DOSSIER TECHNIQUE. Borne solaire design TPE '' Comment concevoir une borne solaire à l'aide d'une imprimante 3D ''

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1 DOSSIER TECHNIQUE Borne solaire design TPE '' Comment concevoir une borne solaire à l'aide d'une imprimante 3D '' Thème : Modèles et Modélisation Lycée Pablo-Picasso Groupe 4 1 S1 Jordan ROSAS DE ALMEIDA Antoine DURAND Thomas COMES Nicolas GARCIA BSD01 / Dossier technique Page 1 / 21

2 2. Sommaire : 1. Page de couverture... page Le sommaire... page Introduction... page Le principe du photovoltaïque... page Notre projet... page Schéma fonctionnel... page Photos de la borne et ses mesures... page L'imprimante 3D... page Conclusion... page Lexique... page Ressources... page 21. BSD01 / Dossier technique Page 2 / 21

3 3. Introduction : Nous sommes quatre étudiants volontaires de première scientifique du lycée Pablo Picasso, spécialisée dans la section '' Sciences de l'ingénieur ''. Nous avons travaillé depuis le mois d'octobre dans le but de proposer un projet en adéquation avec les thèmes nationaux ( voir au bas de la page ) Nous avons mis au point un projet sur l'écologie, dont le thème était : '' Modèles et modélisation ''. Celui-ci se nomme : Borne solaire design. Par la suite, nous pourrons nous demander : Comment concevoir une borne solaire à l'aide d'une imprimante 3D? Nous étudierons cette problématique selon 4 axes : 1) L'effet photovoltaïque. 2) Les caractéristiques de la borne. 3) Moyen de conception. 4) L'impact écologique. BSD01 / Dossier technique Page 3 / 21

4 4. Le principe du photovoltaïque : Un panneau solaire est un dispositif qui a pour but de produire de l énergie à partir du rayonnement solaire auquel il est exposé. Il existe à l heure actuelle deux types de capteurs solaires, chacun de fonctionnement et de finalité bien différents, malgré une dissociation souvent oubliée. - Les panneaux solaires photovoltaïques, ou modules photovoltaïques, utilisent la lumière pour créer de l électricité. - Les panneaux solaires thermiques, ou capteurs solaires, utilisent directement la chaleur du rayonnement solaire pour produire de l énergie thermique. Tout au long du TPE, nous n'utiliserons pas la partie thermique. Le sigle PV utilisé dans cette partie signifie «photovoltaïque». a) La principe : Lorsqu un matériau est exposé à la lumière du soleil, les atomes exposés au rayonnement sont " bombardés " par les photons constituant la lumière. Sous l action de ce bombardement, les électrons des couches électroniques supérieures (appelés électrons des couches de valence) ont tendance à être "arrachés" : si l électron revient à son état initial, l agitation de l électron se traduit par un échauffement du matériau. L énergie cinétique du photon est transformée en énergie thermique. Par contre, dans les cellules photovoltaïques, une partie des électrons ne revient pas à son état initial. Les électrons " décrochés " créent une tension électrique continue faible. Une partie de l énergie cinétique des photons est ainsi directement transformée en énergie électrique : c est l effet photovoltaïque. Le terme photovoltaïque vient du grec "photos" qui désigne la lumière et de " voltaïque ", mot dérivé du physicien italien Alessandro VOLTA, connu pour ses travaux sur l électricité. Le matériau le plus utilisé de nos jours pour la conception des cellules photovoltaïques est le silicium. Il s agit de l élément le plus répandu sur Terre après l oxygène. Environ 40% des minéraux courants en contiennent. (99% des cellules photovoltaïques (PV) produites en 2001 ont été réalisées à partir de silicium). BSD01 / Dossier technique Page 4 / 21

