BILAN DU PROJET INNOVANT DANS LE DEVELOPPEMENT DURABLE : Comment exploiter la dilatation d'un gaz ou d'un métal afn d'exercer une force?

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1 BILAN DU PROJET INNOVANT DANS LE DEVELOPPEMENT DURABLE : Comment exploiter la dilatation d'un gaz ou d'un métal afn d'exercer une force? 1

2 SOMMAIRE Introduction p.3 I] La dilatation p.4 I.1] La dilatation des gaz I.2] La dilatation d'un métal I.3] La dilatation d'un liquide p.4 p.5 p.6 II] Qu'est-ce qu'un gaz parfait? p.8 III] Déplacement d'un panneau photovoltaïque en exploitant la dilatation d'un gaz ou d'un métal p.9 III.1] Objectif III.2] Le panneau photovoltaïque III.3] Orientation p.9 p.9 III.3.1] Solution 1:grâce à la dilatation d'un gaz III.3.1] Solution 2:grâce à la dilatation d'un bi-métal p.9 p.14 Equipe pédagogique p.17 Conclusion p.18 2

3 Introduction : En 2012/2014 nous avons réalisé, dans le cadre d'un projet de fin d'étude STS Electrotechnique, un tracker solaire. C'est un dispositif constitué d'un ensemble de plusieurs panneaux photovoltaïques qui suit la course du soleil à l'aide de deux vérins électriques. Un vérin permet aux panneaux de suivre l'azimut du soleil et l'autre vérin de suivre la hauteur du soleil. En suivant la course du soleil, les panneaux photovoltaïques transforme le rayonnement solaire maximal reçu en électricité qui sera stockée dans des batteries. Le pilotage des vérins est réalisé par un programme logiciel. Notre projet actuellement est d'optimisé le système énergétique. Nous nous posé la question de savoir s'il existe un dispositif permettant de suivre le soleil et ne necessitant pas l'apport d'une énergie extérieure. Dans notre cahier des charges, nous souhaitons réaliser un vérin solaire qui produirait une force sous l'action de la chaleur produite par le rayonnement solaire. Pour exercer une force sur le panneau photovoltaïque, nous retenons deux solutions innovantes, écologiques et qui contribuent au développement durable. La solution 1:dilatation d'un bi-métal La solution 2 : dilatation d'un gaz Nos travaux fait également l'objet d'un TPE (1 S-SVT) et d'un TIPE (CPGE PSI) dans la thématique de mesure et grandeur s intitulant «L utilisation de la dilatation d un gaz ou d un métal pour produire une force». Nous allons étudier le comportement des gaz et des métaux, leurs propriétés et comment ceux-ci pourront être exploités. Cette étude amène à des expériences qui confirmeront certaines lois. Nos expériences et connaissances acquises au cour de ces recherches nous aiderons à la compréhension et à la réalisation de notre projet. Ce projet d'innovation scientifique consiste à exploiter la dilatation afin de pouvoir modifier l inclinaison d un panneau photovoltaïque en fonction de la position du soleil grâce a son rayonnement et chaleur diffusées. Nous allons pour cela dans un premier temps traiter la dilatation du métal, puis dans un second temps la dilatation des gaz et enfin nous ferons une présentation de notre partie expérimentale qui aboutit à notre projet. 3

4 I] La dilatation La dilatation est l'augmentation du volume d'un corps sous l'influence de température. Cela s'explique par l'augmentation de l'agitation thermique des particules qui constituent le corps. La dilatation peut se faire sous les trois états existants de la matière : gazeux, liquide et solide. I.1] La dilatation des gaz Pour les gaz les trois paramètres, soit le volume, la pression et la température sont liés. Une variation du volume par exemple entraîne nécessairement une variation de la pression et de la température. Nous pouvons distinguer deux types de variation : à pression constante Lorsque la pression est constante, c'est à dire à pression atmosphérique par exemple qui est de 1013 hpa, une augmentation de la température entraînera une augmentation du volume du gaz. Sous l'effet de la chaleur, l'agitation moléculaire va entraîner l'augmentation du volume de gaz. à volume constant Lorsque le volume reste constant, le fait d'augmenter sa température entraînera forcément une augmentation de la pression due au nombre de choc des particules sur la paroi du contenant. Ces affirmations ont été obtenues lors d'expérimentations sur un dispositif mettant en évidence la loi des gaz parfaits. 4

