Concours EUCYS Version française. Rispal Samuel et Michel Cebrian (Lycée jean Monnet (74) FRANCE)

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1 Concours EUCYS 2008 Version française Rispal Samuel et Michel Cebrian (Lycée jean Monnet (74) FRANCE) 0

2 I) Introduction et évolution du projet.p.2 II) Présentation du prototype..p.3 1) Présentation des axes p.3 2) Présentation des modes de fonctionnement. p.3 a) Mode par suivi théorique..p.3 b) Mode capteur. p.4 c) Cycle de départ p.4 d) Mode normal du prototype.p.4 3) Présentation électronique.p.5 a) Carte d alimentation p.5 b) Carte capteur. p.6 c) Carte de réglage de la date...p.6 d) Carte du microcontrôleur..p6 4) Présentation des pièces usinées..p.7 a) Présentation du support de capteur.p.7 b) Présentation du support de panneau solaire..p.7 III) Bilan énergétique. P.8 1) Energie consommée..p.8 2) Energie produite..p.8 IV) Applications, sources et remerciements P.9 1) Applications.p.9 2) Sources.p.9 3) Remerciements..p.10 1

3 Nous avons commencé notre projet, il y a deux ans comme sujet de TPE : Notre objectif était de réaliser un prototype qui permettrait à un panneau solaire de suivre le soleil afin d augmenter le rendement. Durant l année de première, nous avons passé la plus grande partie de notre temps à chercher comment mécaniquement on pouvait suivre le soleil : Pour cela, nous avons élaboré plusieurs maquettes dont voici des exemples (voir p.1 Evolution de la maquette) Nous avons réussi à réaliser cette dernière maquette en Mai D un point de vue électronique, nous n arrivions pas à suivre le soleil, nous avions juste câblé une platine avec un automate qui faisait bouger les moteurs. Nous avions aussi commencé à réfléchir à un moyen de suivre le soleil, mais nous n avons pas eu le temps de concrétiser. Cette année, nous avons poursuivi notre projet pour les PPE et les olympiades de physique : Nous voulions réussir à faire une maquette qui fonctionne : pour les olympiades de physique, en discutant avec nos professeurs de physique, il nous a semblé judicieux de suivre le soleil grâce à des capteurs. Nous avions abandonné cette idée l année précédente car ceuxci n étaient pas d une grande fiabilité, mais dans un concours de physique, cette expérience pouvait effectivement être très intéressante. Durant le premier trimestre 2007, nous avons du alors énormément travailler afin de faire marcher un système de capteurs pour le mois de décembre : Nous avons dû changer d automate, réaliser une carte électronique pour transformer les informations analogiques des capteurs en valeurs logiques, nous avons testé les moteurs pas à pas et usiné des supports pour nos capteurs. Ce travail nous a permis de présenter une maquette qui suivait un projecteur et nous a valu un premier prix aux Olympiades Nationales de physique (voir p.1 Maquette des olympiades de physique). Pour celles-ci, nous avions réalisé un bilan énergétique : Nous nous sommes alors aperçus que ce dernier était négatif : l automate consommait beaucoup trop. Nous avons alors en avril 2008 revu toute la partie électronique pour remplacer l automate par un micro contrôleur qui consomme environ 20 fois moins. Nous avons aussi essayé de faire fonctionner tout le système sur la base de 12V puis, nous avons élaboré un support adaptable à différentes tailles de panneaux solaires. Nous avons, maintenant, une maquette qui fonctionne. Dans les pages suivantes, vous en trouverez la présentation. 2

