République du Cameroun Republic of Cameroon . Paix-Travail-Patrie Peace-Work-Fatherland Ministère de l’enseignement supérieur Ministry of higher education Projet tuteuré 2ème année Polytech-Nancy RÉALISATION D’UN SYSTÈME DE PRODUCTION D’ELECTRICITÉA PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE Présenté par : DE WANDJI YOUDJIEU Natacha NGAMO NGALLA Anne-Dominique Sous l’encadrement de : Mr KANA DONFACK Année académique 2018/2019 RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE AUX FAMILLES WANDJI et NGAMO pour leur soutien permanent ii Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE REMERCIEMENT Au terme de ce travail, c’est un devoir agréable d’exprimer en quelques lignes la reconnaissance et la gratitude que nous devons à tous ceux dont on a sollicité l’aide et la collaboration. C’est sans doute la partie la plus difficile de notre travail, car nous ne saurions citer toutes ces personnes, mais sachez que vous avez toute notre reconnaissance. Toutefois, nous remercions particulièrement : Mr GUIMEZAP Paul, fondateur de l’IUC où nous suivons nos études actuelles ; Mme KANA DONFACK, notre encadreur académique pour sa supervision, et son encadrement lors de la rédaction de ce présent rapport ; Le corps enseignant et le personnel de l’IUC en particulier Mme TSAGUE Nadine pour leur suivi durant toute l’année scolaire ; Dr HUISKEN pour ses bons conseils et ses recommandations lors de la réalisation de notre projet ; Nos parents qui se dévouent tous les jours pour notre bien-être Toute personnes ayant contribué de près ou de loin à la réalisation de ce projet ou à la rédaction du présent rapport. iii Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE SOMMAIRE AUX FAMILLES WANDJI et NGAMO pour leur soutien permanent .......................................................... ii 1.1. Contexte général.......................................................................................................................... 1 1.2 Énoncé du problème ................................................................................................................... 1 1.3 Justification du projet ................................................................................................................. 2 1.4 Objectifs ....................................................................................................................................... 2 1.5 Portée du projet........................................................................................................................... 2 1.6 Méthodologie ............................................................................................................................... 2 1.7 Rapport de projet organisation.................................................................................................. 3 2.1. Technologie et structures photovoltaïque ................................................................................. 4 2.3. Composants d’un système photovoltaïque (PV) ....................................................................... 5 2.3.1. Générateur photovoltaïque (GPV) ........................................................................................ 5 2.3.2. Contrôle et stockage d’énergie............................................................................................... 5 2.3.3. Utilisation de l’énergie ............................................................................................................ 6 2.5.1. Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque .................................................. 7 2.5.2. Modélisation d’une cellule photovoltaïque ........................................................................... 8 3.1. L'analyse fonctionnelle externe du système ................................................................................ 16 3.1.2. Analyse Du Besoin..................................................................................................................... 16 3.1.3. Validation du besoin ................................................................................................................. 17 3.1.4. Enoncé des différentes fonctions de service. ........................................................................... 17 ...................................................................................................................................................................... 18 3.2. L'analyse fonctionnelle interne du système ................................................................................. 18 3.2.1. - FAST de description du système de notre système .............................................................. 19 3.2.2. - SADT, Actigramme A-0, Actigramme niveau A1 ................................................................ 20 3.3. Listes des exigences ....................................................................................................................... 21 3.4. Proposition de solutions ................................................................................................................ 22 iv Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE LISTE DES FIGURES, PHOTOS ET TABLEAUX Liste des figures Figure1 : Vue d’ensemble du réseau de distribution Figure2 : Principe de fonctionnement du transformateur Figure3 : Schéma électrique d’un transformateur Figure4 : Synthèse des étapes de réparation d’un transformateur Annexe1 : Plan de localisation d’Eneo site Bassa Annexe2 : Organigramme hiérarchique d’Eneo Annexe3 : Types de couplages pour transformateurs 10 12 14 26 35 35 36 Liste de photos Photo1 : Type de transformateurs Photo2 : Vue interne d’un transformateur de distribution Photo3 : Ratiomètre électrique Photo4 : Mesure du rapport de transformation Photo5 : Mégohmmètre Photo6 : Mesure de la résistance d’isolement Photo7 : Prise d’un échantillon d’huile Photo8 : Mesure de la tension de claquage dans le spentermètre Photo9 : Transformateur décuvé avec une mauvaise bobine Annexe5 :Plaque signalétique d’un transformateur TRANSFIX Annexe6 :Joints du transformateur de distribution Annexe7 :Palan manuel Annexe8 :Transpalette Annexe9 :Hyster Annexe10 :Caisse à outils multifonctions 11 12 21 21 21 21 22 22 25 36 37 37 37 37 37 Liste des tableaux Tableau1 : Etapes de création d’Eneo Tableau2 : Fiche d’identification d’Eneo Tableau3 : Chronogramme des activités au cours de notre stage Tableau4 : Identification des grandeurs électriques dans un transformateur Tableau5 : Tensions nominales des transformateurs de l’atelier Tableau6 : Causes et défauts rencontrés dans un transformateur 2 3 7 14 17 19 v Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE ABRÉVIATIONS ET SIGNES AVANT-PROPOS Dans le but d’assurer son développement et de fournir à son industrie des agents compétents dans divers domaines, l’Etat Camerounais a créé de nombreuses structures et formations. L’Institut Supérieur des Technologies et du Design Industriel (ISTDI) crée par l’arrêté N° 02/0094/MINESUP/DDES/ESUP du 13 septembre 2002 et dont l’autorisation d’ouverture N° 0102/MINESUP/DDES/ESUP du 18 septembre 2002. L’ISTDI a été érigé en Institut Universitaire de la Côte (IUC) par arrêté N°1/05156 /N/MINESUP/ DDES/ESUP/SAC/EBM du 24 octobre 2011. L’IUC comporte trois établissements, notamment : 1. L’Institut Supérieur de Technologies & du Design Industriel (ISTDI) qui forme dans les cycles et filières suivants : A) Cycle des BTS, Licence et Master Industriels : Maintenance des systèmes informatiques (MSI) Informatique Industrielle (II) et Informatique de gestion (IG) Électrotechnique (ET) et Électronique (EN) Froid et climatisation (FC) Maintenance et après-vente automobile (MAVA) Génie civil (GC) Management et Service Automobile (Licence et Master) Maintenance des Systèmes Industriels (MSI) Automatique & Informatique Industrielle (Licence et Master) Ameublement et Construction Bois (Licence et Master) Électrotechnique et Ingénierie Électrique (Licence et Master) Administration et sécurité des travaux des réseaux (Licence et Master) 2. L’Institut de Commerce et d’Ingénierie d’Affaires (ICIA) qui forme dans les cycles et filières suivantes : - Cycle des BTS, Licence et Master Commerciaux : Assurance Banque et Finance(BF) et Comptabilité et Gestion des Entreprises (CGE) Action Commerciale (ACO) et Commerce International (CI) vi Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE - Communication d’Entreprise (CE) Logistique et Transport (LT) Gestion des Ressources Humaines (Licence et Master) Cycle des Master ISUGA-FRANCE 3. L’Institut d’Ingénierie Informatique d’Afrique Centrale (3i-AC) qui forme dans les cycles et filières suivantes : - - Cycle des TIC : Réseautique, Programmation Multimédia Cycle Master Européen : Cycle Ingénieur Cycle Master Professionnel pour Internet et Webmestre/Production Génie Électrique & Informatique Industrielle ; Génie Télécommunications & Réseaux ; Génie Énergétique et Environnement Maintenance industrielle 4. Programme International des Sciences et Technologies de l’Innovation (PISTI) qui forme dans les filières suivantes : - Cycle des Classes Préparatoires aux Grandes Ecoles d’Ingénieurs(CP) en partenariat avec l’université du Maine en France : Classes préparatoires (CP) et Licences Sciences & Techniques (LST) - Cycle Ingénieur Polytechnique (POLYTECH NANCY-France) Cycle Ingénieur de Génie Biomédicale avec l’université de TOR VERGATA en Italie Cycle Architecture et Design Industriel avec l’université de CAMERINO en Italie - L’étudiant du cycle ingénieur généraliste est tenu de monter un projet tuteuré en deuxième année ; dont le rapport est présenté et soutenu devant un jury. C’est dans ce cadre que nous avons travaillé sur la « RÉALISATION D’UN SYSTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICTÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE » vii Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE RÉSUMÉ Au cours de notre formation, nous avons la nécessité de travailler sur un projet tuteuré le long de la deuxième année dans le but d’être préparé à occuper des fonctions scientifiques ou techniques en vue de prévoir, créer, organiser, diriger et contrôler les travaux qui en découlent. C’est dans cette optique qu’il nous a été assigné un thème portant sur « LA RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE » d’où ce présent rapport. C’est dans ce but que nous avons étudié le système photovoltaïque ainsi que tout le nécessaire pour mettre sur pieds un générateur solaire pouvant alimenter de façon basique des petits appareils tels des smartphones, tablettes, des lampes d’éclairage. De plus, tenant compte du facteur rendement, nous avons également considéré l’association avec un suiveur solaire, qui est un système qui se déplace en fonction de la position du soleil au cours de la journée pour une production optimale. De ce fait, nous avons utilisés des notions en électronique à travers la carte arduino UNO et le logiciel PROTEUS ISIS ; mécanique lors de la conception assistée par ordinateur de notre système à travers les logiciels CATIA et SOLIDWORKS. Tous ceci nous a donc permis de nous rapprocher un peu plus du métier d’ingénieur qui est constamment appelé à mener à bien des projets de grandes envergure. viii Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE ABSTRACT During our training, we have the need to work on a project staked along the second year in order to be prepared to occupy scientific or technical functions in order to plan, create, organize, direct and control the works resulting from it. It is with this in mind that we have been assigned a theme on « THE REALIZATION OF A SYSTEM OF ELECTRICITY PRODUCTION FROM SOLAR ENERGY», hence this report. It is for this purpose that we studied the photovoltaic system as well as all the necessary to set up a solar generator that can power in a basic way small devices such as smartphones, tablets, lighting lamps. In addition, taking into account the efficiency factor, we also considered the association with a solar tracker, which is a system that moves according to the position of the sun during the day for optimal production. As a result, we used notions in electronics through the arduino UNO card and the PROTEUS ISIS software; mechanics when designing our system through CATIA and SOLIDWORKS software. All this has allowed us to get closer to the engineering profession that is constantly called upon to carry out large-scale projects. ix Projet tuteuré CHAPITRE1 : INTRODUCTION 1.1.Contexte général Face aux prévisions d‘épuisement inévitable des ressources mondiales en énergie fossile (pétrole, gaz, charbon...), en énergie d‘origine thermonucléaire (uranium, plutonium...), face aux multiples crises pétrolières, économiques, aux changements climatiques dus à l‘effet de serre, la science s‘est tout naturellement intéressée aux ressources dites " renouvelables " et notamment vers la plus ancienne, le Soleil, qui se déverse chaque jour. Au Cameroun, la consommation énergétique, est essentiellement