Optimisation du rendement d un panneau solaire par héliotropisme. Emmanuel Chambon - PSI* - Lycée aux Lazaristes

Optimisation du rendement d un panneau solaire par héliotropisme Emmanuel Chambon - PSI* - Lycée aux Lazaristes Année scolaire 2009/2010 - Fin de rédaction le 23 mai 2010

Table des matières 1 L énergie solaire 3 1.1 Les enjeux du solaire en quelques chiffres.................... 3 1.2 L héliotropisme.................................. 4 1.3 Solutions techniques envisagées......................... 6 2 Théorie : l effet photovoltaïque 7 2.1 La photopile.................................... 7 2.2 Le semi-conducteur................................ 7 2.3 Le dopage..................................... 9 2.4 La jonction PN.................................. 9 2.5 L utilité théorique de l orientation........................ 10 3 Mise en œuvre de l héliotropisme 11 3.1 Positionnement optimal des panneaux solaires fixes.............. 11 3.2 Objectifs du système............................... 11 3.3 Présentation du mécanisme........................... 12 3.3.1 Aspect mécanique............................ 12 3.3.2 Aspect électronique............................ 13 3.3.3 Un peu d astronomie........................... 15 3.3.4 Programmation.............................. 17 3.3.5 Mathématiques.............................. 17 3.3.6 Améliorations possibles......................... 19 3.4 Mesures et résultats............................... 19 3.4.1 Premières mesures expérimentales................... 19 3.4.2 Conditions des mesures......................... 21 3.4.3 Ce que l on a mesuré........................... 24 3.4.4 Récapitulatif des résultats........................ 25 3.5 Conclusions.................................... 29 4 Applications pratiques 30 4.1 Applications de la solution envisagée...................... 30 4.2 Exemples d applications de l héliotropisme................... 30 4.2.1 La centrale solaire à concentration d Almeria............. 30 4.2.2 Le four solaire de Font-Romeu..................... 32 5 Remerciements 34 1

Introduction Avec la réflexion sur le réchauffement climatique, les énergies renouvelables sont devenues des domaines d étude privilégiés. Le solaire fait partie de ces énergies remises récemment au goût du jour. En effet, la théorie liée au photovoltaïque est ancienne puisqu elle a été décrite par Hertz et Einstein au début du XX ème siècle. Cependant, les applications sont plus récentes, notamment celles visant à optimiser le rendement des panneaux solaires. Outre les progrès faits dans la synthèse du silicium nécessaire à la fabrication des cellules solaires, de nombreuses méthodes permettent aujourd hui de maximiser les rendements d un panneau et, à une plus grande échelle, d une centrale solaire. Quelles sont ces techniques et dans quelles mesures permettent-elles d augmenter réellement la quantité d énergie produite? Le but de cet exposé est de définir et d étudier les techniques «suiveuses de soleil» ou «héliotropes» et d en exposer les avantages et inconvénients, à l aide de l expérience. 2

Chapitre 1 L énergie solaire 1.1 Les enjeux du solaire en quelques chiffres La photosynthèse en est une illustration : il est possible d exploiter l énergie que nous fournissent les rayons du soleil. L énergie reçue en un point du globe est fonction de la latitude et de la réverbération due aux conditions climatiques : nuage ou brouillard par exemple. Transmise par les ondes électromagnétiques que nous recevons du soleil, cette énergie peut être captée, par les végétaux par exemple, mais elle est en grande partie absorbée ou renvoyée vers l espace. Figure 1.1 Energie incidente à la surface de la terre en kwh.m -2 par an. Source : INES, Institut national de l énergie solaire. L énergie solaire est considérée comme inépuisable (compte tenu de la durée de vie du Soleil) et n émet potentiellement aucune particule nocive (fabrication des panneaux pour la capter et des batteries pour la stocker mise à part). Elle est de plus disponible en grande quantité sur Terre, comme le montre le tableau comparatif ci-dessous. Comme le montre la figure 1.2 page 4, nous pouvons remarquer qu en captant l énergie solaire, les besoins mondiaux en électricité seraient largement remplis. Cependant, de Energie solaire reçue Electricité d origine nucléaire Electricité consommée dans le monde 1,58 x 10 9 TWh soit 5,7 x 10 24 J 2587 TWh soit 9,3 x 10 18 J 16790 TWh soit 60,4 x 10 18 J Table 1.1 Comparaison d énergies produites ou consommées par an dans le monde. 3

