Manuel d'utilisation de la maquette PANNEAU SOLAIRE AUTO-PILOTE Enseignement au lycée Article Code Panneau solaire auto-piloté 14740 Document non contractuel
L'énergie solaire L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil dans son rayonnement, direct ou diffus. Sur Terre, l'énergie solaire est à l'origine du cycle de l'eau et du vent. Le règne végétal, dont dépend le règne animal, l'utilise également en la transformant en énergie chimique via la photosynthèse. Grâce à divers procédés, elle peut être transformée en une autre forme d'énergie utile pour l'activité humaine, notamment en chaleur, en électricité ou en biomasse. Par extension, l'expression «énergie solaire» est souvent employée pour désigner l'électricité ou l'énergie thermique obtenue à partir de cette dernière. Les techniques pour capter directement une partie de cette énergie sont disponibles et sont constamment améliorées. On peut distinguer le solaire passif, le solaire photovoltaïque et le solaire thermique. A l ère des énergies renouvelables, on est constamment amené à rechercher des solutions pour améliorer et innover la production d énergie. En se basant sur l exemple de l énergie solaire, à partir de panneaux photovoltaïques, une idée consiste à étudier la faisabilité et l intérêt d un panneau solaire «autopiloté». En somme un robot, articulé autour de deux axes de rotations, permettant d orienter le panneau solaire perpendiculairement au soleil, pour un meilleur transfert d énergie et donc un meilleur rendement. La maquette présentée dans ce document fonctionne sur le principe du solaire photovoltaïque. Principe du solaire photovoltaïque L effet photovoltaïque a été découvert par Antoine Becquerel en 1839, L effet photovoltaïque est obtenu par absorption des photons dans un matériau semi-conducteur qui génère alors une tension électrique. L effet photovoltaïque a été découvert par Antoine Becquerel en 1839,. L effet photovoltaïque est obtenu par absorption des photons dans un matériau semi-conducteur qui génère alors une tension électrique. L'énergie solaire photovoltaïque désigne l'électricité produite par transformation d'une partie du rayonnement solaire avec une cellule photovoltaïque. Les cellules photovoltaïques produisent du courant continu. Ensuite, suivant l'utilisation, plusieurs cellules sont reliées entre-elles sur un module solaire photovoltaïque et plusieurs modules sont regroupés dans une centrale solaire photovoltaïque. On voit donc qu'avec un même procédé, on peut faire fonctionner de simples appareils tels que calculatrices, montres, radios, recharger les batteries d'autres machines électriques, alimenter un réseau domestique ou dans les cas les plus extrêmes, produire du courant pour la haute tension. Les cellules ne peuvent pas stocker l'énergie, mais le rayonnement solaire à l'air libre étant toujours présent, cette fonction est quasiment obsolète et il n'est pas incongru de présenter des cellules comme des piles. La rapidité de charge ou la tension obtenue dépendra uniquement de la qualité de l'ensoleillement. Ces dernières années les cellules photovoltaïques ont connu des progrès remarquables et ce dans trois domaines : le prix du watt produit qui va passer sous la barre des 1. le rendement (énergie solaire reçue par énergie électrique produite) qui s'éloigne à grand pas des 5% des cellules en silicium des débuts. la maniabilité et l'installation. Il existe désormais des modules pliables, enroulables et dernièrement une peinture a été mise au point.
Panneau solaire photovoltaïque Descriptif et présentation de la maquette La maquette est composée : de panneaux solaires de photorésistances de position d une photo résistance seuil de lumière d une carte électronique d une sortie panneaux photovoltaïques d une batterie d une carte électronique d un commutateur de charge de la batterie LDR interrupteur : photorésistance seuil de lumière Tube suiveur LDR en série : photorésistances de position Carte électronique Commutateur charge batterie Bornier de sortie des panneaux solaires Panneaux solaires Batterie
Exemple de cahier des charges pour la création d un prototype Contraintes matérielles et électriques : Panneau auto positionné à l aide de deux moteurs à courant continu (5 V) Une ou plusieurs plaques photovoltaïques 12V Accumulateurs 12 V Le déplacement (rotation verticale ou horizontale) est limité respectivement à 0 à 90 et 0 à 180 (d où la nécessité de capteur de fin de course) Ces contraintes matérielles permettent de poser les paramètres des interfaces externes pour la conception de la carte électronique. La valeur de ces paramètres sont données à titre d exemple. A titre indicatif, une première réalisation de la maquette mécanique peut être faite à partir d un tiroir lecteur CD-ROM récupéré sur un vieux PC. Ces tiroirs sont équipés de deux moteurs 5 V. Un simple «bricolage» permettra d obtenir une plaque articulée suivant deux sens de rotation (verticale et horizontale). Etude de faisabilité On souhaite réaliser une carte électronique, permettant de piloter les deux moteurs afin de positionner le panneau solaire. Avant la phase de simulation, il est nécessaire de décomposer l étude en sous chapitres : Interrupteur lumineux Stratégie de poursuite du soleil Commande du sens de rotation des moteurs Adaptation de tension (12V -> 5V) Interconnexion de sources, régulateur de charge Outil de simulation Cette étude nécessite l exploitation du fonctionnement des différents composants. Interrupteur lumineux Une solution, typiquement utilisée dans le domaine des systèmes photoélectrique, (ex : commande de volet roulant) est la suivante : Cet interrupteur (commande de relais) est basé sur la variation de résistance d une photorésistance en fonction de la luminosité. Il est à préciser que dans un souci d économie d énergie, le relais sera alimenté durant la phase de fonctionnement de moindre durée. Ainsi il est nécessaire de placer la LDR de manière à ce que le transistor ne soit saturé que durant cette phase. La résistance R1 peut être remplacée par un potentiomètre, permettant ainsi de régler le seuil de déclenchement ou la sensibilité à la lumière.