assurée par les énergies fossiles (pétrole, gaz naturel et charbon) et la production hydraulique ; ce qui ne permet cependant pas de répondre aux attentes de la population, situation qui représente non seulement un frein pour le développement mais également pour le bien-être de tous. Or, la position géographique du Cameroun favorise le développement et l‘épanouissement de l‘utilisation de l‘énergie solaire. En effet, vu l‘importance de l‘intensité du rayonnement reçu, ainsi que la durée de l‘ensoleillement qui dépasse les dix heures par jour pendant plusieurs mois, notre pays peut couvrir certains de ses besoins à partir de l'énergie solaire tels que l’éclairage urbain ou le pompage. Ces avantages pourraient être profitables dans les régions les plus reculées. Dans cette lancée, il nous a été donnée dans le cadre de notre projet tuteuré de deuxième année en ingénierie le thème portant sur la « RÉALISATION D’UN SYSTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICTÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE ». De plus, dans le but d’optimiser la production de notre système, nous nous sommes donnés pour but d’associer à celui-ci un suiveur solaire. 1.2 Énoncé du problème Le problème qui se pose est la mise en œuvre d'un système de production d’électricité à partir de l’énergie solaire et associer à celui un système de poursuite solaire RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE qui est capable d'améliorer l'efficacité de la collecte de l'énergie solaire par des cellules photovoltaïques jusqu'à 30 à 40%. Le travail sera principalement axé sur le dimensionnement des éléments du système pour l’alimentation d’une habitation lambda ; puis sur la mise sur pied du système de poursuite à l’aide de la carte Arduino. 1.3 Justification du projet Ce projet a été mis sur pieds par l’Institut Universitaire de la Cote pour les étudiants de Polytech-Nancy II afin que ceux-ci soient confrontés aux tâches réservées au ingénieurs, c’est à dire savoir mener à bien un projet et ceux dans les délais attribués. 1.4 Objectifs Le projet a pour objectifs de : 1.5 - Permettre aux étudiant d’apprendre le travail d’équipe et de management ; - Développer l’esprit de recherche et de création des étudiants ; - Accroitre le savoir-faire des étudiants dans l’utilisation des logiciels académiques ; - Mettre sur pieds le système autour duquel gravite le projet Portée du projet Le projet a été abordé sur deux volets. Etant donné qu’il s’agissait de la réalisation d’un système de production d’électricité à partir de l’énergie solaire, nous avons au premier abord étudié système dans le cadre de l’alimentation d’une habitation lambda de la ville de Douala, puis nous l’avons étudié dans le cadre de la réalisation d’une minimaquette qui est composée d’un panneau solaire et d’un suiveur. 1.6 Méthodologie La mise sur pieds du système photovoltaïque a été principalement axé sur le dimensionnement des différents éléments le constituant à savoir : 2 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE - Le module photovoltaïque : Energie à produire et la puissance crête du module ; le nombre de panneaux nécessaire et la tension de fonctionnement ; - Le parc de batteries : La capacité des batteries ainsi que le nombre nécessaire ; - L’onduleur Le système de poursuite solaire lui peut être sous-divisé en trois parties. - L’étage d'entrée qui comprend des capteurs de lumière (résistances dépendantes de lumière ou LDR) et des résistances. Les deux sont montés de telle manière qu'ils forment un pont diviseur de tension, dont la tension du est alors proportionnelle à l'intensité de la lumière tombant sur les capteurs de lumière. - Le contrôle de commande assuré par la carte Arduino UNO qui prend les tensions analogiques provenant des capteurs en entrée, les compare et envoie un signal d'actionnement pour déplacer le moteur de manière appropriée. - Les servomoteurs qui ajuste de manière appropriée sa position, de manière à diriger le panneau vers le soleil. Enfin, un montage en bois est conçu et construit pour maintenir le panneau et les composants du suiveur solaire. 1.7 Rapport de projet organisation Le rapport de projet est divisé en 5 chapitres; Chapitre 1: L’introduction au projet ; Chapitre 2: Les généralités sur le thème ; Chapitre 2: Analyse fonctionnelle et choix des solutions ; Chapitre 3: Dimensionnement du système ; Chapitre 4: Mise en œuvre du projet. Chapitre 5: Résultats et des analyses. 3 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE CHAPITRE 2 : GÉNÉRALITÉS SUR LE THÈME 2.1.Technologie et structures photovoltaïque La plupart des cellules photovoltaïques sont faites de silicium, l’un des éléments les plus abondants sur la terre; le sable des plages est fait d’oxyde de silicium (silice). Les principales technologies industrialisées en série à ce jour sont le silicium mono- ou poly cristallin et le silicium en couche mince - Silicium poly-cristallin : Rendement allant de 12 à 14% - Silicium monocristallin : Rendement allant de 14 à 16% - Silicium amorphe en couche mince : Rendement allant de 7 à 9% 2.2.Avantages et inconvénients d’une installation PV 2.2.1. Avantages - L’installation ne comporte pas de pièces mobiles qui la rendent particulièrement appropriée aux régions isolée ; - Montage simple et adaptable à des besoins énergétiques divers, les systèmes peuvent être dimensionnés pour des applications de puissances allant du milliwatt au mégawatt Le coût de fonctionnement est très faible vu les entretiens réduits et il ne nécessite ni combustible, ni transport, ni personnel hautement spécialisé, ce qui lui confère un caractère écologique. 2.2.2. Inconvénients - La fabrication du module photovoltaïque relève de la haute technologie et requiert des investissements d’un coût élevé ; - Le rendement réel de conversion d’un module est faible, de l’ordre de 10-15 % ; - Lorsque le stockage de l’énergie électrique sous forme chimique (batterie) est nécessaire, le coût du générateur est accru. - Le stockage de l’énergie électrique pose encore de nombreux problèmes. 4 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE 2.3.Composants d’un système photovoltaïque (PV) L’énergie qu’il fournit par un module photovoltaïque est très variable, et toujours en courant continu ; il faut donc la stocker et parfois la transformer. On appelle "système photovoltaïque" l’ensemble du composant nécessaire à l’alimentation d’une application en toute fiabilité. Généralement, un système photovoltaïque comprend les différents éléments indiqués par la figure 1. F IGURE 1COMPOSANTS DE BASE D ’ UN SYSTEME PV 2.3.1. Générateur photovoltaïque (GPV) Le générateur photovoltaïque GPV représente la partie de production d’énergie électrique. 