Figure 1.2 Comparatif des énergies produites et consommées, en Joules. Remarque : axe des abscisses gradué en échelle logarithmique. Surface de panneaux solaires 140 x 10 6 m 2 Centrales nucléaires en activité 441 Table 1.2 Comparaison des installations de production d énergie solaire et nucléaire. nombreuses limitations apparaissent. L efficacité des panneaux solaires est limitée par nos méthodes de fabrication. Ainsi, le rendement électrique maximal est de 15% pour des panneaux conventionnels. (Il est possible d atteindre 25% de rendement électrique mais avec des panneaux très onéreux, utilisés dans le domaine spatial). N.B. : La définition du rendement utilisée est la suivante : η =, avec : P - puissance électrique générée (W) ; E - puissance solaire surfacique reçue (W.m -2 ) ; S - surface du panneau solaire (m 2 ) De plus, le problème du stockage de l énergie se pose, et celle-ci est souvent directement réinjectée dans le réseau national (ex. en France). Enfin, comme ceci a été évoqué précédemment, le solaire est un secteur qui reste onéreux : environ 680e le mètre carré de panneau (posé avec onduleur et accessoires) pour une qualité moyenne (silicium amorphe ou monocristallin), ce qui le défavorise face à la concurrence d autres énergies, comme le montre la figure 1.3 page 5. De cette étude ressort l importance d améliorer le rendement des installations solaires, pour exploiter au mieux les ressources potentielles dont nous disposons. Pour améliorer ce rendement, nous pouvons nous inspirer d un phénomène naturel : l héliotropisme. 1.2 L héliotropisme La définition officielle de l héliotropisme est la suivante : l héliotropisme est, en botanique, un mouvement diurne d une partie de la plante en réponse au changement de direction du soleil. Ce phénomène permet à la plante d orienter en permanence les cellules où a lieu la photosynthèse en direction des rayons du soleil et donc d augmenter ses apports en énergie. Dans le cadre des plantes, c est une hormone végétale, l auxine (entre autres), qui, en migrant dans les zones de la plante orientée à l ombre, gonfle les cellules qui s y trouvent, entraînant une torsion de la plante. Pour comprendre le phénomène, voir figure 1.4 page 5. Il s agit désormais d appliquer ce principe de l héliotropisme pour les panneaux solaires dans le même but : augmenter le temps d éclairage chaque jour afin d accroître la production journalière d électricité. P E S 4

Figure 1.3 Origine de l énergie primaire consommée par un homme (dans le monde), en moyenne, en kep.j -1 : kilogramme équivalent pétrole par jour. Figure 1.4 Schéma simplifié expliquant le principe de l héliotropisme végétal. 5

1.3 Solutions techniques envisagées Nous avons envisagé différentes possibilités afin de réaliser un héliotropisme, donc un asservissement en orientation d un panneau solaire. L une des solutions envisagées est le suivi du soleil en utilisant l équation de sa trajectoire dans un référentiel adapté. Elle présente entre autres l avantage de ne pas dépendre des conditions extérieures d éclairement et elle décrit de manière très juste le parcours du soleil dans le ciel en fonction du jour de l année. Figure 1.5 Courbes de la hauteur angulaire du soleil en fonction de la hauteur du jour, à différentes périodes de l année, à une latitude fixée. En bleu foncé, le 21 décembre, en rouge, le 21 juin. L autre solution envisageable est un asservissement à l aide d une photorésistance, qui détecte la position dans laquelle le panneau solaire est le mieux éclairé. Cette solution a pour avantage majeur de pouvoir être mise en œuvre sans programmation ni calcul. Son désavantage est qu elle est soumise aux conditions climatiques. Un ensoleillement diffus à cause d une couverture nuageuse peut alors devenir très énergivore, la cellule tentant en permanence de trouver le maximum d intensité lumineuse. Figure 1.6 Aperçu d une photorésistance. La dernière solution envisageable est la combinaison de ces deux solutions. Ainsi, le réglage grossier peut être effectué à l aide du calculateur (notamment pour se placer rapidement à la bonne position au lever du soleil) et le réglage fin grâce à la photorésistance. Il existe ainsi plusieurs manières de copier les plantes dans leur recherche du maximum d ensoleillement. 6

