stockage et alimentation

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1 Energie solaire stockage et alimentation Présenté par : Lucile Rutkowski Adnan Javaid Matthieu Guillet Lycée de la Côtière -1-

2 ALIMENTER ET STOCKER DE L'ENERGIE A L'AIDE D'UNE ENERGIE PROPRE : L'ENERGIE SOLAIRE I Introduction A/ Le groupe B/ Le sujet II Comportement d'un panneau solaire A/ Le panneau solaire, un ensemble de cellule photovoltaïque B/ La conversion de l'énergie lumineuse en énergie électrique C/ Mise en évidence du fonctionnement du panneau solaire D/ Caractéristiques des panneaux solaires utilisés III Mise en Oeuvre d'un Panneau solaire A/ Le montage mis en place B/ Fonctionnement du Régulateur de Tension C/ Conclusion IV - Etude de la charge d'un accumulateur Ni-Mh A/ Le montage B/ Le LM317, Régulateur de courant V Contrôle du courant de charge VI- Contrôle du niveau de charge A/ Première solution : montage a l'aide d'un comparateur simple B/ Modification du montage : Comparateur à hystérésis C/ Montage Final VII Projet avec la société SORHODEL A/ Présentation de la balise B/ Vérification des performances du circuit à la balise VIII Conclusion A/ bilan B/ Remerciements - 2 -

3 I Introduction A/ Le groupe Nous sommes trois élèves Lucile Rutkowski, Matthieu Guillet, et Adnan Javaid du Lycée de la Côtière de LA BOISSE, tous trois issus de l option SI proposée en classe de première et terminale S. Nous avons commencé ce projet en TPE et poursuivi ce travail en dehors de nos heures de cours en terminale Lors de la première année, nous avons commencé à développer le sujet et finaliser cette étude avec une application industrielle en terminale. B/ Le projet C est par le biais de l'option des Sciences de L'ingénieur et à la suite de la proposition de notre professeur de Génie Electrique, M.Lacombe, que nous avons décidé de poursuivre ce projet dans le but d'une présentation au concours national des Olympiades de Physique. Nous avons débuté ce projet en classe de première, et poursuivi celui-ci en début de Terminale. Ce projet est parti d'une idée assez simple : l'utilisation d'une énergie dite «propre», c'est-à-dire une énergie qui ne nuise pas à notre environnement. A ce jour, les énergies «propres» les plus utilisées sont les énergies tirant partie du soleil ou du vent. Après concertation, nous avons pensé qu'il serait plus intéressant de travailler sur l'énergie solaire. Après une étude assez complète des cellules photovoltaïques, donc des panneaux solaires, nous avons établi une première problématique : Pouvoir alimenter une application à l'aide de ce panneau. Or selon les périodes de l'année, les panneaux ont parfois un fonctionnement difficile du fait d un ensoleillement trop faible. En prenant compte de cette remarque, nous avons modifié notre problématique : Augmenter l'autonomie de petits appareils alimentés par une pile appartenant à l'intervalle de tension [0;9V]. L'objectif final est donc d'optimiser la gestion de l'énergie en utilisant l'énergie solaire