5 Dispositif pour l'étude des gaz parfaits Nos mesures sont Nos mesures sont traitées dans un tableur ( REGRESSI ). La modélisation permet de conclure que la pression du gaz est inversement proportionnelle à son volume à température constante (loi Boyle et Marriote). Pression (HPA) en fonction de la diminution de volume en cm 3 de 60 à 30 cm3 I.2] La dilatation du métal La dilatation du métal se traduit par l'augmentation de son volume sous l'effet de la chaleur. La dilatation est fonction de la composition du métal. 5

6 Si on s'intérêsse à la dilation dans une seule direction on parle d'allongement. L L T0 T1 L'allongement ΔL d'un métal de longueur L, sous l'effet d'une élèvation de température ΔT =T1-T0, est donnée par la relation suivante : Δ L=α Δ T L Avec : Longueur caractéristique L en (mm) Allongement ΔL en (mm) Coefficient de dilatation thermique α en K-1 Le bilame est formé de deux métaux ou d'alliage, de coefficients de dilatation différents, soudés par laminage à froid pour former une bande bimétallique. Lorsque la température s élève, la bande se courbe du côté où le coefficient de dilatation est le plus faible. Nous utiliserons le bilame en bande et à ressort pour générer une force sous l'effet de la chaleur. I.3] La dilatation d'un liquide Le thermomètre utilise le principe de la dilatation thermique d'un fluide pour indiquer la température. Il est composé d'un réservoir à liquide et d'une colonne graduée. Lorsque la température s'éleve, le liquide contenu dans le réservoir du thermomètre se dilate et monte dans la colonne graduée au-dessus du réservoir. Au contraire, lorsque la température diminue, le liquide se contracte et descend dans la 6

7 colonne. On utilise généralement de l'alcool coloré en rouge qui a la propriété de se solidifier à très basses températures. Sous l'effet de la chaleur, l'augmentation de volume V = V1-V0 d'un liquide est donnée par la relation suivante : V1-V0 = V0*α*T Avec : V0 est le volume initial (m 3) V1 est le volume final (m3) T : la température ( K) α : coefficient de dilatation à pression constante ( K -1) Les liquides se dilatent environ 20 fois plus qu'un solide. Le mercure, qui est un métal, a un coefficient de dilatation environ 5 fois plus faible que celui de la majorité des liquides. Nous avons mis en évidence expérimentalement la dilatation de l'eau. Le dispositif est le suivant : Nous disposons un ballon a fond plat avec un bouchon disposant d'un trou permettant de faire passer un tube cylindrique en verre. Le ballon, contenant de l'eau coloré, est placé dans un bain marie. La température est consignée en fonction de la montée du niveau de l'eau colorée dans le tube. On repère le volume initial. Pour une élèvation de température de 26 C, le liquide monte de 7,5 cm dans le tube qui fait 0,5 cm de diamètre. Ce qui correspond à 1,47 cm³ équivaut à 1,50ml. A g. le dispositif expérimental - A d. Sous l'effet de la chaleur (bain marie), le volume de l'eau augmente. 7

8 II] Qu est-ce qu un gaz parfait? Sur le plan macroscopique, on appelle gaz parfait tout gaz vérifiant simultanément : La loi de Boyle-Mariotte: pv=cte A température constante, le produit de la pression p par le volume V est considéré comme constant lorsque la pression est faible Loi d'avogadro : tous les gaz parfaits ont le même volume moléculaire dans les mêmes conditions de pression et de température. Loi de Gay-Lussac :V=kT A pression constante, le volume est directement proportionnel à la température ; Loi de Charles : P=k'T A volume constant, la pression est proportionnelle à la température ; Loi de Dalton : la pression totale exercée par un mélange de gaz est égale à la somme des pressions que chaque gaz exercerait s'il était seul. Nous allons, dans notre expérimentation, utiliser le gaz que nous allons utilisé sera l'air que nous considérons comme un gaz parfait. Loi générale des gaz parfaits : PV =nrt avec : n: nombre de mole (mol) P : pression du gaz (Pa) V : volume du gaz (m3) T : température du gaz ( K) R : 8, J K-1 mol-1 constante des gaz parfait 8

