Partie 1 - Recherche - Voiture à énergie solaire

2012
Éducation à la technologie
Moyen de transport
VOITURE SOLAIRE
Ministère de l’Éducation du Nouveau-Brunswick en collaboration
avec le département d’Électronique
CCNB-Campus de Bathurst
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A.
CONTEXTE TECHNOLOGIQUE
Situation problématique
On parle de plus en plus aujourd’hui de réchauffement de la planète. La cause
majeure de ce réchauffement est les gaz à effet de serre. Quand on parle de gaz
à effet de serre, notre bonne voiture qui consomme des produits dérivés du
pétrole est pointée du doigt. Une compagnie de la région a décidé de s’attaquer
au problème et veut mettre sur le marché une voiture solaire. La compagnie
« Solex » voit grand, mais a besoin d’expertise dans le domaine des énergies
vertes spécialement en énergie solaire et dans le domaine des moteurs
électriques.
Problème :
Tu fais partie d’une équipe qui a été embauchée par la compagnie « Solex »
dans le but de construire une voiture entièrement propulsée par l’énergie solaire.
B.
CONTEXTE TECHNOLOGIQUE
Parmi les différentes options de systèmes technologiques qui pourraient
répondre aux besoins de la compagnie, ce module te propose de
construire un modèle réduit de ta propre voiture solaire. Ce prototype
devra être testé et tu devras en évaluer ses performances. Par la suite, tu
devras présenter ta voiture à la compagnie et les convaincre que ta
voiture va vraiment faire une différence au problème des émissions des
gaz à effet à serre.
Contrainte et exigence de la solution
Selon les contraintes et exigences imposées, tu dois construire une
voiture capable de se mouvoir en ligne droite sur une surface plane. La
voiture doit être en mesure de parcourir une distance de 10 mètres le plus
rapidement possible. Elle sera équipée d’un petit moteur électrique
alimenté par un panneau solaire. Le produit final doit être esthétique,
c’est-à-dire avoir une belle apparence et une bonne solidité.
Ressources/matériel permis
Un panneau solaire
Un moteur électrique
Deux plaques de bois 10½ po x 4 po
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Deux clips alligators
Quatre roues
Deux essieux 5½ po
Quatre bandes élastiques
Une roue dentelée à deux rayons
Quatre rondelles d’espacement
Colle à bois
1. Nomme et explique différentes applications de l’énergie solaire.
2. Effectue une recherche d’informations afin de déterminer les différents types de
voitures solaires.
3. Selon toi, parmi les différentes options de la question 2, laquelle respecterait le
mieux les contraintes et exigences associées au contexte ainsi qu’au problème
et explique pourquoi?
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C.
INTRODUCTION
Le Soleil est une source d’énergie gigantesque. De toute l’énergie
produite par le soleil, une grande partie est perdue dans l’espace. Une
certaine quantité réussit à atteindre notre planète. De cette quantité, on
doit enlever l’énergie qui est soit réfléchie ou absorbée par notre
atmosphère, en autres, par la couche d’ozone. Donc, une petite quantité
de l’énergie totale produite par le soleil est disponible à la surface de la
terre.
Figure 1
La quantité d’énergie qui est disponible au sol varie d’une région à l’autre;
et pour une région donnée, elle varie avec les saisons et avec la
température.
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L’énergie solaire a toujours fasciné l’homme. Ce n’est pas d’hier que
l’homme rêve de pouvoir utiliser cette énergie pour chauffer les maisons,
pour alimenter les voitures et alimenter les centrales électriques. On utilise
l’énergie solaire depuis des millénaires pour faire sécher le linge que l’on
étend dehors. Mais, depuis une vingtaine d’années avec le
développement technologique des piles solaires aussi appelées « Pile
Photovoltaïque » ou tout simplement « PV », les choses sont en train de
changer. Il est maintenant possible de convertir l’énergie solaire
directement en énergie électrique et alimenter des maisons en électricité
ou alimenter des moteurs électriques pour faire avancer des voitures.
Au début, les panneaux solaires étaient très inefficaces et seulement une
très petite quantité d’énergie solaire disponible à leur surface pouvait être
convertie en électricité. Aujourd’hui, on voit sur le marché des panneaux
solaires faits avec de nouveaux matériaux qui sont de plus en plus
efficaces. Il y a énormément de recherches qui sont faites autour de cette
technologie et la voiture solaire n’est plus un rêve, mais une réalité.