Chapitre 2 Théorie : l effet photovoltaïque 2.1 La photopile La photopile est l élément du panneau solaire qui lui permet de récupérer l énergie des rayons du soleil. Elle met en œuvre un matériau très utilisé dans la micro-électronique, à savoir le silicium. Figure 2.1 Constitution générale d une photopile (ici au silicium cristallin). Les deux types de silicium employés correspondent à des types de «dopage» différents (voir jonction PN ci-après). La grille (côté exposé au soleil) et l électrode métalliques disposées de part et d autre assurent le transfert de l électricité générée. Remarque : l aspect bleuté des photopiles vient du fait qu elles sont enduites d un verni destiné à augmenter leur rendement. Voir figure 2.2 page 8 pour plus de détails sur la succession des couches dans une photopile (au silicium amorphe). Les deux électrodes métalliques sont les bornes du dipôle. La couche «i» est une interface qui sépare deux milieux de dopages différents. 2.2 Le semi-conducteur La photopile est une application de la jonction PN (voir ci-après). A la base d une jonction PN, il y a les matériaux semi-conducteurs, qui ont une résistivité intermédiaire entre celle des matériaux conducteurs (métaux tels que le cuivre, utilisé pour les connexions dans un circuit) et celle des isolants (gaine plastique d un câble électrique). Les semiconducteurs sont généralement des cristaux (très souvent le silicium ou le germanium). Les atomes au sein d un semi-conducteur sont donc liés par des liaisons covalentes et non métalliques. Comment l électricité peut-elle donc circuler dans un tel matériau? 7

Figure 2.2 Succession des couches dans une photopile au silicium amorphe. Figure 2.3 Schéma simplifié des liaisons entre atomes dans un semi-conducteur. 8

Sous l effet de phénomènes physiques (élévation de la température, apport d énergie par un photon par exemple), il arrive qu un électron de valence (chaque atome de silicium en possède 4) d un atome de silicium acquière suffisamment d énergie pour passer dans ce que l on appelle la bande de conduction. En temps normal, les électrons ne disposent pas de suffisamment d énergie pour se libérer de l influence de noyau et restent donc sur des orbites stables. 2.3 Le dopage L objectif est d augmenter le nombre de «trous» afin d augmenter la conductivité du matériau. Pour ce faire, il suffit de rajouter des impuretés dans le silicium. Ainsi, en ajoutant des atomes d aluminium, on rajoute des atomes qui possèdent moins d atomes de valence que le silicium, et qui jouent donc le rôle de formeurs de «trous». Ensuite, un atome d aluminium va recevoir des électrons de la part des atomes de silicium qui l entourent et le «trou» va se déplacer, assurant l apparition d un courant. En réalité, il existe deux types de dopages : le dopage P (positif) qui consiste à rajouter des trous (donc par exemple des atomes d aluminium) et le dopage N (négatif) qui consiste à rajouter des électrons libres par l intermédiaire d atomes possédant plus d électrons de valence que le silicium. La jonction PN utilise ces deux types de dopages, comme l indique son nom. Figure 2.4 Schéma simplifié d un semi-conducteur dopé P. 2.4 La jonction PN La jonction PN est un élément essentiel de constitution des composants électroniques (diode, transistor). Dans le cas d une photopile, la jonction PN sert à créer une différence de potentiel et donc un courant. Heurté par un photon d énergie : E = h ν, un électron de valence dépasse le seuil d énergie nécessaire pour se libérer de son noyau, il devient un électron libre. Parallèlement à l électron libre se forme un «trou» qui peut se déplacer de proche en proche. Il peut 9

