Vol solaire. Utilisation des cellules solaires

Les cellules solaires sont extrêmement fragiles. Cela vaut aussi bien pour la phase de construction de l'aile solaire que pour le transport ultérieur du modèle et son exploitation en vol. Sur le modèle « EZE Solar Glider 3 » de Serge Encoua (voir MFS n° 4/2018), les disques de silicium, très fragiles, sont bien protégés et intégrés dans l’aile. Les explications qui suivent partent du principe que les cellules solaires sont disposées sur la face supérieure de l’aile, où elles sont exposées au rayonnement solaire direct et refroidies en vol par le vent relatif¹.

Mes premières expériences avec les cellules solaires, réalisées il y a dix ans, ont été décevantes. Bon nombre de ces disques de silicium, d’une épaisseur de seulement 0,3 mm, étaient déjà défectueux lors de la construction de l’aile : manipulation imprudente dans l’atelier, support trop mou lors des travaux de soudure, pression trop forte avec le fer à souder, points de contact en argent brûlés en raison d’une exposition trop longue à la chaleur, cassures lors du collage sur les nervures, etc.

À l’époque, j’avais opté pour le profil à forte portance S4083 (Selig), tel qu’Oskar Czepa l’avait également utilisé pour son « Quäntchen ». Ce profil était certes optimal sur le plan aérodynamique, mais extrêmement complexe sur le plan technique. En utilisant des cordes en bardeaux2, disposées en polygone, j’ai pu contrer la forte courbure dans la partie avant du profil.

Après un atterrissage en campagne de mon « Sunnevogu » dans un champ de maïs lors du rassemblement d’avions de construction amateur à Huttwil (panne du moteur, problème de transmission), les premières cellules ont dû être remplacées – et un tournevis qui m’avait glissé des mains est même tombé sur l’aile. Le matériel de réserve, acheté par mesure de précaution, a donc été rapidement épuisé. Les « Schindelstrings » ainsi que les découpes de cellules à partir de plaquettes de 100 × 100 mm n’étaient entre-temps plus disponibles.

C’est alors qu’est paru l’article sur l’« EZE Solar Glider ». Ce modèle n’utilise ni profil aérodynamique solaire spécifique³ ni profil à forte portance, mais un profil HLG moderne ! Cela m’a motivé à construire une nouvelle aile solaire, mais cette fois-ci, en mieux !

Le profilé AG16 (Mark Drela) utilisé sur l’« EZE Solar Glider 3 » présente une courbure régulière sur une grande partie de sa face supérieure et se prête donc bien à la fixation de cellules solaires de grande surface sur cette face.

Les plaquettes de silicium, d'une épaisseur de 0,25 mm, supportent une légère flexion avant de se briser. Une légère précontrainte mécanique présente même l'avantage de permettre aux cellules solaires de supporter une pression légèrement plus importante sur la surface. Dans ce domaine, on ne peut pas faire l'économie d'essais (et éventuellement de pertes). Des essais de flexion ont montré que l'augmentation de l'épaisseur du profilé de 7,12 % à 8,1 %, souhaitée pour des raisons de conception (ailettes), est tout à fait réalisable.

Le renfort des cellules solaires sur la face inférieure, réalisé à l'aide de papier japonais verni, augmente la résistance à la rupture tout en n'ajoutant qu'un surpoids minime :

Le papier japonais Japico 21 g/m² (avec des découpes au niveau des surfaces à souder), humidifié à l'eau, est collé sur la

face inférieure à l’aide d’Eze-Kote (Deluxe Materials, Royaume-Uni), puis recouvert d’une nouvelle couche de vernis une fois sec. Les découpes au niveau des zones de soudure doivent bien sûr rester exemptes de vernis !

Sous l’effet de la tension exercée par le papier de montage pendant le séchage, la cellule solaire, auparavant plane, se courbe comme souhaité dans la bonne direction.

La directive européenne relative à la réduction des substances dangereuses (RoHS) interdit depuis 2005 à l'industrie électronique d'utiliser des soudures contenant du plomb ; ainsi, les soudures tendres disponibles aujourd'hui dans le domaine des loisirs sont pour la plupart des alliages d'étain sans plomb (1,2).