4 1) Présentation des axes Notre système comporte deux axes : -Nous suivons dans un premier temps, le soleil avec un axe journalier (Durant la journée, le soleil réalise une parabole au dessus de la terre, de l est vers l ouest). Pour suivre cette trajectoire, le moteur va accomplir chaque jour une rotation de maximum 180 et va revenir à sa position initiale pendant la nuit. (Voir p.2 Présentation du premier axe) - l hyperbole va varier lentement (le soleil va monter ou descendre dans le ciel au cours des mois) : par conséquent, nous avons installé un système de pantographe qui permet d incliner plus ou moins le panneau suivant les saisons. Ce déplacement est relativement faible, il suffirait de faire tourner le second moteur une fois par semaine environ. (Voir p.2 Présentation du second axe) 2) Présentation des différents modes de fonctionnement a) Mode par suivi théorique Dans ce mode, en sachant l heure, nous allons suivre le soleil, en supposant connaître sa position. Pour cela, nous programmons les deux axes séparément : -L axe est-ouest : * Il effectue presque un demi-tour chaque jour et revient à sa place initiale pendant la nuit. *Le matin, il part de la position «Est maximum»et chaque heure, il réalise 15. Le soir, il s arrête quand la luminosité devient insuffisante. -L axe nord-sud : * Il se déplace une fois par semaine : Chaque dimanche soir à 18h, il doit effectuer un tour pour compenser le décalage de la déclinaison solaire. Ce mode est relativement simple mais peu précis. Les modèles existants suivent le soleil de manière théorique, mais avec des moyens plus sophistiqués comme le GPS 3

5 b) Mode capteur Le principe de ce mode est simple, mais sa réalisation a été assez complexe : Nous avons placé une photorésistance de chaque coté du panneau à même hauteur. Le microcontrôleur, en fonction des résistances des nos deux capteurs va tenter de les égaliser, de manière à rentrer dans un seuil où le panneau est bien placé. Nous vous présentons dans le dossier illustration le programme en C que nous utilisons comme démonstration (Voir p.2 Présentation du programme du mode capteur). Ce système fonctionne très bien dans la mesure où la luminosité du soleil est perceptible : même avec une couche de nuages, le panneau arrive à s orienter. Mais si le ciel est trop noir ou qu il y a du brouillard, il est désorienté et peut partir dans tous les sens. c) Cycle de départ Ceci est la procédure que le panneau suivrait lors qu il est allumé pour la première fois : *Grâce à une carte comprenant un petit écran, l utilisateur peut régler la date : Grâce à une entrée analogique, le microcontrôleur la connait et, en déduit le nombre de tour à effectuer avec le moteur de l axe du pantographe. Ainsi, il arrive à positionner cet axe. *Ensuite, grâce au système de capteur, le panneau se positionne face au soleil. Avec un capteur de position (qui serait un potentiomètre), le microcontrôleur reçoit une seconde information analogique qui va lui permettre de déduire l heure par rapport à la position du panneau solaire (qui découle de la position du soleil). Le microcontrôleur à alors une heure H 0 qui va lui servir d heure de départ. *A partir de cet instant, le microcontrôleur connait toutes les informations dont il a besoins pour fonctionner (l heure, la date, et sa position à un instant donné). Il peut alors commencé à fonctionner de manière normale (que nous allons expliciter dans le point suivant.) d) Mode normal du prototype Ce mode serait le mode utilisé dans une utilisation industrielle du prototype. Il résulte de la combinaison entre les trois modes précédents : le démarrage serait assuré avec le cycle de départ présenté ci dessus, puis, il suffirait alors, de mixer les deux modes. Pour cela, nous allons utiliser un «gros capteur d intensité lumineuse» : le panneau luimême. En fonction de cette dernière, la tension émise par le panneau est variable. De plus, l intensité lumineuse va dépendre de la météo : si une épaisse couche de nuages cache le soleil, le gain énergétique du panneau va être beaucoup plus faible qu un jour de beau temps (certes avec les saisons, il devient assez complexe de réaliser des seuils fixes, ceci restant néanmoins réalisable : Cela aura pour conséquences qu en hiver, le soleil aura moins besoin d être voilé pour passer en mode théorique). 4