4 II Etude d'un photo générateur Contrairement au terme de "panneau solaire" souvent utilisé, l'appellation "générateur photovoltaïque" désigne bien ce dispositif qui permet de produire de l'électricité à partir de la lumière. A/ Le panneau solaire, un ensemble de cellule photovoltaïque Un panneau solaire est formé de plusieurs cellules photovoltaïques mises en série pour obtenir la tension désirée. Chaque cellule produit un courant continu dont la puissance dépend de la surface de la cellule. Une cellule délivre une tension de 0,5 Volt. Les différentes cellules sont montées en série pour former des modules qui délivrent des tensions normalisées Les cellules sont la plupart du temps fabriquées à partir de silicium. On utilise du silicum monocristallin (coûteux mais au rendement plus élevé), du silicum polycristallin (le plus répandu sur la surface de la Terre) ou du silicium amorphe (le moins coûteux mais aussi le moins performant). B/ La conversion de l'énergie lumineuse en énergie électrique La conversion de la lumière en électricité nécessite tout d abord des matériaux semiconducteurs (silicium). Dans ces matériaux, les électrons contenus dans la matière ne peuvent circuler que si on leur fournit une énergie pour les libérer de leurs atomes. Quand la lumière pénètre dans un semi-conducteur, ses photons apportent une énergie permettant aux électrons de se libérer et de se déplacer dans la matière, c est ainsi qu on observe la création d'un courant électrique sous exposition à la lumière. Un photo générateur est en fait une tranche de silicium que l on place entre deux électrodes métalliques (+) et (-) pour collecter le courant produit. C'est en créant une différence de potentiel entre ces deux bornes que l on permet la circulation du courant. C est le «dopage» des parties avant et arrière de la «tranche» de silicium qui va permettre l apparition de cette différence de potentiel. On crée ainsi un champ électrique interne pour entraîner vers le circuit externe les charges électriques libérées sous illumination. ANATOMIE D UN PHOTOGENERATEUR Panneau solaire au silicium cristallin : Le silicium cristallin est en fait du silicium à l état massif qui a une structure ordonnée. Le panneau solaire est alors une plaquette de 0.2mm d épaisseur découpée dans une section de silicium. Ce silicium cristallin peut être, selon la technologie employée, monocristallin ou polycristallin. Lorsqu il est monocristallin, le panneau est composé de photopiles formées d un seul cristal de silicium ordonné. Ce matériaux est fabriqué par la recristallisation à haute température ou en barreaux. Lorsqu il est polycristallin, il est constitué de cristaux de 1mm à 2cm liés entre eux et orientés perpendiculairement à la surface du panneau, ce qui permet de garder un rendement supérieur à 10%. Il a donc un plus faible rendement mais il est aussi moins onéreux. Enfin le silicium utilisé pour les photopiles peut être aussi amorphe, c est-à-dire que les atomes du cristal sont fixés entre eux de manière désordonnée. Le silicium est moins sensible à la température et il a un rendement qui est relativement stable quel que soit la luminosité même s il reste toujours plus faible que celui du silicium polycristallin

5 C/ Mise en évidence du fonctionnement du panneau solaire Pour un éclairement donné, grâce au voltmètre, on mesure la tension Ur et on fait varier la résistance grâce au potentiomètre. On s aperçoit que le panneau solaire se comporte comme un générateur de courant et qu'on a la relation: Ur=R*I. L'intensité est proportionnelle à l'éclairement, cependant chaque panneau solaire à une intensité maximale Imax propre qu'il ne peut dépasser (figure1). D'où les graphiques suivants : Figure 1 Figure 2 De plus, on peut remarquer que le panneau solaire s adapte parfaitement à l application : plus elle a besoin de tension, plus le photo générateur en fourni. Mais, quelque soit l intensité, il existe une tension maximale liée à la capacité du panneau solaire (et donc propre à chacun) telle que, lorsque l application dépasse cette Umax, l intensité diminue rapidement (figure2). En comparant ces deux courbes, on voit clairement l'influence du facteur «Météo» sur le rendement d'un panneau solaire, d'où la modification de notre problématique D/ Caractéristiques des panneaux solaires utilisés Pour notre projet, nous avons utilisé deux panneaux solaires différents dont voici les caractéristiques : - pour les premiers circuits, nous avons utilisé un panneau (de puissance 713 mw) avec une tension nominale de 8,4 V et un courant de 85 ma comme courant nominal. En court-circuit, il peut aller jusqu'à 109 ma. - pour le montage final : nous avons utilisé un panneau (de puissance 686 mw) avec une tension nominale de tension 18V et de courant nominal de 38mA et qui peut aller jusqu à 49mA en court-circuit

