L' astrophoto en nomade

Suite à notre participation aux 26e Rencontres Astronomiques du Printemps, notre principal regret a été de ne pas avoir prévu notre propre autonomie en énergie.  Quelle solution mettre en oeuvre pour assurer le fonctionnement de notre matériel Astrophoto pour la durée de la manifestation.  On s'est posé la question, et c'est la raison d'être de ce dossier... 

Départ du club LEA pour les RAP2024

Préambule: Quelques rappels sur les batteries...

- La tension d'une batterie est exprimée en Volts (6,12, 24Volts). En pratique, quand on la mesure, elle diffère en fonction de l'état de charge, et en fonction du débit de celle-ci. La tension "à vide" est différente de la tension en charge, car cette dernière est réduite de chute de tension provoquée par la résistance interne de la batterie (U'=U-rI ou U' est la tension en charge, U la tension à vide, r la résistance interne, et I le courant débité)

- La capacité d'une batterie est exprimée en Ah (Ampères Heures): Une batterie capable de débiter 10A pendant 5 heures a une capacité de 50Ah. Il en va de meme pour une batterie capable de débiter 1A pendant 50h.

- L'énergie stockée exprimée en Wh (Watts heures) est le produit de la capacité par la tension E(Wh)=C(Ah)xU(V); Une batterie 12V de 50Ah peut ainsi stocker 600Wh, ce qui ne veut pas dire qu'elle pourra les restituer intégralement..

Votre serviteur aux RAP2024

Pour en savoir plus: je vous conseille vivement cet article dont est extrait le tableau ci-dessous

1.Les batteries au plomb 

Si utiliser une batterie d'automobile dite "batterie de démarrage"  est la première idée qui vient (pour des raisons de cout), ce n'est assurément pas la meilleure. Pourquoi ? 

Parce que ces batteries sont concues pour fournir une très forte intensité pendant un très court laps de temps, mais sont très peu performantes quand il s'agit de founir quelques ampères pendant des heures. Qui a essayé d'alimenter son matériel sur la batterie de sa voiture, sait qu'on ne peut récupérer qu'un faible pourcentage de l'énergie théorique stockée et qu'on risque de ne pouvoir démarrer le véhicule au petit matin. En fait si on respecte les préconisations constructeur on ne devrait jamais descendre sous une tension en charge de 12.2V, ce qui correcpond à +/- 50% de la capacité de la batterie  

Une solution un peu meilleure consiste à utiliser des batteries dites "semi traction" ou "à décharge lente" qui sont aussi des batteries au plomb, mais mieux adaptées à nos usages.

https://www.yuasa.fr/informations/technique/comprendre-les-batteries-dalimentation/

2.Test d'une batterie "semi traction"

Il s'agit d'une batterie de 50Ah:12V,  agée de 5ans ayant subi une trentaine de cycles (charge/décharge). Sa tension "à vide" en fin de charge  est de 13.1V. Elle m'a rendu de nombreux services à l'époque ou mon matériel était moins gourmand en énergie. 

Pour ces éssais elle est branchée à un convertisseur 12V-DC/230V-AC 50Hz "modified sinewave"  de 140W.

Avec une ampoule 220V "fluo-compacte" de 23W le débit mesuré est de 1.9A sous 12.6V en début de décharge (A noter que le rendement du convertisseur est conforme aux attentes, de l'ordre de 95%).

Dans ces conditions, la tension limite de 12.2V en charge est atteinte au bout d'une heure et l'indication de décharge 50% au bout de 3h40 ce qui indique que la batterie n'est plus en mesure de répondre aux exigences de mon setup actuel... Elle est juste bonne pour un recyclage en déchetterie !

Si les batteries au plomb sont peu chères à l'achat, elles ont outre leur poids, l'inconvénient de très mal supporter les décharges profondes, provoquant leur vieillissement accéléré.   

Après 3h40 @1.9A on a consommé environ 7Ah. Le convertisseur décroche à 11V après 6h45
soit une capacité max utilisable de 12.8Ah. La batterie est bonne pour la déchetterie !

Note sur les convertisseurs "modified sinewave" L'utilisation de ces convertisseurs ne pose aucun problème si on n'utilise que des alimentations à découpage (alim PC, chargeurs USB, petites alim 12V, par ex).. En revanche ils sont à proscrire pour les alimentations linéaires (comportant un transfo 220V/BT qui sont de plus en plus rares, il est vrai !). 

3. Les batteries Li-Ion

Les batteries lithium-Ion sont celles qui offrent la meilleure densité énergétique. Toutefois leur cout reste élevé, ce qui limite leur usage aux petites capacités. On les trouve entre autres dans nos ordinateurs et téléphones portables, dans les applications de mobilité électrique, mais aussi dans les applications aéronautiques et spatiales ou la densité énergétique (Wh/kg) est un critère prépondérant.