ainsi participer à l établissement d un courant électrique car une différence de potentiel apparaît lors de son déplacement. Figure 2.5 La jonction PN pour une cellule photovoltaïque. Légende : k - cathode ; a - anode ; j - interface entre P et N ; ph - photon Remarque : pour le silicium cristallin, l énergie nécessaire pour faire passer un électron de la bande de valence à la bande de conduction est de 1,1 ev. 2.5 L utilité théorique de l orientation De cette étude théorique, il ressort que la puissance électrique obtenue à partir d un panneau solaire dépend directement de l énergie que lui apportent les photons grâce à la jonction PN des photopiles. On en déduit donc qu une action sur l orientation d un panneau solaire permet de maximiser à tout instant de la journée le nombre de photons qui heurtent la surface du panneau et participent à l apparition d un courant. 10

Chapitre 3 Mise en œuvre de l héliotropisme 3.1 Positionnement optimal des panneaux solaires fixes Les installateurs de panneaux solaires sur toit disposent de normes pour améliorer le rendement des panneaux solaires fixes. Ces dispositions sont différentes selon les pays. En France, les normes sont les suivantes : on dispose le plus souvent les panneaux en direction du Sud et avec une inclinaison égale à la latitude du lieu à laquelle on ajoute 10 (angle mesuré par rapport à la verticale du lieu). Ex. : A Saint-Etienne, la latitude est de 45 26 05 Nord. On placera donc de façon optimale les panneaux avec l inclinaison suivante : 55 26 05. Figure 3.1 Schéma de l orientation optimale pour un panneau solaire fixe. 3.2 Objectifs du système Comme évoqué plus haut, le système à concevoir doit permettre de comparer l énergie électrique fournie par un système fixe et un système suiveur du soleil. La première solution retenue pour le système suiveur est basée sur les équations de l astronomie permettant de connaître la position du soleil à un moment donné de l année. La deuxième technique utilise des photorésistances permettant de positionner le panneau de façon autonome. 11

3.3 Présentation du mécanisme 3.3.1 Aspect mécanique Le panneau solaire est monté sur support inclinable lui-même fixé sur un pied tournant autour d un axe vertical. Figure 3.2 Aperçu général du système. Deux motoréducteurs sont nécessaires pour orienter l ensemble : Un motoréducteur entraîne une courroie crantée pour l orientation en azimut. Un autre motoréducteur entraîne une vis qui joue le rôle de «vérin mécanique» pour l orientation en hauteur. Figure 3.3 Aperçu du motoréducteur entraînant le plateau en rotation. 12

Figure 3.4 Aperçu du système «Vérin» mécanique. 3.3.2 Aspect électronique Le cœur du dispositif électronique est un module PICBASIC-3B qui gère des entrées et sorties TOR (tout ou rien) et analogiques. Ces entrées et sorties sont de niveau 0-5V. Les moteurs sont alimentés à partir de la batterie 12V. Les interfaces sont constituées d amplificateurs «en H» à base de transistors «mosfets» pour commander les moteurs. Figure 3.5 Aperçu de l interface permettant de communiquer avec le PICBASIC-3B. Des microrupteurs mécaniques limitent les débattements du plateau et du vérin en coupant et en freinant le moteur lorsqu on arrive en fin de course. Pour repérer les positions du plateau et du vérin, on utilise deux capteurs de type fourches optoélectroniques disposées à cheval sur un codeur à secteur «gradué» en degré (un secteur noir ou blanc représentant 1 ). Pour la deuxième solution technique nous avons rajouté un petit module doté de quatre photorésistances, deux pour chaque axe de rotation. Elles sont montées en diviseur de tension et un comparateur permet de mettre en fonction les moteurs jusqu à obtenir une égalité de tension aux bornes de ces photorésistances. Les «miroirs» permettent d obtenir un mouvement même en étant très éloigné de la 13