6 III Mise en Oeuvre d'un Panneau solaire : Alimenter une application A/ Le montage mis en place Afin de répondre à notre problématique, nous avons développé un premier circuit qui nous permettait d'alimenter des applications de faibles consommations. Nous avons choisi de prendre comme batterie un accumulateur de 9V car cela nous permet de couvrir toutes les tensions comprises dans l intervalle [1 ;9V] donc quelques unes des tensions les plus communes : 1.5V, 3V, 5V. Nous avons choisit d'utiliser une radio portable de 3V consommant 15mA Nous avons tout d abord pensé à utiliser le panneau de 9V car c'était celui le plus proche de la tension de l'accumulateur. Les caractéristiques de ce panneau sont les suivantes : 713mW 8,4V 85mA. Le panneau se comporte comme une source de courant, on place un accumulateur comme source de tension. On remarque lors du fonctionnement de ce circuit que lorsque le panneau fourni trop de courant par rapport à la consommation, il charge l accumulateur, alors que lorsqu'il ne fourni pas assez de courant, c est l accumulateur qui fourni le courant manquant. B/ Fonctionnement du Régulateur de Tension 1- Qu'est qu'un régulateur? Un Régulateur est un composant électronique permettant de régler et de maintenir une tension de sortie indépendante de la tension d'entrée : nous utilisons pour ce faire le composant LM317 Le régulateur de tension (LM317) nous permet de s adapter aux différentes tensions des appareils alimentés entre 9V et 1V. 2- Comment fonctionne un régulateur de tension? Le LM317, à l aide d'un pont diviseur de tension, fixe la valeur de la sortie Vs. Dans notre - 6 -

7 montage, on peut remarquer que le régulateur est ajustable grâce au potentiomètre R2. La tension de sortie Vs est relativement indépendante de la tension d'entrée puisqu on utilise une tension de référence interne (1,25V) au composant. En appliquant un pont diviseur de tension on obtient la relation suivante : Vs = Vref (1+R2/R1) On nous donne dans la documentation du LM317 la valeur de Vref, 1,25 V. R2 étant un potentiomètre, nous pouvons produire en sortie plusieurs tensions différentes sans changer de circuit. C/ Conclusion Le principe semble donc fonctionner : le panneau et l accumulateur se complétent. Cependant le panneau peut charger l accumulateur lorsqu il fourni trop de courant, ce qui signifie que lorsque il n y a pas d application qui consomme mais qu il y a de la lumière, le panneau charge uniquement l accumulateur. Or, cet accumulateur 9V ne peut être chargé indéfiniment sans être endommagé. Il faut donc pouvoir contrôler la charge de cet accumulateur, c est-à-dire contrôler le courant de charge ainsi que la tension aux bornes de l accumulateur. IV - Etude de la charge d'un accumulateur Ni-Mh Un accumulateur Ni-Mh est un accumulateur au Nickel-Metal Hydride. Caractéristique de charge d'un tel accumulateur : Nous remarquons sur cette courbe qu'en fin de charge, on a une augmentation rapide de la tension qui va nous servir à détecter la fin de la charge (5): c'est en effet à ce moment que nous devrions l interrompre. Lors de la décharge, la tension aux bornes de l accumulateur suit la même courbe en sens inverse, et on remarque en (3) que la tension chute brusquement : c'est à ce moment que nous devrions commencer à recharger pour des conditions de charge optimales

8 Enfin, après la charge à un courant (1), demeure un courant de maintient de charge pour que l accumulateur reste chargé. La tension de charge maximale de l'accumulateur vu en (5) est de 9.5V. Celle de décharge maximum tolérée est de 7.3V avant que la tension ne chute. V Contrôle du courant de charge A/ Le montage L accumulateur 9V Ni-Mh ne doit pas être chargé à un courant instable comme est celui issu du panneau solaire. Il convient donc d introduire dans le montage de régulation de charge, un régulateur de courant, le même composant LM-317.Nous avons ajouté une diode (anti-retour) afin d éviter la décharge de l accumulateur dans le circuit lorsque le panneau ne génère aucun courant : Accu B/ le LM317, Régulateur de courant Ce composant permet de maintenir un courant stable et constant en sortie. Le LM317 est suivit d'une résistance, R1 dans le montage, lorsqu'il est utilisé en tant que régulateur de courant. On a la relation suivante : o o Iout=Vref/R1=1,25/R1 Iout = courant de sortie du circuit de contrôle du courant Vréf = tension de référence interne du circuit LM317. Rq : pour que le régulateur fonctionne, il faut qu'il y ait une différence de potentiel de 2,5V entre l'entrée et la sortie du composant, ce qui nous impose l'utilisation du panneau de 18 V. La tension de sortie est celle de l'accu 9V. VI- Contrôle du niveau de charge A/ Première solution : montage à l'aide d'un comparateur simple Tout d abord, nous avons contrôlé la tension aux bornes de l accumulateur avec un amplificateur opérationnel (AOP) utilisé en tant que comparateur simple. L idée était de fixer un seuil tel que si la tension de l accumulateur lui était supérieure, le circuit était coupé et ne chargeait plus, et si la tension de l accumulateur devenait inférieure à ce seuil, le panneau pouvait le recharger