La « soudure spéciale » contenant de l'argent (2) recommandée par mon fournisseur de cellules solaires présente certes un point de fusion inférieur à la norme industrielle actuelle, mais même avec celle-ci, on finit rapidement par brûler les fins points de contact recouverts d'argent sur les cellules solaires.

Le résultat est meilleur avec l'alliage étain-plomb optimisé pour une température de fusion minimale et contenant 2 % d'argent (3), que j'utilisais déjà il y a dix ans pour les cellules solaires de l'époque. Ces soudures sont toujours disponibles pour des applications spéciales. Je suis convaincu que quelques grammes de cet étain à souder ne compromettent pas les objectifs de la directive RoHS !

Mais le soudage ne devient vraiment une partie de plaisir qu’avec la soudure à basse température composée d’un alliage de bismuth, d’étain et d’argent (4), telle que proposée par Chipquik sous forme de fil à souder de 1 mm d’épaisseur (fournisseur : DigiKey). Ce matériau est très coûteux ; c’est pourquoi il est judicieux de ne l’utiliser que pour souder les points de contact recouverts d’argent.

Le flux contenu au cœur d’un fil à souder sert à assurer une bonne adhérence de l’étain aux surfaces à souder. Pour les surfaces de soudure fines et recouvertes d’argent des cellules solaires, il est toutefois recommandé de procéder à un prétraitement supplémentaire à l’aide d’un crayon à flux. Deux traits vigoureux suffisent pour imprégner la surface de soudure tout en éliminant l'oxyde d'argent. J'ai obtenu de bons résultats de soudure avec les deux marques testées :

Soudure à basse température et bâtons de flux.

Il est impératif d'utiliser un fer à souder électronique à température régulée (par exemple, le Weller WHS 40).

Les connecteurs de cellules solaires sont des conducteurs plats en cuivre étamés qui permettent d'assembler les différentes cellules pour former un module solaire. Grâce à leur forme plate, ils n'exercent que des forces de flexion minimes sur les plaquettes de silicium, qui sont sensibles à la rupture.

Pour la pré-assemblage des bandes conductrices, je me suis fabriqué une pince à couder à partir d’une petite pince plate. J’ai éliminé les éventuelles impuretés et résidus de colle provenant de la pose du renfort en papier à l’aide d’alcool à brûler et de cotons-tiges. Viennent ensuite l’application du flux à l’aide d’un stylo à flux, l’ajout d’une petite quantité d’étain à souder, puis le soudage de l’élément en bande. Pour éviter de se brûler les doigts, il est conseillé d’utiliser une pince à épiler.

La pose des éléments en bande (pôle positif et pôle négatif) des deux côtés avant le montage présente l'avantage d'éviter tout processus de soudure délicat une fois l'élément intégré à l'aile. Il suffit alors de souder les éléments en bande entre eux. Le remplacement d'une cellule cassée devrait également être facile…

pourrait se produire (ce qui, heureusement, ne s'est pas encore produit).

Conformément aux indications de mon fournisseur de cellules solaires, j’ai collé les cellules solaires sur les nervures à l’aide de bandes autocollantes en caoutchouc mousse d’environ 1 mm d’épaisseur (voir Lemo Solar, manuel des cellules solaires). Contrairement aux recommandations, la face exposée au rayonnement n’a toutefois pas reçu de vernis de protection. →

C'est pendant le transport vers l'aérodrome de modélisme que le risque d'endommagement de l'aile solaire est le plus grand. Des coques négatives en polystyrène placées sur les faces supérieure et inférieure des deux moitiés de l'aile, maintenues ensemble par des bandes Velcro, ont fait leurs preuves.

Enfin, la récompense pour toutes ces heures de travail : le

modèle s'élève tranquillement dans les airs après un décollage à la main. La propulsion et l'alimentation RC sont assurées uniquement par le rayonnement solaire sur les ailes ; seul un petit condensateur tampon de 10 F (5 V/env. 3 mAh) destiné au récepteur et aux servomoteurs laisse espérer qu’en cas d’éclipse solaire inattendue, le modèle pourra encore atterrir en toute sécurité.