9 III] Déplacement d'un panneau photovoltaïque en exploitant la dilatation d'un gaz ou d'un métal III.1] Objectif On prévoit ici un dispositif totalement autonome énergétiquement et avoir un rendement plus rentable au niveau de la production. III.2] Le panneau photovoltaïque Les panneaux solaires photovoltaïques ou photoélectriques, transforment le rayonnement solaire en électricité. Ils sont constitués d'un assemblage de cellules photovoltaïques, chacune d'elles délivrant une tension de 0.5V à 0.6V. Elles sont donc assemblées pour créer des modules photovoltaïques de tension normalisée (5V). Si nous souhaitons capter le maximum d'énergie par rayonnement, le panneau doit être perpendiculaire au rayonnement reçu. Il faut mettre en oeuvre un dispositif robuste qui suiverait la course du soleil. III.3] Orientation du panneau III.3.1] Solution 1 : Grâce à la dilatation d'un gaz Comme nous l'avons pu voir dans la partie précédent, sous l'effet de chaleur, et à volume constante, plus la température du gaz augmente, plus sa pression augmente. Notre premier dispositif : Un erlenmeyer avec un bouchon à 2 orifices. Le premier orifice va servir à introduire une sonde de température et l'autre à relier via un tuyau à une seringue ou à un capteur de pression (photo cicontre). En laboratoire, le rayonnement solaire est remplacé par une lampe halogène de 600 w equipée d'un réflecteur parabolique. Cette lampe, alimentée à l'aide d'un alternostat permet de faire varier le rayonnement solaire de 0 à 1000 W/m 2. 9

10 Un solarimètre permet de faire des mesures de rayonnement solaire (W/m 2) qui arrive sur l'erlenmeyer. Nous avons constaté que l'air emprisonné dans l' erlenmeyer, donc à volume constant, monte en température et en pression. Si ce volume de gaz est relié à une seringue le piston se déplacera. Evaluons la pression exercée par l'air lorsque la température augmente. PV La loi des gaz parfaits dit que constante. T Considérons deux états de l'air contenu dans l'erlenmeyer. A l'état 0, le gaz a une température T 0, une pression P0 et un volume V0. A l'état 1, le gaz a une température T 1 > T0, une pression P1 > P0 et un volume V1 = V0 P 0 V 0 P 1 V 1 = D'après la loi des gaz parfaits : (équation 1) T0 T1 P0 P 1 T P = P 1= 1 0 (équation 2) et à volume constant : T0 T1 T0 Quelle pression faut-il pour que le piston de la seringue déplace un panneau de masse m? F0 Masse m Surface utile S mg F1 Dans le référentiel du laboratoire, considéré comme galiléen, nous pouvons 10

11 écrire qu'à l'équilibre la somme vectorielle des forces appliquées sur le piston est nulle soit : F 1+ F 0+m g = 0 (équation 3) F 1= S P1 et F 0= S P 0 (équation 4) S P 1 S P 0 m g=0 (équation 5) P 1=P 0+ m g (équation 6) S D'après l'équation 2, nous déduisons la température T 1 : T 1 P 0 m g =P 0+ T0 S T 1= (équation 7) T0 m g ( P 0+ ) (équation 8) P0 S Application numérique : Le panneau pèse 100 g, section du piston est de 1,5 cm et l'air est à 298 K. P 1 P 0= T 1= =5659 Pa π ( )=315 K Essais : Le test simple a permis de mettre en évidence des fuites d'air au niveau du bouchon, au niveau de la seringue utilisée et des raccords. Pour résoudre le problème d'étanchéité, nous avons commandé un kit pneumatique contenant des vérins pneumatiques à deux entrées (photos cicontre). Grâce à ce kit, nous avons pu réfléchir à divers montages possibles. 11

