et on roulait jusqu'à5heures du soir sans arrêt, sauf une halte de

la

!\j

L ~ ___' nuit et charger les batteries (avec les cellules solaires

(fig. 3) Australie: "StuartHigh Way"

seulement} oufaire un petit service.

A5 heures, ilfallait s'arrêter n'importe où pour passer la nuit. De même que le matin, on avait alors

deux heures à disposition pour mettre la voiture en ordre, charger les batteries, changer les pneus et faire toutes sortes de petits travaux de service nécessaires. Après le coucher du soleil, il fallait mettre la voiture sous abri et un observateur de l'Organisation de la Course surveillait la voiture toute la nuit. Tous les jours ils changeaient l'observateur afin qu'on ne devienne pas trop "amical" avec lui.

Parfois, l'observateur dormait dans la remorque où se trouvait la voiture solaire, afin de s'assurer qu'on Ile "bricole pas autour de la voiture".

L'équipe, elle, s'installait dans un "camp" au milieu de cette grande pleine désertique appelée Outback. Il fallait avoir avec soi tout le matériel nécessaire pour survivre quelque jours dans le grand désert australien.

Le premier jour, la plupart des teams étaient encore assez serrés sur le "highway" mais, déjà dans le courant de l'après-midi, on a pris la tête et... on ne la perdait plus jamais' Chaque jour nous devancionsàpeu près de cent kilomètres le deuxième concurrent, dit "Honda", et à lafin nous avions un jour entier d'avance. Pour nous, c'était évidemment une victoire merveilleuse. Surtout d'avoir battu tous les Américains et les Japonais qui eux-mêmes avaient cru pouvoir gagner ce deuxième "World SalaI' Challenge"! Pour conclure, on peut dire que cette course nous a apporté beaucoup

d'expérience etdesatisfaction.

3. CONCLUSION: y A-T·IL UN AVENIR POUR LA VOITURE ELECTRIQUE? Notre établissement, non content de motiver ses étudiants, ses professeurs et assistants par des aventures inoubliables, a prouvé en s'ouvrant directement vers l'industrie l'existence de solutions à certains problèmes écologiques.(7) Notre équipe de recherche avait d'abord été soutenue financièrement par la Commission fédérale pour la recherche scientifique (KWF). Plus tard une collaboration avec l'entreprise Bucher Leichtbauà Fallanden a vu le jour et s'est fixélebut de réaliser un véhicule électrique pour les besoins quotidiens. Celui-ci devra répondre aux exigences suivantes: place pour deux personnes, coffreàbagages pour trois harasses, autonomie d'environ 100 km, vitesse maximale 80-100 km/h, 50 km/h pour une côte de 10%, consommation réduite d'énergie, services d'entretien restreints, poids minimal et sécmité optimale. Enfin, un contrat a été signé avec la maison SMH, qui prévoit une participation de l'Ecole d'ingénieurs de Bienne au développement du projet "Swatch-Autos".

La construction de véhicules solaires de course, on le voit, n'est donc pas un but en soi pour l'Ecole d'ingénieurs de Bienne. Cependant nos expériences prouvent que la construction de voitures de course et la participationàdes rallyes ont permis d'accomplir de réelles percées technologiques dans des domaines qui paraissaient encore utopiquesily a quelques annéesàpeine!

4. BIBLIOGRAPHIE

(1)COTII (Flavio) et autres, 1991, -LaPollution nous gUEtte.Office fédéral de l'environnement.

(2) HEIMLICHER (Markus), 1981, -Energie solaire et technique. Infosolar, Colombier.

(3) JEANNERET (René), 1989, - Les voitures électriques (Pub!. internes ElB, Bienne)

(4) JEANNERET (René), 1987, -Solarantrieb und Solarauto. oze. Jg. 40 . Heft 1 . Januar 1987.

(Traduction par Marthaler et Reutter en cours d'édition)

(5) SUTER (Peter, Prof.), 1988?, - Energies renouvelables. Entreprises d'éleeuicité, INFEL Zurich. (6) SIDLER (Fredy, Dr), 1990, - Avec High-Tech et l'énergie solaireàtravers le désert.Comité de

Patronage World Solar Challenger, Bienne.