Stratégie de poursuite du soleil Une solution consiste à utiliser deux photorésistances LDR en série (deux pour gérer le déplacement vertical et deux pour le déplacement horizontal). Ces deux LDR seront montées de part et d autre d un tube. Tant que le tube ne pointe pas en direction du soleil, l une ou l autre des LDR est forcément exposée à l ombre. La résistance totale des deux LDR en série sert de seuil de saturation du transistor, dans un montage de type interrupteur lumineux, tel décrit plus haut. Le potentiomètre permet de régler la sensibilité par rapport au seuil lumineux, et donc d optimiser le positionnement. Il est important cependant, que ce seuil reste inférieur à celui de l interrupteur lumineux général. Le même principe s applique à la poursuite horizontale et à la poursuite verticale. La mise en rotation des deux moteurs (vertical et horizontal) sera commandée par un montage interrupteur lumineux. Le relais commandé par cet interrupteur lumineux sera double, de telle manière à ce que les deux bornes du moteur en sortie du relais soient commutées sur la masse (arrêt rotation) ou sur la tension de fonctionnement (rotation). En somme, étant donné la petite taille des moteurs et l inertie mise en jeu, une commande type «tout ou rien» suffit. Commande du sens de rotation du moteur Il sera nécessaire, une fois le panneau arrivé en fin de course, de générer un signal ou une commande permettant d inverser le sens de rotation du moteur. Pour cela on peut s aider de quatre interrupteurs de «fin de course», deux pour le mouvement horizontal et deux pour le mouvement vertical. Une solution consiste à combiner une bascule logique (RS) avec un réseau de transistor, le tout en circuit intégré. La table de vérité d une bascule RS s adapte à la logique de fonctionnement souhaitée.
Les entrées logiques (CMOS) correspondent aux sorties des interrupteurs de fin de course. La sortie Q commandera la saturation d un transistor (fonctionnement interrupteur) qui lui même commandera un relais (4 entrées, 2 sorties). Exemple : rotation horizontale : Q= «1», et le moteur tourne à gauche. Arrivé en fin de course, l interrupteur gauche relié à la borne (R) sera fermé pendant un court instant, forçant ainsi la sortie Q à l état «0». Q gardera cet état, tant que l interrupteur droite (S) n est pas sollicité. En fonction de l état de Q, le relais (4-2) sera à l état «opérationnel» ou «repos». Dans un cas la tension aux bornes de la sortie relais sera positive, dans l autre elle sera négative, tel décrit sur le schéma ci-dessous. Fin de course Le principe sera le même pour la rotation verticale. Adaptation de tension (DC/DC) Le choix de l alimentation du circuit a été de 12 V continu. Il se peut que les moteurs doivent être alimentés avec une tension inférieure (ex : 5V). Une solution simple pour adapter la tension consiste à intégrer une diode Zener, selon le schéma ci-dessous. Il faut qu'on connaisse la consommation mini et maxi du montage qui se branchera sur le 5V. Dans notre exemple, on prendra Imin = 0 ma, et Imax = 750 ma. On va alors pouvoir déterminer la puissance de la diode zener, la valeur et la puissance de la résistance. Une solution moins gourmande en termes de consommation d énergie consiste à intégrer un régulateur de tension, par exemple de type L78xx. Montage avec Vi=12V et Vo=5V pour un L7800.