2.3.2. Contrôle et stockage d’énergie L’intensité électrique que fournissent ces modules dépend, l’ensoleillement et de leur positionnement, d’où une irrégularité dans la fourniture d’énergie qui peut ne pas être compatible avec les besoins en énergie, généralement plus constants. Il est donc souvent nécessaire de stocker et contrôler l’approvisionnement en électricité à l’aide de batteries et de régulateur de charge. Pour les charges alternatives, il est nécessaire d’utiliser un onduleur (convertisseur DC/AC) qui assure leur fonctionnement. 5 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE 2.3.3. Utilisation de l’énergie Cette partie se compose essentiellement d’un ou plusieurs récepteurs qui sont appelées charges. 2.4.Principe de fonctionnement Un système photovoltaïque avec batterie peut être comparé à une charge alimentée par une batterie qui est chargée par un générateur photovoltaïque. - Le champ de modules PV charge la batterie en période d’ensoleillement; - La batterie alimente la charge et assure un stockage de l’énergie électrique ; - Le régulateur de charge protège la batterie contre la surcharge de l’énergie produite par le champ de modules PV et inclut habituellement une protection contre les décharges profondes de la batterie; - L’onduleur permet l’utilisation d’appareil à courant continu (DC) à tension variable ou à courant alternatif (AC) (onduleur). 2.5.Générateur photovoltaïque Le générateur photovoltaïque GPV est composé d’un ou plusieurs modules photovoltaïques. Ces modules sont formés d’un assemblage série /parallèle de cellules photovoltaïques, qui réalise la conversion d’énergie solaire en électricité. F IGURE 2 : S CHEMA D ’UNE CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE 6 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE 2.5.1. Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque Dans une cellule photovoltaïque basée sur une jonction PN, une excitation lumineuse crée aux alentours de la jonction, des paires électrons-trou qui se déplacent sous l’influence du champ électrique de la jonction. La naissance d’une différence de potentiel lorsque les porteurs de charges sont crées dans les environs de la jonction par excitation lumineuse, permet à la cellule de fonctionner comme un générateur électrique quand les deux faces de la cellule sont électriquement reliées à une charge. F IGURE 3 : P RINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’ UNE CELLULE PV Avec : E : énergie de photon(ev) h : constante de Planck V : fréquence de la lumière C : vitesse de la lumière l : longueur d’onde de la lumière La tension maximale de la cellule est d’environ 0.6 V pour un courant nul. Cette tension est nommée tension de circuit ouvert (VOC). Le courant maximal se 7 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE produit lorsque les bornes de la cellule sont court-circuitées, il est appelé courant de court-circuit (ICC) et dépend fortement du niveau d’éclairement. 2.5.2. Modélisation d’une cellule photovoltaïque Le schéma équivalent de la cellule solaire est présenté dans la figure 4, qui consiste en une source de courant idéale, branchée avec une diode en parallèle, deux résistances pour tenir compte des pertes interne. F IGURE 4 : C IRCUIT EQUIVALENT D ’ UNE CELLULE PV Rserie représente la résistance série qui tient compte des pertes ohmiques du matériau des métallisations et du contact métal/semi-conducteur. Rshunt représente une résistance parallèle (ou résistance de fuite) provenant de courants parasites entre le dessus et le dessous de la cellule par le bord en particulier et à l’intérieur du matériau par des irrégularités ou impuretés. 2.6.Caractéristiques d’un module solaire PV - Puissance de crête, Pc : Exprimée en watt-crête (Wc), c’est la puissance électrique maximum que peut fournir le module dans les conditions standards (25°C et un éclairement de 1000 W/m²) ; - La caractéristique I/V : Courbe représentant le courant (I) débité par le module en fonction de la tension (V) aux bornes de celui-ci ; - Tension à vide, Vco : Tension aux bornes du module en l’absence de tout courant, pour un éclairement " plein soleil ; 8 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE - Courant de court-circuit, Icc : Courant débité par un module en court-circuit pour un éclairement " plein soleil " ; - Point de fonctionnement optimum, (Vm, Im) : Lorsque la puissance de crête est maximum en plein soleil, Pm = Vm*Im ; - Rendement : Rapport de la puissance électrique optimale à la puissance de radiation incidente ; - Facteur de forme : Rapport entre la puissance optimale Pm et la puissance maximale que peut avoir la cellule ; 2.7.Module et groupement de cellules en série La tension générée par une cellule étant très faible (de l’ordre de 0.6 - 0.7v), il faudra dans la majorité des cas, associer en série un certain nombre de cellules pour obtenir des tensions compatibles avec les charges à alimenter. La figure 5 donne le schéma d’un module de cellules en série fermé sur sa résistance R’. F IGURE 5 : SCHEMA D ’UN MODULE F IGURE 6 : CARACTERISTIQUE I(V) D ’UN FERME D ’UN GROUPEMENT EN SERIE GROUPEMENT DE NS CELLULES EN SERIE . Avec : Ns : nombre de cellule en série G : groupement de Ns cellules R’: la charge 9 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE On constate immédiatement qu’à la figure5, correspondant à la mise en série de Ns générateurs de courant, le courant généré par les cellules est le même dans toute la branche ainsi que dans la charge. Alors que la tension résultante est la somme des tensions de chaque cellule. Donc il ne faudra connecter en série que des cellules identiques. La figure6, présente la caractéristique courant-tension d'une seule cellule et de groupement de Ns cellules en série. La caractéristique du groupement G est obtenue en multipliant point par point et pour un même courant, la tension Vi par Ns. Fermé sur l'impédance R', le groupement série délivrera le courant I sous la tension Ns*Vi. Chacune des Ns cellules générant ce courant I et la tension Vi. La construction graphique de la figure 6 suppose que la connexion en série des cellules n'introduit pas de résistances parasites (série ou shunt) supplémentaires. L'impédance optimale pour le groupement série est Ns fois plus grande que l'impédance optimale pour une cellule de base. 