Figure 3.6 Aperçu de la plaque «composants électroniques». Figure 3.7 Aperçu de deux des quatre microrupteurs et d une des deux fourches optoélectroniques. 14

position optimale, en concentrant la lumière diffuse sur la photorésistance. Notre montage devient complètement autonome en cas de fonctionnement uniquement avec ce capteur. Figure 3.8 Aperçu du module «capteur photoélectrique» pour la correction de la position du panneau. 3.3.3 Un peu d astronomie Pour programmer notre module, nous nous sommes servis des équations donnant la position du Soleil dans le ciel, quel que soit le jour de l année. Pour repérer le soleil dans le ciel, on doit d abord définir par rapport à quoi on le repère. Le plus simple est de le faire par rapport à un plan horizontal au point où on se situe, et tangent à la Terre. Figure 3.9 Course apparente du soleil par rapport au plan horizontal du lieu. On utilise ensuite : La déclinaison : c est l angle que forme le rayon vecteur Terre-Soleil avec le plan équatorial de la terre. On la calcule avec : 15

Dec = arcsin (0.3978 sin (v a (j (81 2 sin (v a (j 2)))))) Où v a est la vitesse angulaire moyenne de rotation de la Terre en.jour -1, v a = 360 365,25 et j est le numéro d ordre du jour dans l année (1 pour le 1 er janvier). L angle horaire : c est l heure solaire, convertie en degrés. A midi, l angle horaire est nul. On le calcule selon : Ah = 180 t SV 12 1 Où t sv est le temps solaire vrai c est-à-dire l heure GMT. La hauteur : c est l angle entre le rayon vecteur Terre-Soleil et le plan horizontal du lieu. On la calcule avec la formule : h = arcsin (sin (Lat) sin (Dec) + cos (Lat) cos (Dec) cos (Ah)) Où «Lat» est la latitude du lieu. L azimut : c est l angle entre la projection du rayon vecteur sur le plan horizontal et l axe NS (dirigé en direction de S) d une rose des vents. On le calcule en effectuant : a = arcsin ( cos(dec) sin(ah) cos(h) Cependant ces équations nécessitent d être corrigées en raison des irrégularités du mouvement de la Terre. Elles le sont par l intermédiaire de «l équation du temps» qui donne la différence entre le temps solaire moyen (ou «officiel») et le temps solaire vrai (celui du soleil). On va donc modifier le temps solaire vrai dans les équations précédentes. Ces irrégularités sont en fait dues à des particularités de l orbite terrestre : elle n est pas parfaitement circulaire (mais elliptique) et l axe de rotation de la Terre est incliné. Le graphique 3.10 page 16 montre différentes courbes : La courbe verte est l obliquité de la terre qui est donc due à l inclinaison de son axe. La courbe bleue est l ellipticité de la terre due à l excentricité de son orbite. La courbe rouge est l équation du temps qui résulte de la somme de l oblicité et de l ellipticité. ) Figure 3.10 La correction apportée par l équation du temps. Formules approchées de calcul de l équation du temps : Ellipticité : (courbe bleue) 16