6 Nous fixons un seuil : En dessous de celui- ci, nous supposons que la luminosité solaire est trop faible et nous réalisons notre suivi grâce à l horloge. Au dessus de ce seuil, les capteurs entrent en jeu. Pour le soir, il suffit d attendre que la valeur de l intensité lumineuse soit suffisamment faible et qu une heure définie soit dépassée (afin d être sûr que c est la nuit et non un nuage). Quant au matin, il est nécessaire aussi d attendre une certaine heure et d avoir le seuil minimal de luminosité. 3) Présentation électronique Comment arrivons-nous à gérer cela? Nous utilisons plusieurs cartes électroniques que nous allons vous présenter. a) Carte d alimentation Cette carte permet de fournir les différentes tensions nécessaires à notre maquette. Elle est composée de 3 montages différents : * Régulateur 5V : Afin d alimenter tout l électronique de notre système, nous utilisons du 5V que nous obtenons à l aide d un régulateur 5V, petit composant très simple de fonctionnement. (Voir p.3 Photo du régulateur 5V) * Alimentation symétrique : Ce 5V est en partie tout de suite retransformé : Afin d alimenter des amplificateurs opérationnels, nous réalisons le montage suivant pour obtenir du -2.5V et +2.5V : Ce montage crée une masse entre le 0V et le 5V afin d obtenir l alimentation recherchée. (Voir p.3 Schéma de l alimentation symétrique) *Onduleur : En suivant ce schéma (Voir p.3 Schéma de l onduleur), nous avons cherché à obtenir une tension à relativement sinusoïdale : ceci permettait après, à l aide de transformateurs d obtenir n importe quelle tension. Or, nous avions besoin de 24V alternatif pour alimenter les moteurs et de 230V alternatif comme sortie pour l utilisateur afin qu il puisse se servir du rendement de son panneau pour son installation ménagère. (Voir p.3 Photo transformateur) 5

7 b) Carte Capteur Cette carte sert à convertir les informations analogiques délivrées par les ponts diviseurs de tension des photorésistances en informations logiques lisibles par le microcontrôleur. Afin de l expliquer, nous vous invitons à regarder la photo explicative.(voir p.4 schéma expliqué de la carte capteur) c) Carte de réglage de date Cette carte est l un des derniers rajouts au projet : grâce à trois digits, l utilisateur peut régler la date en délivrant une donnée analogique (potentiellement inutilisable étant donné que le microcontrôleur que nous avons pu obtenir, n accepte que des entrées logiques). Les deux circuits imprimés fonctionnent ensemble, l un convertit l information donnée par le potentiomètre (une tension variable entre 0 et 100mV), l autre la reconvertit pour qu elle s affiche sur l écran Son utilité est expliquée dans les modes de fonctionnement. (Voir p.4 Schéma de la carte de réglage de date). d) Carte du microcontrôleur Afin de vous présenter cette carte, nous avons réalisé une photo permettant de voir ses différentes parties (Voir p.5 Photo de la carte microcontrôleur) : -Le PIC avec son quartz : Le PIC est le composant dans lequel nous allons envoyer un programme afin que, en fonction des informations qu il reçoit en entrée, il puisse commander les sorties. Le quartz sert uniquement à pouvoir créer des temporisations. -Les entrées : Ce sont simplement des petits connecteurs reliés aux pattes du PIC par lesquels on fait arriver des signaux 5V ou 0V -Les sorties : Elles ont été câblées avec un petit montage simple : Le PIC envoie un signal 5V de très faible puissance : ce dernier ne peut pas activer un relais (car les bobines des relais fonctionnent en 12V), c est pour cela, que le signal arrive sur la base d un transistor qui va laisser le courant 12V passer dans la bobine quand la sortie est activée. Cela va enclencher ou non le contacteur du relais sur lequel est câblé le moteur. (Voir p.5 Schéma des sorties) -Le commutateur on/off et le potentiomètre : Ils permettent d activer la carte de réglage de date et de régler cette dernière. 6