9 La tension-seuil de référence est obtenue grâce à l ensemble {diode zéner Dz+résistance R2} et lorsque la tension de l accumulateur devient plus grande que celle de référence, la sortie de l AOP passe à 0V, ce qui ouvre le transistor MOSN qui va lui même bloquer le transistor MOSP. Ce transistor coupe alors le circuit de charge. Zener Led de charge Vaccu/2 Cependant, ce type de comparateur générait un problème : lorsque la tension aux bornes de l accumulateur devenait assez proche ou égale à celle de référence, le comparateur ne sortait pas un réel 0V mais une tension proche de 1V. Ce 1V ne suffisait pas à faire basculer le premier transistor (MOS N) puisqu il faut pour bloquer ce type de transistor une tension inférieure à 1V. Le transistor ne s ouvrait donc pas ou ne cessait de passer d un état à l autre (figure 3). Pour régler ce problème, nous avons tout d abord pensé à diminuer la tension de sortie suffisamment pour que le transistor voit une tension d entrée assez faible pour le bloquer (même si l AOP avait comme tension de sortie 1V). C est pourquoi nous avons placé une diode en sortie de l AOP en série avec une résistance pour créer une chute de tension d'environ 0,6V: Cette solution convenait, mais il restait un problème : lorsque l'accu était chargé le comparateur coupait la charge mais aussitôt la tension aux bornes de l'accu chute et redescend en dessous du seuil de référence et la charge recommence. On avait un phénomène d'instabilité; - 9 -

10 B/ Modification du montage : Comparateur à hystérésis Vaccu/2 Pour remédier à ce problème de manière plus complète, nous avons décidé de transformer le comparateur simple en comparateur à hystérésis, c est-à-dire d imposer deux seuils de référence au lieu d un : un pour la charge maximale et un pour la décharge minimale. Vréf 2 Vréf 1 Grâce aux deux ensembles {P1+Dz1} et {P2+Dz2}, on fixe deux tensions de référence différentes et indépendantes l une de l autre. Les diodes zéner Dz1 et Dz2 servent à régler les niveaux des seuils. Les diodes servent à sélectionner le seuil suivant l état de la sortie de l AOP: haut ou bas. L ensemble du montage est alimenté par l accumulateur ce qui permet d avoir un circuit de contrôle toujours actif, même si la luminosité est insuffisante pour que le panneau soit en mesure d alimenter un tel circuit. Les deux tensions de référence sont fixées avec la caractéristique de charge de l'étude de l'accumulateur. D où la fonction de transfert du comparateur à hystérésis : Nous avons déterminé : - Vref1= 3,6 V - Vref2= 4,75 V Rq : La tension de l'accu ramenée à l'ampli est divisée par 2 par un pont diviseur. Car si les seuils "Vréf" sont trop proches de la tension d'alimentation de l'ampli la commutation de l'aop n'est pas franche