L’énergie solaire est une énergie gratuite et sans pollution. On la
considère comme une énergie verte.
4. Qu’est-ce que l’énergie solaire?
5. Quelles sont les avantages de l’énergie solaire?
6. En faisant une recherche dans Internet, explique l’évolution des panneaux
solaires.
7. Identifie différentes carrières et possibilités d’études postsecondaires qui
pourraient être associées à l’énergie solaire.
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E.
CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUES
La pile solaire :
La pile solaire convertit directement l’énergie solaire en énergie électrique.
La pile solaire est faite de semi-conducteur. Un semi-conducteur est un
élément qui n’est ni bon conducteur, ni bon isolant électrique. Pour
déterminer si un élément est un bon conducteur ou un bon isolant, on se
base sur le nombre d’électrons de valence que possède l’atome de cet
élément.
Composition de l’atome :
L’atome est composé d’un noyau qui est au centre dans lequel on
retrouve les protons et les neutrons. Les protons possèdent une charge
positive et les neutrons eux n’ont pas de charge; ils sont neutres. Les
électrons eux ont une charge négative et gravitent autour du noyau. Les
électrons de la dernière couche s’appellent les électrons de valence.
Figure 2
Le modèle de l’atome
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Dans un atome à l’état stable ou neutre, le nombre d’électrons égal le
nombre de protons.
« Résumé du modèle »
Noyau
Le centre de l’atome
Possède les protons et les neutrons
Protons charge positive
Neutrons pas de charge neutre
Les électrons
Gravitent autour du noyau
Possèdent une charge négative
*Un atome neutre ou stable : nombre d’électrons égal au nombre de
Protons.
Les Ions
Avec de l’énergie extérieure (comme l’énergie solaire ou autre), on peut
facilement enlever ou ajouter des électrons de valence à un atome.
Quand on ajoute un électron de valence, l’atome possède maintenant un
électron en surplus donc une charge négative en surplus. C’est ce que
l’on appelle un ion négatif. Si on enlève un électron à l’atome, il y aura
maintenant un proton en surplus donc une charge positive en surplus.
C’est ce que l’on appelle un ion positif. C’est cela qui se passe quand tu te
frottes les pieds sur un tapis, tu perds ou gagnes des électrons et tu
deviens chargé. Ce sont les électrons de valence qui sont responsables
de la conduction électrique.
Les semi-conducteurs
Les matériaux semi-conducteurs que l’on utilise pour la fabrication des
piles solaires sont le silicium cristallin, le gallium, arsenic ou le cadmium
telluride. Si on prend un morceau de silicium qui possède des milliards
d’atomes, chaque atome possède chacun quatre électrons de valences.
Les atomes se maintiennent ensemble à l’aide d’une liaison entre les
électrons de valence.
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8. De quoi sont composées les piles solaires?
9. De quoi est composé l’atome?
10. Que se passe-t-il avec l’atome pour qu’il devienne un ion?
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Capacité d’un panneau solaire
Un panneau solaire consiste en une multitude de jonctions « PN » branchées en
combinaison séries et parallèles pour donner un voltage et un courant déterminé.
Exemple :
Un panneau solaire peut produire un courant maximum de 5 ampères à 12 volts;
ce qui donne une puissance maximum de
P = VI
P = 5 × 12 W
P = 60 watts
P = Puissance en watts
V = Voltage en volts
I = Le courant en ampère
Orientation du panneau solaire
Pour capter le maximum d’énergie avec un panneau solaire, il faut que les
rayons solaires rencontrent la surface du panneau à 90o.
Il y a plusieurs facteurs qui vont influencer l’angle d’élévation pour un transfert
maximum d’énergie.
1. La saison de l’année (ex. : Hiver ou été)
2. Le temps de la journée (Matin, midi ou soir)
3. La position du site sur la planète
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Pour un site au Canada, le panneau doit être orienté vers le sud et l’angle
d’élévation ajustée à la latitude du site.