2.8.Module et groupement de cellules en parallèle Il est possible d'augmenter le courant fourni à une charge en plaçant en parallèle. Plusieurs cellules ou modules photovoltaïques comme indiqué sur la figure7. Sur celle-ci, les générateurs de courant représentent soit des cellules individuelles, soit des cellules en série (modules), soit des modules en série (branches). On constate dans ce cas que la tension générée est la même pour toutes les cellules (ou tous les modules ou toutes les branches). Donc il ne faudra connecter en parallèle que des cellules, des modules, ou des branches identiques. La figure8, présente la courbe de puissance résultante (G) pour le groupement parallèle considéré. F IGURE 7 : SCHEMA D ’UN MODULE FERME D ’UN GROUPEMENT EN PARALLELE 10 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE F IGURE 8: CARACTERISTIQUE I(V) D ’UN GROUPEMENT DE NS CELLULES EN PARALLELE . Avec : Np : nombre de cellule en parallèle G : groupement de Np cellules R’’: la charge Cette courbe est obtenue en multipliant point par point par Np (nombre d'éléments en parallèle) et pour chaque valeur de la tension, le courant de la courbe correspondant à une cellule élémentaire fermé sur une résistance R". Le groupement parallèle délivrera le courant Np.ll sous la tension V. Chacune des Np branché en parallèle génère le courant Ii. La construction graphique de la figure9 suppose que la connexion en parallèle n’introduise pas des résistances parasites (série ou shunt) supplémentaires. L'impédance optimale pour le groupement parallèle est Np fois plus faible que l'impédance optimale pour une branche. 2.9.Positionnement Comme mentionné auparavant, l’énergie fournie par le panneau PV dépend fortement de la quantité d’éclairement solaire absorbée par ce dernier. Cette quantité dépend de l'orientation du panneau par rapport au soleil. Pour collecter le maximum d'énergie, le panneau PV doit être constamment orienté perpendiculairement aux rayons solaires (Figure 9). 11 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE F IGURE 9 : DEPENDANCE DES PERFORMANCES D ’UN PANNEAU PV DE L ’ANGLE ß . Avec : β :l’angle formé entre le plan du panneau et les rayons lumineux incidents, L’angle optimal correspond à un angle de 90° comme indiqué dans la figure 10 Chaque fois que cet angle diminue ou augmente, la surface (m²) du panneau exposé aux rayons diminue et donc en partant de la puissance produite, le rendement diminue aussi, d’où l’importance de l'orientation des panneaux par rapport à la position du Soleil. Le rendement en puissance solaire exploitée peut être calculé à l’aide de l’équation suivante : R = sin (ß) × 100 F IGURE 10: RENDEMENT EN PUISSANCE SOLAIRE EXPLOITEE EN FONCTION DE L 'ANGLE ß DES RAYONS SOLAIRES . 12 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE 2.10. Angle d’inclinaison Un autre facteur qui influence sur les performances du panneau PV est l’angle d’inclinaison, qui correspond à l’angle formé par le plan du panneau solaire par rapport à l’horizontale (le plan du sol). F IGURE 11: REPRESENTATION DE F IGURE 12: REPRESENTATION DES EQUINOXES ET SOLSTICES ET L ’ INCLINAISON DE L ’ AXE DE ROTATION DE LA TERRE PAR RAPPORT A SON PLAN DE TRANSLATION En Leffet, ’ ANGLEl’évolution D ’INCLINAISONde Θ . la trajectoire du soleil varie selon les saisons AUTOUR DU SOLEIL . Cependant si l’on désire maximiser la puissance générée par un panneau PV et avoir un rendement optimal, il faut tenir compte de tous ces paramètres et contraintes liées à l’orientation du module ainsi que la position du soleil. Ceci peut être assurée par un système de poursuite solaire (suiveur soleil ou encore dit tracker solaire (appellation courante) permettant de suivre le soleil tout au long de la journée. Pour cela, la structure possède deux degrés de liberté : une rotation horizontale pour régler l’azimut et une rotation verticale pour l'inclinaison. Ce système permet ainsi, aux panneaux photovoltaïques de suivre continuellement et en temps réel la trajectoire du soleil pour assurer une production électrique maximale. 2.11. Technologie des suiveurs solaires Les premières applications des suiveurs solaires remontent vers les années 1750 où le principe reposait sur l’utilisation de l’héliostat. De nos jours, on distingue principalement deux grandes familles de suiveurs solaires: les passifs et les actifs. 13 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE - Le suiveur passif est constitué dans son architecture de deux tubes en cuivre montés sur les côtés Est et Ouest du panneau PV. Le tube de matière cuivre (entouré dans la figure 14) est rempli de fluides chimiques capable de se vaporiser à basse température. En effet, lorsque l'exposition au rayonnement solaire augmente la température d'un côté du panneau, le composé dans le tube en cuivre se vaporise. La partie gazeuse du composé occupe un plus grand volume interne, et sa partie liquide est décalée vers le côté ombragé. Cette opération de transfert de masse ajuste l'équilibre du panneau PV en le faisant tourner vers la source des rayons solaires. F IGURE 13: REPRESENTATION D ’UN SUIVEUR PASSIF Les suiveurs solaires actifs utilisent le principe de la détection de lumière, suivant la trajectoire solaire en cherchant à optimiser au maximum l’angle d’incidence du rayonnement solaire sur leur surface. Il existe deux types dans cette famille : les suiveurs mono-axe et double axe. L’avantage de ces derniers par rapports aux suiveurs passifs c’est qu’ils représentent une meilleure précision de suivi et ne nécessitent aucune intervention manuelle pour les ajuster F IGURE 14: SUIVEUR ACTIF MONO - AXE F IGURE 15: SUIVEUR ACTIF DOUBLE AXE . 14 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE Il existe deux grandes techniques pour assurer le suivi et ce en tenant compte de la précision voulue. L’une repose sur le calcul de la position du soleil en se basant sur les équations géométriques et astronomiques prédéfinies et qui nécessite une intervention manuelle pour modifier la latitude du site, la date du jour et l’heure. Cette technique est dite la méthode astronomique du fait que la position est directement fonction du parcours solaire préprogrammé. L’autre méthode est dite active, permanente ou asservie vu que les algorithmes adoptés sont basés sur des capteurs de lumière, photorésistances ou cellules PV pour déterminer la position du soleil à tout moment, permettant ainsi un suivi instantané et notamment une orientation optimale du panneau. C’est vers cette dernière que va s’orienter notre travail, en réalisant un système de poursuite automatique. 