5 b) Le fonctionnement : L "effet photovoltaïque" est un phénomène physique propre à certains matériaux appelés "semiconducteurs" qui, exposés à la lumière, produisent de l électricité. (voir schéma ci-dessous) Le plus connu d entre eux est le silicium cristallin qui est utilisé aujourd hui par 90% des panneaux produits dans le monde, mais il existe de nombreuses autres technologies déjà industrialisées comme les couches minces ou en phase de recherche. Le principe de l effet photovoltaïque est le suivant : 1. Les photons heurtent la surface du matériau photovoltaïque disposé en cellules ou en couche mince 2. Ils transfèrent leur énergie aux électrons présents dans la matière qui se mettent alors en mouvement dans une direction particulière. 3. Le courant électrique continu qui se crée est alors recueilli par des fils métalliques très fins connectés les uns aux autres et acheminé à la cellule suivante 4. Le courant s additionne en passant d une cellule à l autre jusqu aux bornes de connexion du panneau, et il peut ensuite s additionner à celui des autres panneaux raccordés en "champs" BSD01 / Dossier technique Page 5 / 21

6 5. Notre projet : Afin de s'y retrouver dans cette sous-partie du dossier technique, nous insérons un second sommaire : 1) Présentation de la borne. ( Voir '' Schéma fonctionnel '' pour plus de précisions ) - Pour qui? - Où et Quand? - Comment? 2) Le fonctionnement d'une borne ( Modèle existant ). 3) Le fonctionnement de NOTRE borne. 4) Aperçu du branchement de la cellule aux DEL. BSD01 / Dossier technique Page 6 / 21

7 1) Présentation de la borne : Pour qui : Les utilisateurs Où et Quand : En extérieur (cours, allées) Pour "éclairer" la nuit. Pour délimiter un chemin. Etc... Comment : Elle se charge la journée grâce à la cellule photovoltaïque munie. BSD01 / Dossier technique Page 7 / 21

8 2) Le fonctionnement d'une borne ( modèle existant ) : Panneau solaire : il transforme les photons du soleil en énergie électrique et sert de capteur de luminosité. Circuit électronique : Il gère la charge de la batterie et la détection de la nuit avec le panneau solaire. Batterie : Pile LR6 rechargeable. Lampe : Ensemble de LEDs à haute luminosité. Problèmes constatés : La borne s'éteint avant le lever du jour. Consommation importante de batterie. Lors de certaines saisons, la nuit étant plus longue, la borne peut se retrouvée à court d'énergie pour éclairer l'usager le matin. BSD01 / Dossier technique Page 8 / 21

9 3) Le fonctionnement de NOTRE borne : Cellule : Elle transforme les photons du soleil en énergie électrique. Interrupteur crepusculaire : Il sert à déclencher l'éclairage à la tomber de la nuit et à l'éteindre à l'aube. Piles NiMH : 1,2 volts, AAA. DEL : Deux DEL pour améliorer l'éclairage. BSD01 / Dossier technique Page 9 / 21

10 4) Aperçu du branchement de la cellule aux DEL : BSD01 / Dossier technique Page 10 / 21

11 6. Schéma fonctionnel : Notre borne solaire est composé d'une cellule photovoltaïque permettent de capter l'énergie solaire afin de produire du courant pour alimenter les deux DEL. Celle-ci prends en considération les éléments extérieurs tel que le jour et la nuit. Pour mieux comprendre son fonctionnement, un diagramme fonctionnel est mis à disposition. La bête à corne : BSD01 / Dossier technique Page 11 / 21

12 La pieuvre : BSD01 / Dossier technique Page 12 / 21

13 7. Photos de la borne et ses mesures : Dimension du corps de la borne : Nous avons choisis un carré, plus simple à l'usinage. Il fait 80x80mm. Vue de face : BSD01 / Dossier technique Page 13 / 21

14 7. Photos de la borne et ses mesures : Dimensions de l'emplacement de la pile : En sachant que la pile fait 44,5mm de longueur et 10,5mm de largeur. BSD01 / Dossier technique Page 14 / 21

15 7. Photos de la borne et ses mesures : Vue en 3D du chapeau : Aperçu final : Taille non conforme des yeux et de la bouche : BSD01 / Dossier technique Page 15 /

16 21 7. Photos de la borne et ses mesures : Pièces manquantes : Nous n'avons pas finis entièrement notre projet, un schéma est réalisé des différentes idées non exploitées :