12 Esquisses proposés Nous optons pour la solution d'utiliser des vérins double effets. Orientation azimutale EST Orientation azimutale zénith 12

13 Orientation azimutal OUEST Conception assistée par ordinateur Prototypage 13

14 Test en laboratoire du Prototype avec 2 vérins pneumatiques à 2 entrées Des problèmes de fuites de gaz nous a ralentis dans le projet. Nous n'avons pas pu mettre en oeuvre le compresseur solaire néamoins en laboratoire nous avons montré la faisabilité d'un tel dispositif. Le projet se poursuit, des améliorations sont à prévoir pour une optimisation de la pression exercée par les vérins. Vidéo : C Genial Lycée VERIN SOLAIRE III.3.2] solution 2 : Grâce à la dilatation d'un bi-métal La dilatation du métal permet de générer une force que nous allons maintenant exploiter. Nous utilisons des ressorts et des lames bimétalliques afin d'orienter le panneau la direction du soleil. Les caractéristiques du bi-métal ne nous a pas été fourni, nous procèderons expérimentalement pour évaluer le coefficient de dilatation. Notre dispositif est constitué de deux, trois ou quatre ressorts en parallèle pour augmenter le moment de la force générée. Une extrémité de chaque ressort est soudée sur une tige de cuivre elle même fixée sur une plaque de cuivre. L'autre extrémité de chaque ressort est reliée par une tige cuivre. Sur celle-ci, nous soudons perpendiculairement une tige de cuivre qui servira de bras de levier (voir esquisse ci-contre). Afin de capter le maximum de rayonnement solaire, nous recouvrons la plaque de cuivre d'une peinture 14

15 noire résistante à la chaleur. Pour suivre la course azimutale du soleil, nous décidons de réaliser le prototype esquissé cicontre. Les extrémités des deux tiges qui servent de bras de levier glissent dans un guide fixé sous le panneau. Plusieurs solutions techniques sont envisagées pour que le panneau suit la course du soleil. Finalement les tiges seront croisées pour répondre au cahier des charges. Sur la page suivante, la conception du système grâce à un logiciel de DAO. Bien évidement, nous avons travaillé sur une orientation azimutale de la course du soleil de l'est vers l'ouest en passant par le point le plus haut dans le ciel le zénith. 15

16 Conception assistée par ordinateur du tracker solaire écolo Orientation azimutale ZENITH, EST et OUEST Des tests en laboratoire ont permis de mettre en évidence la rotation de la tige en fonction de la température. Mais la mise en oeuvre pour orienter le panneau reste délicate! 16

17 Nous allons améliorer ce système en traitant les points suivants : Le capteur doit être isolé thermiquement (caisson isolant, vitrage sur la face avant avec une fente pour ne pas géner le déplacement de la tige Améliorer le mécanisme d'orientation du panneau (axe, articulations et frottements) Rendre le système précis, le système doit suivre la course du soleil avec une bonne précision et une meilleur stabilité. Vidéo : C Genial Lycée 2015 Tracker Solaire Ecolo Equipe de projet : De gauche à droite : Ethève Johny (professeur de sciences physiques chimiques et applications), Daniel Akbaraly (1 S-SVT), Caroline Cola (1 S-SVT), JF Manicom Ramsamy (professeur de sciences physiques chimiques et applications et responsable du projet) 17

18 Conclusion Notre travail a été valorisé dans le cadre d'un TPE. Nous avons pris conscience du potentiel solaire de notre Île. Ce projet est un retour aux sources. Sur des principes simples nous avons réalisé des systèmes robustes, peu couteux et autonomes en énergie. Notre projet a eu un écho très favorable dans notre entourage ce qui nous a motivés. Tous les ans, des projets dans le developpement durable sont réalisés dans notre lycée. A ce titre, le lycée va concourir pour otenir le label Développement Durable lancé par la Région REUNION. Nous sommes heureux d'avoir pu contribuer. 18