Si il est en théorie possible de fabriquer une batterie Li-Ion de grande capacité en assemblant des cellules de base  de 3.7V type 18/650 par exemple, il faut savoir que l'opération n'est pas aussi simple qu'il pourrait paraitre. Ces cellules sont potentiellement dangereuses (inflamabiité/explosion), comme l'ont montré les déboires connus par la marque Samsung avec ses téléphones Galaxy Note 7   

Si on est motivé, et bricoleur on peut néanmoins se lancer dans l'aventure. Il existe de nombreux tutos, un apercu des difficultés et dangers est palpable dans cette video.

  

Si le poids est un critère prépondérant (par ex. nomadisme pédestre), on peut envisager, sans aller jusqu'à construire son pack, utiliser une batterie Li-Ion pour velo à assistance électrique (VAE), Scooter, Outillage electo portatif;;;.; Elles sont disponibles dans différentes capacités, mais sous des tensions qui sont en général supérieures à 12V (24, 36, 48, 60V), ce qui n'est pas un problème avec un convertisseur adapté. Leur utilisation reste toutefois cantonné à du matériel léger (APN, monture de voyage, tablette, smrt-télescope)

4. Test d'une batterie LiFePo4

Les batteries lithium fer phosphate (LifePo4) sont des batteries de technologie récente, totalement étanches qui offrent des performances nettement supérieures aux batteries plomb. Meme si elles sont intinsèquement moins performantes que les Li-Ion en termes de densité énergétique ( rapport poids/ capacité) elles sont en revanche bien plus sures et durables (4000 cycles contre 600 pour les Li-Ion).Comparées aux batteries plomb, les batteries LifePo4 sont plus légères et réalisent jusqu’à 4000 cycles à 100% de profondeur de décharge (9.5V), là où les batteries au plomb offrent en moyenne entre 300 et 800 cycles de charge et décharge à 50% (voire bcp moins si je regarde les performances de ma batterie semi-traction agée de 5 ans). C'est dans l'état actuel de la technologie, de loin la meilleure solution pour nos applications, d'autant plus que leur prix d'achat ne cesse de baisser (environ 150euros pour 630Wh au moment ou j'écris ces lignes).

Commandée via Amazon, la batterie Power Queen a été recue en 4 jours dans ma boite à lettres, très bien emballée et accompagnée d'une documentation très somplète Allemand/Anglais, Comparée à ma batterie Semi-traction, elle est compacte et légère, et se charge en seulement 5h avec un chargeur 10A, un bonheur...

La tension  délivrée par une batterie LiFePo4 est compatible 
avec le matériel astro sur la quasi totalité de sa capacité.

Les premiers essais de charge et décharge montrent que les performances annoncées sont bien au rendez-vous. Avec une tension de fin de charge de 13.41V (à vide), une décharge de 10h sous 3.2A a montré une utilisation de 60% de la capacité de la batterie (tension finale 13.1V). On avait au moins 6h d'autonomie restante. Cependant il faudra vérifier, car le SOC (state of charge) d'une batterie LIFePo4 est difficile à déterminer avec précision du fait de la faible variation de tension au cours de la décharge. .

Ce petit instrument que j'ai collé sur ma batterie coute une dizaine d'euros. 
Il donne tension, SOC et température; 

Décharge mesurée de la PowerQueen 12V 50Ah

Bellatek est le SOC reporté par l'instrument. Faux à ce stade mais doit pouvoir etre calibré.

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5. Les power packs

- Il existe désormais toute une gamma de produits censés répondre à nos envies de nomadisme. Ils se partagent entre la technologie LI-Ion (pour les plus faibles capacités) et LiFePo4, Attention à la capacité énergétique, ils sont souvent incapables d'assurer plus d'une nuit d'autonomie., en tous cas si on utilise, un ordinateur, une caméra refroidie et une grosse monture autoguidée. Ce n'est bien sur pas une nécéssité absolue, on peut aussi faire d'excellents clichés avec un APN, une monture de voyage et un simple séquenceur, le tout est d'etre cohérent entre la consommation du matériel, l'énergie embarquée et la durée de la session... T(h)= E(Wh) / P(W)

 

Quelques produits du catalogue Amazon

Il faut bien sur regarder la capacité de stockage en énergie (Wh) et diviser par la puissance nécessaire, pour obtenir l'autonomie en heures...

On en vient au point crucial: Quelle est la puissance requise par mon matériel ?

6. Consommation du matériel d'astrophoto

On va parler ici d'un setup astrophoto constitué 

- d'une monture équatoriale de type EQ5 ou 6, ou d'une monture harmonique de type AM3/5  bref de qqchose qui reste transportable /installable par un seul homme.

- D'un ordinateur portable ou d'un systéme informatique de type mini-PC, raspberry, ou ASIAIR

- D'une caméra imageuse refroidie

- D'un système d'autoguidage comportant une caméra non refroidie (sur lunette guide ou DO)

- De dispositifs anti-buée

- D'un dispositif de stockage d'énergie (Batterie, power pack )

Concernant la consommation du matériel, ne vous fiez pas aux notices, mesurez ! 