8 4) Présentation des pièces usinées a) Présentation du support de capteur Les capteurs utilisés sont des Photorésistantes, il s agit de composants électroniques fragile, réactifs et sensibles à la lumière, que se soit celle d une lampe, du soleil ou de la réflexion des objets. Donc, pour optimiser l utilisation d un tel composant, nous avons crée les supports de capteur (Voir p.5 Photo du support de capteur): Il s agit d une sorte de boîte dans lequel est installé le capteur de cette façon (Voir p.5 Vue en coupe du support de capteur). Les rayons du soleil arrivant par «le haut» vont réfléchir sur le miroir placé en dessous pour ensuite éclairer le capteur. Nous avons décidé de le placer ainsi car nous nous sommes rendu comptes que les différences de résistances étaient plus importantes quand le capteur se trouvé dans l obscurité. Nous utilisons donc l ombre du support de panneau solaire de telle manière que quand le panneau est orienté, il s agit du seul moment ou le panneau est orienté. C est pourquoi nous avons installé les supports de capteur ainsi (Voir p.6 Positionnement du support de capteur): Et donc quand le panneau n est pas orienté, il y a un capteur qui se retrouve «éclairé» et l autre qui reste à l ombre.(voir p.6 Capteur mal éclairé) Cela nous offre donc une différence de tension suffisamment importante pour pouvoir rectifier l orientation. Voici une expérience que nous avons réalisée, nous avons effectué un mouvement Est-ouest et fait passer une tension de 5 volts dans les capteurs (Voir p.6 graphique de l expérience avec les capteurs). Ce support de capteur nous l avons pensé, conçu et crée en salle de productique de notre lycée. Cependant, nous ne sommes arrivés directement à ce support exactement, nous avons d abord imaginé plusieurs prototypes pour enfin garder le meilleur. Voici un de ces prototypes (Voir p.6 Premier prototype du support de capteur) b) Présentation du support de panneau solaire Lors de la conception de notre projet, nous nous ne sommes pas seulement intéressés à réaliser notre fonction principale mais également à adapter et améliorer notre système afin de le rendre plus polyvalent. Le support de panneau à été crée afin de pouvoir installer des panneaux solaires de dimensions différentes à notre système. 7

9 Il est formé d une sorte de croix sur laquelle il y a un système de rails afin de pouvoir faire glisser des mobiles qui viendront fixer par serrage le panneau (Voir p.7 Mise en plan du support de panneau). Il est pourvu de quatre mobiles qui permettent de fixer le panneau (Voir P.7 Mise en plan du des mobiles du support). 1) Energie consommé Suite à nos différents essais, nous avons réalisé des bilans énergétiques en cherchant à être le plus fiable possible. Dans le tableau suivant, il est possible de comparer nos deux derniers essais : l automate avec un moteur pas à pas et le PIC avec un moteur à courant continu : On peut observer une différence importante (Voir p.8 Bilan energetique de l energie consommé). 2) Energie produite En utilisant les résultats d une étude réalisée par la Centrale Solaire de Genève ( nous avons pu retrouver que le rendement de l énergie réelle par rapport à l énergie en fonctionnement optimal est de 11% pour un panneau solaire fixe dans la région de Genève. En comparant deux études (une de l INES et l autre d une société espagnole), nous avons pu trouver que le gain d énergie d un panneau orienté par rapport à un panneau fixe est de 30 à 40%. D après ces informations, nous pouvons calculer l énergie réelle produite par notre panneau et par un panneau de taille supérieure pendant une journée moyenne : puissance de crête du panneau Energie de crête W/h Energie moyenne (11%) pour un panneau fixe en W/h Energie en W/h pour un panneau orienté (gain de 40%) , ,75 19,25 8