C = (1, 9 sin (358, 5 + j) + 0, 02 sin (2 (357, 5 + j))) 4 Obliquité : (courbe verte) O = ( 2, 5 sin (2 (280, 5 + j)) + 0, 05 sin (4 (280, 5 + j))) 4 Equation du temps : (courbe rouge) E = C + O Bien entendu, nous avons simplifié ces formules à partir de tables de valeurs pour pouvoir les utiliser dans notre système (voir parties Programmation et Mathématiques). 3.3.4 Programmation Pour effectuer les calculs et coordonner les moteurs, nous nous sommes servis du module Picbasic-3B de Lextronic. Caractéristiques techniques du module : Mémoire programme : 4 Ko. RAM (mémoire vive) : 79 octets. Nombre d entrées/sorties : 18 Langage de programmation : PICBASIC. Figure 3.11 Le module Picbasic-3B. Nous ne nous pencherons pas outre mesure sur la programmation en PICBASIC, qui n aurait pas sa place dans un tel TIPE. Voir figure 3.12 page 18 pour un extrait du programme (qui dépasse 1000 lignes). Un des gros problèmes à surmonter a été de ne pas dépasser les limites de calcul offertes par le PICBASIC-3B. Le module ne permet en effet d utiliser que des nombres entiers de 0 à 65535 (type Integer) et ne gère que les opérations élémentaires. Il a donc fallu approcher les fonctions donnant la position du Soleil (et contenant des fonctions sinusoïdales) par des fonctions polynomiales. 3.3.5 Mathématiques En raison des limitations du PICBASIC-3B énoncées ci-dessus, il a été nécessaire de simplifier les équations permettant de suivre le soleil. Par exemple, pour l inclinaison du panneau, le calcul est décomposé en deux étapes : calcul de la hauteur du soleil à midi puis calcul de la hauteur à l instant t. La courbe de la hauteur du soleil à midi a été approchée par deux polynômes du second degré interpolés à partir de deux dates : 21 Décembre et 21 Juin (solstices). Les approximations sont fonctions de la latitude (comme l est la hauteur du soleil par exemple). Pour le calcul de la hauteur à un instant donné, on applique la même méthode (maximum de la courbe), avec une seule parabole. On notera qu il est inutile de chercher la hauteur du soleil pendant la nuit. En conclusion de cette partie mathématique, on peut dire qu un processeur plus puissant serait sans doute plus adapté pour notre solution. Dans son livre Astronomical algorithms, Jean Meeus propose aussi la méthode d interpolation utilisant les polynômes de Lagrange : connaissant 3 valeurs d une fonction (par exemple la fonction «hauteur du soleil») on peut ainsi obtenir une valeur approchée assez 17

Figure 3.12 Une fenêtre de code. Figure 3.13 Courbes exacte et approchée de la hauteur du soleil à midi (à une latitude donnée). 18

Figure 3.14 Courbe de la hauteur journalière du soleil au 21 juin 2010. On précisera que l erreur est maximale pour ce jour (ainsi que pour le 21 décembre). Ici apparaissent les limites du module PICBASIC-3B. précise de cette fonction pour tout instant de la journée. Là aussi, cette méthode requiert un processeur capable au moins de calculer ces trois valeurs (ce qui fait intervenir des fonctions trigonométriques). 3.3.6 Améliorations possibles Indéniablement, et comme tout système électronique, notre montage peut être amélioré. En installant un module de calcul plus puissant, la précision dans le positionnement peut être augmentée. Notamment, la possibilité de communiquer avec le module PICBASIC-3B via une interface avec un ordinateur peut permettre d effectuer les calculs sur l ordinateur puis d envoyer les informations de positionnement au PICBASIC. Cette solution n a pas été mise en place sur notre système. Une autre solution pour parfaire notre système a été d installer un module de correction automatique : le calculateur positionne grossièrement le panneau dans la direction proposée par les équations du Soleil puis une photorésistance entre en action pour positionner plus finement le système dans la direction de l intensité lumineuse maximale. Au moment de la rédaction de ce dossier, ce système a été installé sur notre montage avec succès, et fonctionne même sans recourir au calcul. 3.4 Mesures et résultats 3.4.1 Premières mesures expérimentales Avant de nous lancer dans la fabrication d un montage suiveur du soleil, nous avons réalisé une expérience assez concluante permettant de comparer l énergie récupérée dans le cas d un panneau solaire fixe et dans celui d un panneau solaire mobile. Les conditions de l expérience ont été les suivantes : Date : 4 août 2009 19