Insérez un ampèremétre (ou une pince ampèremétrique, si vous avez) au niveau du fusible général, et mesurez ce que débite réellement la batterie quand vous.faites fonctionner le matériel... 

 

Mon setup:

- Tout le matériel, sauf la monture est alimenté en 220V-AC via un petit convertisseur DC12/AC220

- L'ordinateur (Lenovo Yoga520), batterie interne chargée à 100%, connecté à un disque dur externe SSD de 1To,  est alimenté par son alim secteur 20V 2.25A Ecran à 50% de luminosité, mode avion (le Wifi est assez gourmand !). Il est connecté à une caméra Uranus Cpro refroidie à -10C (alim 12V 5A) ainsi qu'à une caméra guide monochrome non refroidie (nina/phd2). En mode capture de darks, l'ensemble consomme 2.1A sous 12V (mesuré à l'entrée du convertisseur DC/AC). A noter que la consommation.des caméras CMOS en Mode Ciel Profond est négligable sur la consommation totale de l'informatique, seul le refroidissement de la caméra imageuse a un impact sensible. Il en va differement en mode planétaire (capture à haute vitesse) ou la consommation de la caméra grimpe sensiblement.

- Le bandeau anti-buée (alimenté via un chargeur USB 220/5V)  consomme 0.5A  sous12V(6W). Si on en a plusieurs c'est un poste de consommation non négligeable. Il faudra limiter leur puissance au minimum requis, en fonction des conditions. 

- La monture AZEQ5GT en mode tracking sidéral alimentée directement sous 12V-DC consomme 0.85A (1.2A en mode pointage) 

Consommation sans la monture (ordi+cam@-10C+bandeau anti-buée)
l'ampèremètre est inséré en sortie de la batterie (à la place du fusible)

Ce qui nous donne 3A(*) entre le PC les cams et la monture (on pourrait réduire un peu la consommation en ne refroidissant la caméra qu'à 0C, tout en gardant le bénefice de ne pas avoir à faire ses darks sur le terrain). 

Ceci-dit il y a moyen d'optimiser, en se passant du convertisseur DC/AC 1) En alimentant le refroidissement de la caméra directement depuis la batterie. 2) En utilisant un chargeur de voiture pour PC-portable . 3) en utilisant des bandes chauffantes 12V;  Mais même avec mon convertisseur DC/AC et le chargeur secteur du PC, la puissance requise par le matériel astro n'est que de 36W.. Ce qui veut dire qu'avec ma batterie LiFePo4 de 630Wh, je peux espérer tenir 630/36=  17h30, soit 3 nuits d'été... On colle au cahier des charges !

(*) 3.5A avec 2 bandes chauffantes à mi puissance..

Dans le cadre des RAP, pour assurer la 3ème nuit on peut aussi envisager de recharger. L'organisation met à disposition un emplacement recharge, d'autant plus facilement accessible qu'avec ses 5kgs la batterie est facilement transportable à la main (il en irait autrement avec 100Ah de batteries au plomb !). On peut aussi envisager de déployer un petit panneau solaire à coté de sa tente.

7. Un mot sur les RAP (Rencontres Astronomiques du Printemps)

C’est un rassemblement de personnes de tous âges et tous horizons s’intéressant à  l’observation du ciel :

Astronomes amateurs et leur famille, astronomes professionnels, vendeurs de matériels d’observations, amoureux du ciel

C’est l’observation du ciel, de jour comme de nuit,  la découverte d’instruments d’observation variés, dont beaucoup ont été réalisés par les Rappeurs

Des conférences sur des thèmes astronomiques , un stage d’initiation à l’observation du ciel, des échanges entre passionnés : échanges de conseils, d’expériences, de matériel.

C’est tous les ans, à la même époque : lors du Week-end de l’Ascension, toujours période de nouvelle lune, idéale pour l’observation nocturne. A Craponne sur Arzon, en Haute Loire, loin des lumières des grandes villes (la Commune de Craponne-sur-Arzon a reçu le Label 2 étoiles au concours des villes et villages étoilés), et à 950 m d’altitude.

4 clichés réalisés pendant les RAP. depuis l'EAP

Ce sont des objets infaisables de la maison du fait de leur déclinaison négative 

et de mon piètre horizon sud.

Les RAP disposent de la possibilité de réserver un emplacement "Astro Photo" (EAP) doté d'une alimentation électrique 220V/150W. Toutefois, cet emplacement n'est pas nécessairement contigu, à  l'emplacement  qui vous est réservé pour votre tente et/ou véhicule. Si vous voulez  vous éviter ne nombreux aller-retour sur le terrain pentu, je ne saurais trop vous recommander d'être autonome en énergie, cela vous permettra de garder votre équipement à proximité de votre véhicule. 

Dossier développé pour le club