10 1) Applications Après avoir réalisé une bonne partie du projet, nous avons pensé qu il serait intéressant de voir si ce que nous faisions avait déjà été réalisé et si oui, quels avaient été les moyens utilisés. Nous avons alors découvert qu en Allemagne, à Freiburg, des traqueurs solaires avaient été installés (Voir p.9 traqueur solaire) : Des surfaces de 100 m² de panneaux solaires, montés sur des rails (sur un système à deux axes comme nous), suivent le soleil : Nous avons vu que des champs entiers de ces traqueurs ont été mis en place (Voir p.9 Champ de traqueurs solaires). Nous avons aussi découvert qu ils n utilisent pas des capteurs ou des temporisations comme nous le faisons, mais un système supérieur : le GPS. Avec ces mêmes traqueurs, une petite installation assez amusante a été réalisée : Une série de scooters électriques sont mis en location : ces scooters fonctionnent avec un système de batterie qui se recharge au traqueur service : Un traqueur a été installé au milieu de la ville pour recharger ces scooters (Voir p.9 Traqueur service). Nous nous sommes interrogés sur l utilité pratique de notre système de capteurs. Nous sommes arrivés à la conclusion que ce système pourrait être intéressant à installer sur des engins mobiles comme des campings cars, des bateaux, voire même des satellites. 2) Sources Tout au long de la recherche pour notre projet, nous avons utilisés des informations tirées de recherches autres que la nôtre. Il nous semble important d énoncer les sources de ces informations si précieuses à la réalisation du projet. Les informations concernant la production moyenne d un panneau fixe nous ont été fournies par les données de production d un champ de panneaux solaires se trouvant sur Genève : Celles du gain énergétique d un panneau solaire orienté par rapport à un panneau fixe nous ont été données par une étude de l INES espagnol (muchas gracias para esta información tan importante. Les informations concernant l astronomie nous ont été fournies par le site suivant, cependant il n est plus actif actuellement : Bien entendu, de nombreuses informations sont tirées directement de notre cours de Sciences de l ingénieur, et, en ce qui concerne les composants, nous avons utilisé les datasheets correspondant. 9

11 3) Remerciements Un remerciement particulier aux professeurs de mécanique pour leur aide et leur patience pour l'usinage des pièces de notre système. Merci donc à messieurs Dabeesing et Detraz! Un remerciement aussi à nos dessinatrices, Elody et Agathe! Un autre à Mr Cebrian qui nous a fourni une partie du matériel! Enfin, nous adressons un remerciement à Messieurs Massou et Chaffard qui nous ont assistés durant toute la durée des Olympiades de physique où nous avons pu obtenir un premier prix. Et un petit remerciement à Mme Vittet pour nous avoir accompagnés lors du concours C.Genial!! 10

12 I) Introduction et Evolution du projet Evolution de la maquette Maquette des olympiades de physique + 1

13 II) Présentation du prototype 1) Présentation du système d axes Présentation du premier axe Présentation du second axe 2) Présentation des différents modes de fonctionnement Présentation du programme du mode capteur 3) Présentation électronique 2

14 Photo du régulateur 5V Schéma de l alimentation symétrique Schéma de l onduleur Photo transformateur 3

15 schéma expliqué de la carte capteur Schéma de la carte de réglage de date 4

16 Photo de la carte microcontrôleur Schéma des sorties 4) Présentation des pièces usinés Photo du support de capteur Vue en coupe du support de capteur 5

17 Positionnement du support de capteur Capteur mal éclairé graphique de l expérience avec les capteurs Premier prototype du support de capteur 6

18 Mise en plan du support de panneau III) Bilan energetique Mise en plan du des mobiles du support 7

19 Composants du système utilisant de l'énergie Puissance consommée (en W) Energie pour une journée moyenne (en Wh) Automate 4,6 1, Carte PIC 0,24 2,9 Carte Capteur 0,6 5 Carte écran 1,44 négligeable Moteur pas à pas +régulateur 13,6 3,4 Moteur continu Moteur à courant continue (axe2) Total avec automate et moteur pas à pas Total avec PIC et moteur continu 1 4, ,24 128,4 4,28 9 Bilan energetique de l energie consommé 8

20 IV) Application, sources et remerciements Traqueurs solaires Champ de traqueurs solaires Traqueur service 9