15 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE CHAPITRE 3 : ANALYSE FONCTIONNELLE ET CHOIX DES SOLUTIONS 3.1.L'analyse fonctionnelle externe du système L'analyse fonctionnelle externe consiste à analyser les besoins auquels devra répondre le produit, les fonctions de service qu'il devra remplir, les contraintes auxquelles il sera soumis et à caractériser ces fonctions et ces contraintes. C'est la base de l'élaboration du Cahier des Charges Fonctionnel 3.1.1. Problématique : Orienter le panneau solaire perpendiculairement aux rayons du soleil afin d’avoir le meilleur rendement dans la production électrique. Ce réglage varie dans la journée compte tenu de la rotation de la terre. 3.1.2. Analyse Du Besoin BESOIN : Produire de l’énergie électrique et recharger les batteries ;. PRODUIT : Panneau solaire suiveur. Utilisateur Soleil À qui ce système rend- Sur quoi agit-il? t.il service Panneau solaire suiveur Dans quel but ? Orienter un panneau solaire perpendiculairement au soleil et produire de l’énergie électrique. F IGURE 18: ANALYSE DU BESOIN Projet tuteuré 16 RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE 3.1.3. Validation du besoin - Qu’est-ce qui pourrait faire évoluer le besoin et par conséquent le produit ? La présence des Batteries de très grandes capacités de charge. - Qu’est ce qui pourrait faire disparaître le besoin et par conséquent le produit ? L’utilisation des systèmes automatisés plus sophistiqué. 3.1.4. Enoncé des différentes fonctions de service. Utilisation d’un diagramme des interactions :’’pieuvre’’ F IGURE 19: DIAGRAMMES PIEUVRE 17 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE Fonctions Définition Critère d’appréciation FP1 Orienter le panneau au mieux et capter l’énergie solaire pour la production électrique Mesure d’angle, de courant et de tension FP2 Permettre d’effectuer des mesures électriques Mesure de courant et de tension FC1 Fournir une énergie électrique qui sera stockée Puissance fournie dans le batteries FC2 Etre sur un support Stabilité, angle et vitesse du vent, FC3 Etre agréable à voir Matériaux, couleur, organisation FC4 Avoir un cout optimal Coût abordable FC5 Résister au milieu ambiant et aux intempéries FC6 Etre peu encombrant Humidité, vitesse du vent Démontage, taille FC7 Etre adaptable à un onduleur Dimensionnement T ABLEAU 1: DEFINITION DES FONCTIONS DU DIAGRAMME PIEUVRE 3.2.L'analyse fonctionnelle interne du système Un produit peut être considéré comme le support matériel d’un certain nombre de fonctions techniques. L’analyse fonctionnelle interne d’un produit dégage chaque fonction technique permettant d’assurer les fonctions de service et permet la matérialisation des concepts de solutions techniques. C’est le point de vue du concepteur. Ce type d’analyse consiste à rechercher les fonctions techniques, les solutions optimales et les composants qui doivent satisfaire une fonction de service. 18 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE 3.2.1. - FAST de description du système de notre système Pour rechercher le maximum de solutions, il est nécessaire de procéder à une recherche progressive et descendante des fonctions techniques à partir de chacune des fonctions de service. L'outil permettant de réaliser et de visualiser cet enchaînement s'appelle le F.A.S.T. signifiant : Function Analysis System Technic, que l'on peut traduire par : Technique d'Analyse Fonctionnelle et Systématique. F IGURE 20: DIAGRAMMES FAST Projet tuteuré 19 RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE 3.2.2. - SADT, Actigramme A-0, Actigramme niveau A1 La méthode SADT est une méthode graphique qui part du général pour aller au particulier. Elle permet de décrire des systèmes où coexistent des flux de matières d'œuvre (produits, énergies et informations). Elle s'appuie sur la mise en relation de ces différents flux avec les fonctions que remplit le système. C1 E C3 C2 C4 Transformer l’énergie solaire en énergie électrique avec le meilleur rendement possible S1 S2 M F IGURE 21: SADT A-0 E S1 S2 M C1 C2 C3 C4 Références Energie solaire Information d’état Energie électrique disponible Panneau solaire Présence de l’énergie et détection Informations sur la position du soleil Mise en rotation pour suivi du soleil Paramètres de fonctionnement T ABLEAU 2: REFERENCES DU SADT A-0 20 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE F IGURE 22: SADT NIVEAU A1 3.3.Listes des exigences La liste des exigences sera représentée pour nous par un tableau indiquant les exigences et souhaits voulues par le demandeur de projet, qui est dans notre cas notre université dans le cadre d’un projet tuteuré. 21 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE Donneur du projet : L’Institut Légende : Liste des exigences Universitaire De La Côte E : Exigence S : Souhait Projet : Système de production Contrat N0 : électrique à partir de l’énergie solaire E/S N0 E/S Désignation E 1 Produire de l’électricité E 2 Etre commandé par une carte Arduino Exécutant : - De Wandji N - Ngamo A. ou un microprocesseur E 3 Etre dimensionner pour alimenter en continu et en alternatif E 4 Respecter les normes en vigueur E 5 Etre peu couteux S 1 Etre rotatif en Azimut et par rapport à l’horizontale T ABLEAU 3: L ISTE DES EXIGENCES 3.4. - Proposition de solutions Panneau solaire Le panneau solaire est l’élément clé de notre système car c’est de lui que découle l’énergie électrique. De ce fait, il doit répondre à des attentes par rapport à cette production. Nous avons dans ce cas deux solutions que nous pouvons proposer : Le panneau solaire monocristallin (S1) et le panneau solaire poly-cristallin(S2). 22 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE - Technologie du suiveur solaire La technique de suivi du soleil est assurée par trois solutions à savoir : Le panneau solaire fixe (S0), le suiveur solaire mono-axe (S3) et le suiveur solaire dual-axe (S4). 