I-Présentation du système BORNE ESCAMOTABLE SOLAIRE Le dispositif étudié est un système permettant de limiter ou d interdire la circulation dans des zones à accès réservé. Ce dispositif comporte : _un caisson intégrant la partie opérative, à savoir une borne motorisée rétractable dans le sol, _un caisson intégrant la partie commande comportant : - une platine électronique de gestion, - une batterie d alimentation électrique du système, - des cellules photovoltaïques assurant la charge de la batterie. Problématique et objectif de l étude Vue d ensemble du système Selon son concept innovant et breveté, le système utilise un module solaire pour recharger sa batterie. L installation d une borne de ce type ne nécessite aucune tranchée, aucun raccordement, ni abonnement EDF ; son alimentation est gratuite et peut être envisagée sur n importe quel site. Cependant, le fonctionnement du système est limité à un nombre de cycles dont la valeur dépend des conditions d ensoleillement. La problématique majeure pour ce système est donc d atteindre une autonomie suffisante, tout en minimisant le coût et l encombrement des moyens de production et de stockage de l énergie électrique. L objectif général de l étude est de modéliser le système pour quantifier sa consommation énergétique et son autonomie. Fonction Critère FP Temps de sortie (ou de rentrée) Hauteur de la borne de sortie correspondant à la course de la borne Diamètre de la borne Poids maximum supportable sur plot relevé Poids maximum supportable sur le plot Niveau 6 s maximum 500mm 210 mm 80daN 15 000 dan 1
abaissé Poids maximum supportable lors de la montée du plot Autonomie 80 dan maximum en fin de course du plot 100 cycles par jour en été 50 cycles par jours en hiver FIABILITE : Durée de vie > 10 000 heures de fonctionnement Autonomie du système L objectif de cette partie est de déterminer l énergie électrique récupérée pour différentes conditions d ensoleillement. Ces valeurs servent ensuite de base pour estimer l autonomie du système. Le système puise son énergie du soleil, grâce à un panneau solaire constitué de 36 cellules photovoltaïques. Etude expérimentale On utilise le montage suivant: La cellule solaire est éclairée à l aide de la lampe. On remarque que les conditions optimales sont obtenues lorsque les rayons lumineux frappent perpendiculairement sa surface que l on situe à environ 10cm de la lampe. 2
La puissance lumineuse est définie par unité de surface. On la mesure à l aide d un luxmètre que l on positionne comme la cellule. Celui-ci nous indique 20 000 Lux soit 200 W/m 2 (ce qui correspond à un temps extérieur couvert). La température mesurée à la surface du boîtier plastique contenant la cellule est de 30 C. Il est intéressant de prendre au préalable quelques mesures de puissance lumineuse en intérieur, sous lumière naturelle, sous l éclairage d une lampe, puis en extérieur sous différentes conditions météorologiques. On note les résultats suivants : grand soleil 1000 W/m 2 ; ciel couvert 200 à 500 W/m 2 ; ciel pluvieux 50 à 200 W/m 2 ; intérieur 300 lux ou 300 lumens/m 2 soit 3 W/m 2. Correspondances : 1 lux = 1 lumen/m 2 et 100 000 lux = 1000 W/m 2. Le relevé de la caractéristique s obtient en faisant varier la valeur de la résistance de la charge Rc. On relève les valeurs de la tension et de l intensité à l'aide d'un tableur et on obtient la caractéristique suivante : On décompose Icc en la différence de 2 caractéristiques : 3
On choisit une diode de tension de seuil 0,5V et une source idéale de courant de valeur 220mA pour ce modèle de la cellule solaire. On affine le modèle et on obtient : 4
1-Déterminer graphiquement R SC qui correspond à la pente de la caractéristique (1 point) Rendement Le rendement se détermine à partir de la formule: La puissance absorbée par la cellule photovoltaïque correspond au produit de la puissance lumineuse surfacique par la surface de la cellule photovoltaïque. La surface de la cellule est celle d un carré dont un côté a pour mesure 5 cm. 2-Calculer la puissance absorbée Pas (1 point) La puissance utile de la cellule photovoltaïque correspond à la puissance électrique maximale qu elle peut fournir pour un ensoleillement donné, appelée aussi puissance crête. On recherche le point de puissance maximum MPP (Maximum Power Point) sur la caractéristique que l on a tracé, à l'aide du tableur. Le rectangle (produit de la tension et de l intensité correspondante) qui a la plus grande surface indique la puissance crête. 5