Lieu : Orléans. Longitude : 47 54 09 Nord. Latitude : 1 54 32 Est. Panneau solaire : silicium amorphe, 5W en puissance nominale, 0.13 m 2 de surface, utilisé alternativement pour le panneau fixe et le panneau virtuellement mobile. Mesure : puissance électrique fournie. Remarques particulières : changement de position effectué en cours de journée en raison d obstacles cachant le soleil. Conditions météorologiques : soleil avec passages nuageux brefs (quelques rares cumulus). Principe : Un calcul est effectué pour déterminer la position angulaire du soleil (azimut et altitude) à l aide de formules fournies par l IMCCE. Figure 3.15 Aperçu de l interface de calcul des coordonnées solaires (calculatrice graphique). Le panneau est alors orienté à l aide d un «compas» soumis à la gravité. On corrige si besoin l orientation à l aide d une cible fonctionnant sur le principe des cadrans solaires. Une première mesure est alors effectuée. On repositionne alors le panneau en orientation Sud et avec une inclinaison de 60 par rapport à la verticale (position fixe de référence, voir plus haut). On trace alors une courbe permettant de comparer les résultats. Figure 3.16 Le panneau expérimental en action. Pendant la mesure, le panneau solaire charge une batterie avec un limiteur de tension : 20

conditions normales d utilisation d un tel panneau. Figure 3.17 Photographie de l interface de mesure. Les résultats obtenus sont plutôt prometteurs comme le montre la figure 3.18 page 21. Figure 3.18 Courbes de la puissance fournie en fonction de l heure de la journée, pour deux configurations différentes. En effet, on obtient les moyennes (sur la durée de l expérience) suivantes : < P fixe >= 2, 37W < P suiveur >= 4, 08W D où le gain moyen obtenu : δ = 72% Il est donc décidé de créer un montage suivant automatiquement le soleil afin d automatiser les mesures et de comparer plus précisément les deux configurations. Les résultats qui suivent ont été obtenus grâce à ce montage. 3.4.2 Conditions des mesures Deux séries de mesures ont été effectuées. Celles-ci se sont déroulées dans la commune de Saint-Genest-Malifaux, voisine de Saint-Etienne, et dont les coordonnées géographiques sont les suivantes : Latitude : 45 20 27 Nord 21

Longitude : 4 25 14 Est Altitude : 1000 m Pour le déroulement des mesures, nous avons utilisé le montage dans 3 situations successives : Position fixe Position calculée Positionnement automatique avec les résistances photoélectriques Chaque mesure dure environ 2 minutes (le moteur de réglage d inclinaison étant fortement démultiplié par la vis sans fin) au cours de laquelle le panneau est soumis aux trois «asservissements» décrits précédemment. Une mesure est effectuée toutes les 4 minutes. Au cours de chaque mesure, on prélève l intensité générée dans le circuit «panneau solaire - batterie» ainsi que la tension aux bornes de la batterie, grâce aux entrées analogiques du PICBASIC-3B (par l intermédiaire d une liaison série de type RS-232). Grâce à ce dernier, on peut alors calculer la puissance électrique générée par le panneau. Les résultats sont communiqués à l ordinateur grâce à une interface. Figure 3.19 Ordinateur utilisé au cours de la mesure et installation du panneau. Un programme fourni par Mr Chambon convertit alors ces données en fichier csv, directement utilisable par un tableur informatique. Voir figures 3.20 page 23 et 3.21 page 23. Un second tableur permet d obtenir les courbes et de calculer l énergie fournie par le panneau au cours de l expérience. Voici en détail le déroulement des deux séries de mesures qui ont été effectuées : Première expérience : Mercredi 19 Mai 2010 Durée : environ 9 heures, de 6h30 GMT (soit 8h30 locale) à 15h20 GMT (17h20). (On considèrera l heure GMT dans la suite). Conditions météorologiques et remarques : Globalement, les conditions météorologiques ont été assez irrégulières (en raison du vent) avec passages nuageux fréquents (nature des nuages : cumulus), ce qui explique les fortes variations de puissance fournie observées. Ces conditions restent cependant des conditions d utilisation tout à fait envisageables pour un panneau solaire, voir tableau 3.1 page 23. b) Deuxième expérience : Samedi 22 Mai 2010 Durée : environ 10 heures, de 6h20 GMT (soit 8h20 locale) à 16h30 GMT (18h30) 22