3.4.1. Valorisation par critères: Pour l’ensemble des solutions et vis-à-vis de chaque critère, on attribue une note qui varie de 1 à 3. Intérêt de la solution Note 1 Faible 2 Moyenne 3 Bien adaptée T ABLEAU 4: C HOIX DE SOLUTIONS : VALORISATION PAR CRITERES 3.4.2. Valorisation globale: Les fonctions services n’ont pas tous la même importance au niveau de choix. Pour cette raison, en associe à chaque critère un coefficient de pondération K Importance de la solution 1 Utile 2 Necessaire 3 Important 4 Très important 5 Vitale T ABLEAU 5: C HOIX DE SOLUTIONS : VALORISATION GLOBALE 23 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE 3.5.Selection des solutions - Choix des solutions S1 et S2 (Choix du type de panneau solaire) Critères : C1 : Le rendement C2 coût minimal C3 Écologique C4 Adaptation aux zones reculées - - Valorisation par critères Critères S1 S2 C1 3 2 C2 1 3 C3 2 3 C4 3 2 Valorisation globale Critères k S1 S2 C1 5 15 10 C2 4 4 12 C3 4 8 12 C4 3 9 6 36 40 Total pondéré 24 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE - Analyse des résultats D’après le calcul que nous venons d’effectuer nous pouvons conclure que la solution S2 (panneau solaire poly-cristallin) ayant le plus grand coefficient pondéré est la solution la plus adapté. - Choix des solutions S3 et S4 (Choix de la technologie du suiveur) Critères C1 : La stabilité C2 : Rendement C3 : Cout minimal C4 : Facilité de réalisation C5: Suivie du soleil - - Valorisation par critères Critères S0 S3 S4 C1 3 3 3 C2 1 2 3 C3 3 2 1 C4 3 2 1 C5 0 2 3 Valorisation globale 25 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE Critères k S0 S3 S4 C1 3 9 15 15 C2 5 5 10 15 C3 3 9 6 3 C4 5 15 10 5 C5 5 0 10 15 39 51 53 Total pondéré Analyse des résultats D’après le calcul que nous venons d’effectuer nous pouvons conclure que la solution S 4 (Système à croisillons) qui présente le coefficient pondéré le plus élevé est la meilleure solution de technique de suivi est celle du suiveur solaire dual-axe 26 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE CHAPITRE4 : DIMENSIONNEMENT Tout système photovoltaïque nécessite un dimensionnement avant son installation. Le dimensionnement consiste à déterminer la taille du champ photovoltaïque du stockage électrochimique et de la puissance du convertisseur en tenant compte des conditions d’ensoleillement, de la demande énergétique et du cout des éléments. Notre projet entre dans le cadre du ravitaillement en électricité à partir de l’énergie solaire. Nous nous sommes donné comme site d’étude une habitation lambda de la ville de Douala et allons donc faire un dimensionnement d’une installation photovoltaïque adéquate 4.1.Présentation du site Notre projet entre dans le cadre du ravitaillement électrique d’une habitation Les coordonnées géographiques de Douala sont : - Latitude :4.04 Nord; - Longitude : 9.42 Est° ; - Altitude : 19m - Mois le plus chaud : Février ; mois le moins chaud : Aout - Température Min =200 C ; température max = 400 - Irradiation moyenne annuelle: 5kWh/j/m2 Panneau solaire (générateur photovoltaïque) : IMAX=4.55A VMAX=17.6V PMAX=160Wc VOC=22.1V ISC=4.8A 4.2.Estimation du besoin énergétique La méthode la plus utilisée pour l’estimation des besoins de puissance et d’énergie, consiste à recenser les différents appareils électriques et leurs durées d’utilisation. 27 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE Pour mesurer la puissance totale maximale nécessaire pour le bon dimensionnement de l’installation photovoltaïque, nous avons fait en sorte que tous les appareils soient en plein fonctionnement. Les puissances relevées des plaques signalétiques des différents équipements électriques et l’estimation des durées de leur fonctionnement et des énergies consommées sont illustrés dans le tableau, cité ci-dessous ; ceci tenant compte que les énergies consommées en (Wh/jr) par les charges sont calculés comme suit : Description Nombre des charges Lampes Puissance Puissance Temps utile Énergie unitaire(W) totale (W) (h/j) consommée (Wh/j) 10 80 8 640 500 1 500 8 Climatiseur 1 TV plasma 1 200 200 3 600 Laptop 2 25 50 3 150 Desktop 1 80 160 1 160 Modem 1 5 5 16 80 Moulinex 1 200 200 0.5 100 Réfrigérateur 1 250 250 16 4000 Smartphone 4 5 20 10 200 Ventilateur 1 50 50 5 250 500 Totale (Wh / j) 4940.58 T ABLEAU 6 : ESTIMATION ENERGETIQUE 28 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE 4.2.1. Calcul de l’énergie à produire L’énergie à produire par le champ photovoltaïque est calculé par la formule suivante : Epv : l’énergie à produire par le champ photovoltaïque en (Wh / jr). Ec : L’énergie totale consommée en (Wh / j). K : Le coefficient correcteur dont la valeur pratique est de :0.65. Pour notre installation l’énergie à produire est de : EPV= 4940.58 /0.65 Donc EPV =7600.90Wh/j 4.2.2. Calcul de la puissance crête totale du champ photovoltaïque La puissance crête totale du champ photovoltaïque, dépend de l’irradiation quotidienne du lieu d’utilisation, elle est donnée par : Ir : L’irradiation moyenne annuelle. Ppv =7600.9 / 5 Donc : Ppv = 1520.18Wc. La tension du champ photovoltaïque dépend du type d’application, de la puissance photovoltaïque du système, de la disponibilité des matériels (modules et récepteur), de l’extension géographique du système. Elle est choisie généralement en fonction de la puissance crête du champ tel que ; Puissance du champ Tension en Volt (DC) 0-500Wc 500Wc-2KWc 12V 2-10KWc >10Wc 48V >48V 24V T ABLEAU 7 : C HOIX DE LA TENSION DE FONCTIONNEMENT Pour notre installation nous choisissons une tension de 24Volt (VDC). 29 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE 4.3.Détermination du nombre de modules à installer Le nombre des modules photovoltaïques est calculé en fonction des caractéristiques du module choisi et de la puissance crête du générateur par l’équation suivante ; Avec : Ppv: puissance crête de l’installation ; Pc : puissance crête unitaire. Le nombre de modules connectés en série est égale a ; Avec : Vpv : Tension du générateur PV ; Vu : Tension nominale unitaire. Le nombre de modules connectés en parallèle est égale à ; Pour notre installation on choisit les mêmes panneaux utilisé dans les autres puits de gaz. Le nombre total de module à installer ; Nm =1520.18Wc / 160 Wc. Donc ; Nm = 9.5 soit nous utiliserons 10 panneaux poly-cristallins de 24V/160W dont deux seront montés en série et 5 en parallèle. 