Interconnexion de sources On associe couramment les panneaux solaires photovoltaïques en série pour obtenir des tensions multiples de 12 Volts (24V, 48V) et en parallèle pour augmenter le courant solaire. La seule précaution à prendre est d utiliser des diodes spécifiques. Diodes by-pass (contournement) ou diodes séries (blocage). Plusieurs panneaux solaires sont susceptibles de venir enrichir le montage. Chaque panneau photovoltaïque (12V) est une source de courant lorsqu il est éclairé. En général la caractéristique courant-tension est la suivante : Effet de l éclairement sur le panneau solaire. Si l on souhaite charger l accumulateur (12V), Il faudra étudier de quelle façon on peut interconnecter ces différentes sources. Les panneaux photovoltaïques (PP) seront connectés en parallèle L interconnexion entre les PP et l accumulateur (batterie) peut se réaliser grâce à un régulateur de charge ou tout simplement à l aide d une diode (de blocage) montée en série supportant le courant nominal de charge, avec un interrupteur permettant de découpler l ensemble des panneaux de l accumulateur. La puissance électrique fournie par l ensemble des PP peut être contrôlée par un «VU-mètre» (un mini-ampèremètre + résistance) placé en parallèle. Celui-ci permettra de vérifier visuellement le bon fonctionnement des PP et d obtenir un ordre de grandeur de la puissance électrique générée.
Simulation de la carte de pilotage des moteurs Grâce aux différents logiciels de simulation (Proteus, crocodile, etc.), il est possible de vérifier le bon fonctionnement de la carte de pilotage sur PC. Suggestions pour la classe Au-delà de l intérêt énergétique, cette étude souhaite s inscrire dans une démarche pédagogique, inspirant une progression de cours, de classe type STI ou dans le cadre des TPE. La richesse des thèmes abordés dans la réalisation d un tel projet (capteurs, convertisseurs, connexion de sources, portes logiques, dimensionnements de composants électroniques, simulation, etc.) permet une illustration pratique de la mise en œuvre des différents thèmes que peut comporter le programme en STI (Terminale Génie électronique, BTS IRIS ). Dans cette étude, pour la partie réalisation, on ne traitera que la carte électronique. La partie mécanique sera simplement décrite. Utilisation de la maquette Etude énergétique Une fois la maquette fonctionnelle, elle permettra d effectuer des expériences sur le flux énergétique d un éclairement, notamment solaire. Par exemple, à l aide d une carte d acquisition (type Orphy, Latis pro, etc.) et d un logiciel de traitement de données (type synchronie), on peut relever la courbe donnant la puissance maximum reçue en fonction de la position du soleil durant la journée. Mais aussi en fonction de l inclinaison (horizontale/verticale) des rayons du soleil par rapport au panneau solaire. L image de la puissance lumineuse reçue peut être relevée en mesurant la tension aux bornes d une résistance R branchée aux bornes du panneau solaire. Sur une même journée on peut relever la courbe de la puissance reçue maximum (position perpendiculaire) et la courbe de la puissance reçue par un panneau fixe (position fixe).
Exemple d acquisition sur une journée Branchement et réglages Le réglage du seuil de détection pour la coupure générale doit être plus sensible que les seuils pour les rotations horizontale et verticale. Cela afin d éviter le cas de figure ou le panneau soit alimenté alors que la stabilisation face au soleil ne se fasse pas, entraînant ainsi une recherche sans fin. Résistance et régulateur 5V
L alimentation se fait en 12V Les moteurs sont en 5V (12V optionnel, en shuntant la résistance et ouvrant le régulateur de tension : voir carte électronique) Les LDR sont de type usuel Les fins de course sont de type contact simple (fermeture uniquement au contact) Les LED rouge et verte indiquent l état du panneau, rouge inactif (absence de lumière), vert actif (mode positionnement automatique) En cas d «affolement» du panneau (rotation incessante), la cause peut être un seuil de détection trop élevé, il faudra régler ce seuil avec le potentiomètre respectif. Paramètres de la maquette Le panneau photovoltaïque utilisé délivre une tension de 3,6 Vcc et une intensité max de 30 ma. Quatre panneaux ayant chacun la caractéristique ci-dessus, sont mis en série, afin d obtenir un point de fonctionnement nominal (14,4 Vcc, 30mA). La consommation de la maquette est la suivante : 20 ma en veille (absence du soleil) 30 ma en mode poursuite active (présence du soleil) 100mA max. durant la phase de positionnement (de très courte durée) Sortie panneaux photovoltaïques La sortie des panneaux photovoltaïques est accessible via deux bornes (couleurs rouge + et noir -). Cette sortie peut être branchée en parallèle sur la batterie via un interrupteur placé à côté. Cet interrupteur est en série avec une diode de protection.