11 C/ Montage Final Apres avoir apporté les modifications, au circuit précédent, on obtient le montage suivant Ce montage associé à la radio portable est correctement dimensionné car le panneau par temps ensoleillé peut fournir le courant de charge à l'accu de 10mA et en même temps celui de la radio de 15mA. Le panneau solaire est capable de fournir jusqu'à 30mA. A/ Présentation de la balise VII Projet avec la société SORHODEL L'entreprise SORHODEL basée a St-Maurice de Beynost est spécialisée en Téléconduite et en détection de défauts (surintensité et chute de tension) sur les lignes moyenne tension. A la suite de la présentation de notre projet à cette société, elle nous a proposé d'adapter notre système à un produit concret utilisé par celle-ci pour la détection de défauts, c'est-à-dire utiliser un photogénérateur sur une balise de signalisation. La balise de signalisation consomme 3,5 milli ampère de façon continue et 0,4 ampère pendant 60 ms toutes les 3 secondes, on peut tracer le chronogramme suivant I_led (A) 400 ma 3,5 ma temps 3s 60ms B/Vérification des performances de notre circuit associé à la balise Nous avons essayé de déterminer les énergies mises en jeu :

12 Caractéristiques de la balise : Ib = f(t) 376 ma 3s 60 ms 3,5 ma Ib=376mA pendant 60ms Après avoir relevé le courant de la balise avant le régulateur pendant un clignotement, nous avons pu mesurer les valeurs suivantes : Ib(veille) = 3,5 ma Ib(clignotement) = 376 ma Ib(moy) = /3 * ( ) = ma Eb = 9 * *1= mw.s énergie de la balise consommée en 1s Caractéristiques de l accumulateur Q = 250 mah (capacité) Vaccu = 9V Eaccu = Q*Vaccu * 3600 = 8100 W.s (énergie totale stockée dans l accu)

13 Caractéristiques du panneau solaire Ipmax = 35 ma Vp = 18V Sp = m² (surface physique du panneau solaire) R = 0.2 (rendement de 20 %) Les relevés effectués par météo France nous ont permis de connaître les valeurs moyennes de la puissance solaire en été (Pe) ainsi qu en hiver (Ph). En été : Pe = 5.5 Kw.h/m²/Jour, on obtient alors Ee = 5.5 * 1000 * 60 * 60 * Sp = /(24*3600) = W.s Ee = r * Ee = W.s (énergie fournie par le panneau solaire en été en 1s) Ipe = Ee / Vp = 32 ma (avec Vp = tension nominale panneau 18V) Rq : on retrouve le courant du panneau mesuré (30 ma) avec le rétroprojecteur En hiver : Ph = 1.6 Kw.h/m²/Jour Eh = W.s Iph = 9.4 ma Le panneau peut donc délivrer en moyenne Ipe = 32 ma en été et Iph = 9.4 ma en hiver. Après avoir effectué les calculs d énergie nécessaires nous avons obtenu le tableau suivant : Météo Cas En veille En clignotement Panneau seul Autonome * Autonome mais flash faible (30mA) Eté Accu seul 71h20 => 3 jours * On a une autonomie de 22h50 pour un délai d intervention de 6h ce qui représente 26 % de l autonomie totale. Pan + accu Autonome * 36h20 / 6h représente 17 % Panneau seul Autonome Autonome mais flash très faible (10mA) Hiver Accu seul 71h20 => 3 jours 22h50 / 6h représente 26 % Pan + accu Autonome 34h / 6h représente 18% Absence de Panneau seul 0h 0h soleil Accu seul 71h20 => 3 jours 22h50 / 6h représente 26 % => nuit ou obscurité Le temps d intervention d un technicien sur une ligne défectueuse varie entre 5 et 6h. Nous voyons très bien d après les valeurs du tableau, que ce temps est largement acceptable pour notre circuit puisqu au minimum la balise peut clignoter pendant plus de 22h