Figure 3.20 Capture d écran de l interface informatique de communication ordinateur - PICBASIC. Figure 3.21 Aperçu du fichier.csv récapitulant les résultats des mesures. Heure de début Heure de fin Conditions météorologiques 6h30 7h30 Ciel bleu 7h30 8h Légers passages nuageux (cumulus) 8h 8h20 Passages nuageux (cumulus), ensoleillement irrégulier 8h20 9h Nuageux 9h 12h30 Ensoleillé avec passages nuageux 12h30 13h40 Nuageux 13h40 13h40 Déplacement du support panneau pour éviter les ombres dues aux constructions alentour 13h40 15h20 Nuageux Table 3.1 Tableau récapitulatif des conditions météorologiques (heure GMT). 23

Figure 3.22 Images des conditions météorologiques le Mercredi 19 Mai 2010. Heure de début Heure de fin Conditions météorologiques 6h20 6h30 Léger brouillard à l horizon, ensoleillement moyen avec passages nuageux 6h30 6h50 Ensoleillé (légèrement couvert à l horizon) 6h50 7h20 Légère couverture nuageuse 7h20 9h50 Ensoleillé 9h50 10h30 Légèrement couvert 10h30 12h30 Nuageux 12h30 14h Légers passages nuageux 14h 16h30 Ensoleillé Table 3.2 Tableau récapitulatif des conditions météorologiques (heure GMT). Conditions météorologiques et remarques : Vent quasiment absent, ce qui explique un temps plus stable avec ensoleillement et passages nuageux de plus grande durée, voir tableau 3.2 page 24. Figure 3.23 Conditions météorologiques à différents instants de la journée du Samedi 22 Mai 2010. 3.4.3 Ce que l on a mesuré Comme expliqué ci-dessous, le PICBASIC mesure l intensité circulant dans le circuit relié au panneau, ainsi que la tension aux bornes de la batterie faisant partie du module (et l alimentant par le même temps). Ainsi, le PICBASIC renvoie la puissance électrique 24

Code Description AZI azimut calculé au moyen des équations fournies par l IMCCE (en ) azi azimut obtenu en utilisant les photorésistances (en ) HAU hauteur du soleil calculée (en ) hau inclinaison obtenue en utilisant les photorésistances (en ) Volt tension aux bornes de la batterie (12V) (en Volt) Wfixe puissance fournie en position fixe (rappel : orientation sud, inclinaison : latitude + 10 ) (en W) Wpos puissance fournie en position calculée (formules de l IMCCE) (en W) Wphoto puissance fournie en position obtenue grâce aux photorésistances (en W) Whfix énergie fournie en position fixe (divisée par 2 ou 3 pour cause d échelle) (en Wattheure) Whpos énergie fournie en position calculée (idem) (en Wattheure) Whphoto énergie fournie en position obtenue grâce aux photorésistances (idem) (en Wattheure) Table 3.3 Légende utilisée dans les documents regroupant les résultats. fournie à la batterie (par le panneau), dans les trois modes de fonctionnement envisagés. Il renvoie aussi l azimut et la hauteur du soleil calculés (donc théoriques) ainsi que l azimut et l inclinaison du panneau obtenus lors du réglage grâce aux résistances photoélectriques. Voir figure 3.24 page 25. Figure 3.24 Détail du fichier.csv obtenu après communication avec l ordinateur, voir tableau 3.3 page 25 pour la légende. Une fois les résultats obtenus, on calcule l énergie apportée au système en considérant que pour chaque intervalle de 4 minutes, l énergie apportée est constante. 3.4.4 Récapitulatif des résultats Première expérience Origine des temps à t=6h31. Courbes : voir figure 3.25 page 26. Interprétation : En considérant l énergie apportée par le système, il apparaît clairement que les méthodes de suivi du soleil sont bénéfiques. Ainsi, en fin d expérience, le système suiveur a fourni une puissance de 2,84 W (pour le système avec calcul), 2,8 W pour le système monté avec les photorésistances, et «seulement» 2,24 W pour le système fixe. Durée de l expérience : 9 heures. Récapitulatif des résultats : voir tableau 3.4 page 26. 25