4.4.Dimensionnement des batteries Les batteries solaires stockent l’énergie électrique sous forme chimique pour la restituer quand la demande est supérieure (nuit, ensoleillement insuffisant) à ce qui est fourni par les panneaux photovoltaïques. Elles sont généralement dimensionnées pour 30 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE pouvoir fournir une alimentation pendant plusieurs jours. Le calcul de la capacité C du parc de batteries dépend de plusieurs données à savoir : - N : Le nombre de jours avec un ensoleillement insuffisant (en moyenne 3 jours en Afrique de l’Ouest) - D : La demande énergétique quotidienne exprimée en Wh/jour. Il s’agit de l’énergie nécessaire pour alimenter les appareils électriques. - U : La tension sous laquelle est installée le parc de batterie qui est 24V - L : La profondeur de décharge maximum des batteries (0.8) On a alors la relation : C(Ah) = 𝑫∗𝑵 𝑳∗𝑼 C (Ah) = 4940.58 *3/ 0.8*24 d’où C=386Ah. D’après les conditions climatiques du site, nous utiliserons 3 batteries de type (Ni-ça) de 120Ah/24V car leur marge de fonctionnement correspond à notre site (20 C; 45oC). Dimensionnement de l’onduleur 31 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE CHAPITRE5: MISE EN ŒUVRE DU SUIVEUR Dans ce chapitre il est question pour nous de mettre sur pied le système de poursuite du soleil. Notre système de poursuite contrôle le mouvement d‘un capteur solaire au moyen d‘un programme informatique. Le module est orienté à l‘aide de deux axes pour suivre automatiquement le soleil sur une trajectoire traduite en programme sur un microcontrôleur Arduino. F IGURE 23 : A LGORITHME DE FONCTIONNEMENT 32 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE 5.1.Algorithme pour la commande du moteur Les lectures des résistances dépendantes de lumière LDR sont prises en entrée par le microcontrôleur. Les entrées sont analogiques, ils sont convertis en valeur numérique dans la plage comprise entre 0-1023. La plus grande des valeurs correspond à la direction de plus grande intensité lumineuse. Les valeurs numériques sont comparées et la différence entre elles est obtenue. Cette différence est l'erreur qui est proportionnel à l'angle de la rotation des servomoteurs. Ceux-ci tournent jusqu'à ce que la différence devient nulle. Autrement dit, les tensions LDR sont les mêmes. Le panneau photovoltaïque est maintenant face à la direction de la plus grande intensité de la lumière. On a alors l’algorithme de fonctionnement de la figure23. 5.2.Description des composants électroniques 5.2.1. La carte Arduino UNO : Il s’agit d’une carte électronique fonctionnant en 5V permettant de stocker un programme au préalable écrit grâce au logiciel Arduino puis de la faire fonctionner à partir soit d’un montage électronique physique, soit d’une simulation (Proteus Isis). 33 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE Dans notre projet, nous avons utilisé la carte Arduino UNO pour les raisons suivantes : - Elle offre une capacité de mémoire et grand un nombre de broches numériques d'entrée/sortie ; - Le logiciel Arduino compatible sous la plupart des systèmes d’exploitation ; - Un environnement de programmation clair et simple : l'environnement de programmation Arduino est facile. 5.2.2. Capteur de lumière (LDR) et résistances de 10kΩ Une résistance dépendant de la lumière est un composant qui a une résistance qui change en fonction de l'intensité de la lumière tombant sur elle. Le diagramme ci-dessous montre un LDR typique et le symbole du circuit correspondant. F IGURE 24 : REPRESENTATION D ’UNE LDR Le capteur de lumière est un composant passif qui possède la caractéristique que la résistance est inversement proportionnelle à la quantité d'intensité de la lumière dirigée vers celle-ci. F IGURE 25 : CARACTERISTIQUE R = F (I) 34 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE Pour utiliser le LDR, il est placé en série avec une résistance comme le montre la figure26. F IGURE 26 : M ONTAGE D ’UNE LDR EN PONT DIVISEUR AVEC UNE RESISTANCE 5.2.3. Les servomoteurs Les servomoteurs sont de petits dispositifs mécaniques dont le seul but est de faire tourner un arbre minuscule. Ils utilisent la rétroaction pour la commande en boucle fermée de systèmes dans lesquels le travail est la variable. Lorsque l'arbre du moteur est à la position souhaitée, l'alimentation électrique vers le moteur est arrêtée. Sinon, le moteur tourne dans la bonne direction. La position désirée est envoyée par des impulsions électriques par l'intermédiaire du fil de signal. La vitesse du moteur est proportionnelle à la différence entre la position réelle et la position qui est souhaitée. Par conséquent, si le moteur est proche de la position souhaitée, il tourne lentement. Dans le cas contraire, il est rapide. P HOTO 1 : SERVOMOTEUR ET CONSTITUTION 35 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE Nous avons utilisé les servomoteurs à la place d’autres moteurs types (moteur pas à pas) car ils sont plus puissants et précis que ces dernier pour une même alimentation, cependant ils sont un peu plus chers. 5.3.Simulation sur Proteus Isis et maquette 3D La simulation de notre suiveur sur Proteus se fait en quatre étapes. 5.3.1. Etape 1 : Compilation sur le logiciel Arduino - Activation du logiciel Arduino ; - Programmation de notre système suiveur (dont un bout du code est en annexe) ; - Compilation de notre programme en choisissant comme port le COM25 qui correspond à la carte Arduino UNO ; 5.3.2. Etape 2 : Représentation sur Proteus Isis - Sélectionner des éléments du montage électronique ; - Lier ces éléments en les raccordant tenant compte des potentiels ; - Mettre les alimentations 5V (Power ou DC) et les masses(Ground) ; - Vérifier le montage résultant. 5.3.3. Etape 3: Importation du code Arduino pour la simulation Il s’agit juste de double cliquer sur la carte Arduino UNO du montage et dans « code source », insérer le chemin d’accès du code de fonctionnement puis de valider. 5.3.4. Etape 4 : Simulation sur Proteus Isis Une fois les trois étapes précédentes passées, il ne reste plus qua simuler comme on peut le voir sur la figure27. 36 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE F IGURE 27 : SIMULATION 1 SOUS PROTEUS ISIS Sur cette image, les quatre LDR reçoivent chacune une énergie lumineuse, celles-ci sont comparées entre elle le code de fo0nctionnement qui actionne la rotation du Servo_Hori dans le sens horaire jusqu’à ce qu’il soit à -30.1 degrés. F IGURE 28 : SIMULATION 2 SOUS PROTEUS ISIS Projet tuteuré 37 RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE Ici, les servomoteurs tournent dans le sens antihoraire. La simulation nous a permis de comprendre que le suiveur fonctions, il ne manque plus que la réalisation. 5.3.5. Maquettes 3D 38 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE 39 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE 40 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE 41 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE CONCLUSION . BIBLIOGRAPHIE 42 Projet tuteuré RÉALISATION D’UN SYTÈME DE PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ À PARTIR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE ANNEXE 43 Projet tuteuré