14 Pour une durée de 6h en été avec une balise en clignotement on a les résultats suivants : Ebalise = 3.6*10.95 *6*3600=852 W.s (énergie consommée pendant 6h) Epanneau = 1894 W.s (énergie fournie par le panneau pendant 6h) Eaccu = 1338 W.s (énergie fournie par l accu pendant 6h) Epanneau+Eaccu= =3232 Ws Panneau Ip Iaccu Vin Régul U 3,6V Ib Balise Accu 9V On remarque que Ebalise << Epanneau + Eaccu ceci est dû à de la différence de tension entre l entrée et la sortie du régulateur. Ce dernier dissipe l excédent d énergie. Mais ce régulateur nous permet de pouvoir adapter notre projet à plusieurs tensions d appareils. Pour obtenir ces résultats nous avons dû effectuer des mesures sur notre circuit. Voici l ensemble des relevés nous ayant permis d effectuer ces calculs : Panneau : Ip = f(t) pendant un clignotement 34mA 60ms En veille le panneau fourni les 3.5 ma (mesuré avec un ampèremètre balise sans flash) nécessaires alors qu en temps de clignotement il fournit son courant maximal qui est de 32 ma avec un ensoleillement d été. La balise flash mais son éclairement est faible avec 32 ma alors qu il faudrait Ib(clignotement)=376 ma pour un flash normal

15 Vin = f(t) pendant le clignotement 24 V panneau seul-la balise ne flash pas 60ms 9 V panneau +accu-la balise flash A partir de ce relevé on a pu voir que lorsque la balise ne demandait pas beaucoup de courant, c est à dire pendant la veille ou entre deux clignotements, c est le panneau solaire qui impose sa tension alors que lorsque la balise a besoin d un fort courant, comme c est l accumulateur qui compense le manque de courant, c est alors ce dernier qui va imposer sa tension qui est d environ 8.5 V. Iaccu = f(t) pendant un clignotement avec le panneau solaire exposé à la lumière 344mA pendant 60ms puis 0A pendant 2.94s On peut voir que temps qu il n y a pas clignotement, l accumulateur ne fourni aucun courant, cependant, pendant le clignotement il fourni un courant égal à Ib(clignotement) Ip = = 344 ma

16 Charge de l accumulateur Le panneau solaire délivrant durant les journées d hivers un courant de 9.4 ma en moyenne, nous avons décidé de fixer le courant de charge à Ic = 6.9 ma de façon à pouvoir alimenter par le panneau la balise en veille (3,5 ma) pendant la charge. ( Iph = Ic + Ib(veille) ). On a la relation : Q = Ic * t t = Q / Ic = heures Il faut donc 42h22 pour charger complètement l accumulateur, vide au départ. Cependant, le panneau solaire n est capable de charger l accumulateur seulement pendant la journée, soit environ 12h. Ce qui correspond à une capacité Q1 = 70.8 mah. A partir de cette capacité on pourrait alors déterminer la tension aux bornes de l accumulateur lorsque celui-ci contient une capacité Q2 = Q Q1. En réglant la tension seuil de début de charge du comparateur à hystérésis à la tension précédemment calculé, on pourrait alors faire en sorte que l accumulateur soit chargé au maximum tous les deux jours. La capacité Q1 correspond à une puissance permettant d alimenter seul (sans le soutient du panneau solaire) la balise en veille pendant 20h14 et en clignotement pendant 6h. VII Conclusion A/ bilan Nous sommes partis de l'idée d'alimenter une application basse consommation (radio portable de 3V, 15 ma) en utilisant un panneau solaire. Dans un temps on a identifié le fonctionnement du panneau se comportant comme une source de courant avec ses limites. Pour palier aux périodes de lumière on a ajouté un accu dans l idée d obtenir un système autonome. A l'aide du premier montage nous avons pu déterminer que le panneau suffit pour fournir le courant à la radio et même à la recharge l accumulateur (par un éclairement suffisant). Le problème à ce moment a été le courant non contrôlé aux bornes de l'accumulateur, donc après réflexion nous avons décidé d ajouter un circuit pour maîtriser la charge de l accumulateur. On a eu l opportunité d utiliser grâce à la société Sorodhel notre projet pour une application industrielle. C/ Remerciements Pour mener a bien notre projet, nous avons eu besoin de certains personnes qui nous remercions : M.Lacombe, professeur de génie électrique, qui s'est investit dans notre projet. Nous a aidé à trouver des solutions adaptées. M.Saintier et M.Dury, responsable de la société SORHODEL