17 BSD01 / Dossier technique Page 16 / L'imprimante 3D : Pour la conception de notre borne solaire design, nous avons décidé de la crée via une '' Imprimante 3D ''. Cela peut paraître bizarre ce nom, mais c'est tout à fait possible, de plus celle-ci a un aspect écologique sur l'environnement. Les imprimantes 3D sont là depuis un moment, mais elles sont généralement utilisées pour créer des prototypes rapidement, donnant aux designers une idée de ce à quoi aura l air le produit final. L'impression 3d, permet de réaliser physiquement des objets crées virtuellement. Par accumulation de couche successive en deux dimensions, l'impression 3d permet d'obtenir des objets totalement fidèles à vos créations tant en terme d'échelle que de couleur ou d'aspect. Du dessin ou de la réalisation en Cao à l'obtention d'un objet réel, il suffit de quelques heures. Rapide, efficaces, peu onéreuses, l'impression 3d est la technologie idéale pour les besoins en prototypage rapide. Impression 3D, la technologie écolo : En effet, l'impression 3d requiert des imprimantes assez importantes (pour les professionnels) et il faut dire que les constructeurs d'imprimantes 3d ne sont pas plus écologiques que n'importe quel autre constructeur de matériels de conception (machine outils, robots...). Les consommables ne sont pas non plus exemptes d'impact écologique. Que ce soit les résines plastiques ou les poudres polymères, les matériaux utilisés ne sont pas plus et pas moins polluants que d autres matériaux classiques équivalents. Le PLA (polyactic acid) est peut être le plus écologique des matières utilisés par l impression 3d. C est ailleurs qu il faut chercher le caractère profondément écologique de l impression 3d. L impression 3d permet de produire localement à l unité ou en petite série toutes sortes de pièces. On économise donc : Le transport, l emballage, le stockage, les déchets de production (les consommables non utilisés sont recyclés) BSD01 / Dossier technique Page 17 / 21

18 8. L'imprimante 3D : Exemple d'une imprimante 3D : La fabrication : BSD01 / Dossier technique Page 18 / 21

19 9. Conclusion : Au final : Au cours de ce TPE, nous avons appris que le photovoltaïque est un domaine complexe de part son histoire et son fonctionnement. La conception de la borne a été difficile car nous devions rentrer une multitude de composants dans un espace réduit. Cette borne a un intérêt écologique car elle utilise une énergie gratuite, non polluante et présente en grande quantitée. During the TPE, we learned that photovoltaic is a complex area for her history and her working. The design of the borne has been difficult because we had to take in a multitude of components in a small space. This borne have an ecological interest because it uses an energy-free, non-polluting and present in large quantities. BSD01 / Dossier technique Page 19 / 21

20 10. Lexique : - Photons : Le photon est la particule qui compose les ondes electromagnétiques, des ondes radio aux rayon gammeen passant par la lumière visible. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d un point de vue quantique comme un échange de photons. - Silicium cristallin : Son espérance de vie est à peu près de trente ans. Le rendement était de l'ordre de 10 % à la création de cette source d énergie. On obtient désormais des rendements atteignant plus de 20 % pour certaines technologies. Le silicium cristallin se divise lui-même en trois catégories : - Prototype : Un prototype désigne le premier, ou l'un des premiers exemplaires d'un produit industriel (voiture, avion ). Cet exemplaire permet de faire des tests afin de valider les choix de conception de l'ensemble. Le prototype précède les exemplaires de pré-série. - Bête à corne : C'est un diagramme qui s'explique en 3 fonctions : A qui le produit rend-il service? Sur quoi le produit agit-il? Dans quel but? - Pieuvre : Le diagramme des interactions, ou le diagramme pieuvre est une représentation permettant de mettre en évidence et de recenser les différentes interactions entre le système et son environnement. - Légende : Parties du sommaire : Sous-parties : Mots importants, développement, présentation : BSD01 / Dossier technique Page 20 / 21

21 11. Ressources : Sources Internet : (l'énergie solaire) (fonctionnement du photovoltaïque) (imprimante 3D) (vidéos) (dossier technique) Notre propre site web, réalisé par Nicolas ( facultatif ) BSD01 / Dossier technique Page 21 / 21