3-Calculer Pmax (1point) 4-En déduire le rendement : (1 point) Rendement calculé dans les STC(Standard Test Conditions) On peut aussi calculer un rendement de la cellule solaire à partir des données de la notice. Elle indique 500mA 0,5V environ, pour un éclairement maximum. Ces données très succinctes nécessitent quelques précisions. Elles correspondent aux conditions de test standard STC à savoir 1000 W/m 2 et 25 C en température de jonction. Ces tests sont réalisés sous des éclairements flash. Les données de l intensité et de la tension correspondent au MPP (des mesures dans des conditions proches des conditions standard nous ont permis de faire cette vérification). Les calculs donnent : On en déduit le rendement: D autres mesures en irradiation solaire montrent que les rendements varient avec la puissance lumineuse et la température : 1000 W/m 2 et 25 C on mesure un rendement de 10% 150W/m 2 et 20 C on mesure un rendement de 13,8% 36W/m 2 et 14 C on mesure un rendement de 3% On souhaite réaliser un module solaire conforme à celui d un constructeur, à partir des cellules photovoltaïques étudiées. Module SM 110 24V (Total Energy) ; la plaque signalétique nous indique Dimension S = 0,9m 2 Puissance crête (STC) P= 110W Tension 24V Tension de circuit ouvert 42V Tension à puissance max 35V 5-Déterminer sur cette plaque signalétique les données qui permettent de déterminer le point de puissance max de ce module. ( 1 point) 6-En déduire l intensité à puissance maximale : (1 point) Nous allons déterminer combien faut-il de cellules photovoltaïques et comment faut-il les associer pour obtenir un module de puissance utile identique à celui du constructeur? 7-Déterminer le nombre de cellules à associer en série dans une branche : (1 point) 8-Déterminer le nombre de branches nécessaires : (1 point) 9-Conclure sur le nombre de cellules : (1 point) 6
10-Déterminer la surface du module solaire aura pour surface : (1 point) 11-Comparer avec la surface du panneau Module SM 110 24V : (1 point) 12-Dans le cas idéal qui correspond à un éclairement identique de toutes les cellules, calculer le rendement du module qui doit correspondre à celui d une cellule à l aide des résultats précédents. (1 point) En pratique, le rendement d un module solaire est toujours légèrement inférieur à celui d une cellule car les cellules associées ne sont pas toutes identiques, il en résulte des pertes d'adaptation. Le rendement est toujours calculé au point de puissance max (MPP). Il est donc nécessaire qu une installation fonctionne en ce point afin d optimiser la production d énergie électrique. Un système d adaptation réalise la poursuite en temps réel du point de puissance crête. Ce système est appelé MPPT (Maximum Power Point Tracking). 13-Calculer le rendement du module constructeur à partir des données de sa plaque signalétique donne : (1 point) Les rendements des modules photovoltaïques varient suivant la technologie et la fabrication. S ils s échelonnent aujourd hui entre 12 et 17%. Installation photovoltaïque de la borne escamotable 14-Calculer la puissance utile pour la montée de la borne à l aide de la formule suivante : Pu=F*v (1 point) 15-Sachant que le rendement de la chaine d énergie jusqu au moteur est de 70% en déduire la puissance électrique en entrée du moteur (1 point) Tension batterie choisie 48V 16-Déterminer le nombre de cellules en série. (1 point) 17-Déterminer l intensité du courant nécessaire. (1 point) 18-En déduire le nombre de branche : (1 point) 19-Déterminer au total le nombre de cellules : (1 point) II-Régulation de charge Le panneau, la batterie et la motorisation du système sont reliés grâce à un dispositif appelé régulateur de charge Régulateur de charge pour système photovoltaïque Présentation générale Le régulateur de charge est un dispositif électronique au fonctionnement entièrement automatique. Il relie le panneau photovoltaïque, la batterie et les équipements destinataires de l électricité produite. 7
Sa fonction principale est de contrôler l état de charge de la batterie. Il autorise la charge complète de celle-ci en éliminant le risque de surcharge. Il peut également interrompre l alimentation des destinataires pour éviter une décharge profonde. Le régulateur, décrit ci-dessous, mesure la tension aux bornes de la batterie et assure une régulation série «tout ou rien». Schéma de principe Principe de fonctionnement - Fonctionnement normal : les contacts des relais RC et RD sont fermés. - Limitation de charge : Si la tension batterie dépasse la valeur E B[max], le relais R C s ouvre. Il se referme automatiquement au bout de 10 minutes, sauf si la tension batterie est devenue inférieure à E B[min] pendant cette durée. Limitation de décharge : Si la tension batterie devient inférieure à la valeur E B[min], le relais RD s ouvre. Il se referme lorsque la tension a atteint la valeur E B[nominal]. 20-Compléter le chronogramme pour R C, R D et le transfert d énergie. (1 point) 8
9
10
11