Exemple :
Les coordonnées de la polyvalente L.-J.-R. à Shédiac sont :
Longitude 64o
Latitude 46o
Donc, l’angle d’élévation du panneau pour ce site serait de 46o et orienté vers le
sud.
Tu peux trouver les coordonnées d’un site avec un « GPS ». Il existe des
systèmes d’orientation très sophistiqués qui vont constamment changer
l’orientation et l’angle d’élévation pour obtenir le transfert d’énergie maximum du
panneau, mais ces systèmes sont très dispendieux.
11. Quel angle nous permet de capter le maximum d’énergie avec un panneau
solaire?
12. Quels sont les facteurs qui vont influencer l’angle d’élévation d’un panneau
solaire?
13. Avec un voltmètre DC, mesure le voltage de sortie de ta pile solaire dans ces 2
différentes conditions d’éclairement et inscris tes résultats.

Sous les lumières de la classe : ____________ volt(s)

Sous le soleil : __________ volt(s)
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Le fonctionnement du moteur électrique
Pour comprendre le fonctionnement du moteur électrique, il faut avoir une
certaine connaissance de base du magnétisme.
Figure 10
Le champ magnétique d’un aimant permanent
Remarquer qu’un aimant possède des pôles Pôle Nord et Pôle Sud.
On utilise des lignes de force pour représenter le champ magnétique autour de
l’aimant. Les lignes de force partent du Nord et se dirigent vers le Sud à
l’extérieur de l’aimant.
La loi des pôles dit que deux pôles semblables se repoussent, exemple deux
pôles Sud ou deux pôles Nord.
Figure 11
Cette figure montre la répulsion entre deux pôles semblables.
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Deux pôles différents s’attirent, exemple pôle Nord et Sud ou pôle Sud et Nord.
Figure 12
Cette figure nous montre l’attraction entre deux pôles différents.
La rotation dans un moteur est causée par l’attraction ou la répulsion entre deux
champs magnétiques. Un champ magnétique qui est stationnaire, que l’on
appelle le Stator et un champ magnétique en rotation, que l’on appelle le rotor.
Figure 13
Cette figure nous montre le principe de base.
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Dans le moteur précédent, le « rotor » et le « stator » sont des aimants
permanents. Avec la position du « rotor » montrée sur la figure, il y a une force
d’attraction entre les deux aimants. Le « rotor » va donc tourner dans le sens des
aiguilles d’une montre pour environ ¼ de tour et quand il va être aligné avec
l’aimant du « stator », il va arrêter.
Figure 14
Cette figure montre l’aimant du « rotor » qui est aligné avec l’aimant du
« stator ».
Les deux aimants sont alignés et le « rotor » ne tourne plus.
Pour maintenir la rotation, il faudrait inverser la polarité de l’un des deux aimants
au moment où les deux sont presque alignés. Mais, on ne peut pas inverser la
polarité magnétique d’un aimant permanent.
Les électroaimants :
On peut faire du magnétisme avec du courant électrique. Quand un courant
électrique circule dans un fil, il y a un champ magnétique qui existe autour du fil.
Pour déterminer la direction du champ magnétique autour d’un fil qui porte un
courant, on prend le fil avec la main gauche de façon à ce que le pouce pointe
dans la direction du courant et les doigts tournent dans la direction du champ
magnétique.
14. À quoi sert un champ magnétique dans un moteur électrique?
15. Qu’est-ce que nous devons faire pour maintenir la rotation du moteur électrique?
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Qu’est-ce qu’est le couple?
Le couple (Torque) est défini comme l’effort de rotation. À chaque fois que l’on
veut mettre un corps en rotation, il faut lui fournir un couple. Supposer que l’on
veut faire tourner une roue, il faut lui appliquer une force quelque part sur sa
circonférence.
Figure 22
Cette figure nous montre comment produire un couple.
Le couple égal T = Force x Rayon. Le couple est donc la force en Newton « N »
multiplier par le rayon en mètre, si la force est appliquée à 90o par rapport au
rayon. Ce qui donne un couple en (N-m). Pour faire tourner un objet, le moteur
doit développer un couple et la puissance de sortie du moteur dépend de son
couple et de sa vitesse de rotation. Dans le système international, la vitesse de
rotation se mesure en Radian/sec et la puissance en watts. Mais pour les
moteurs électriques, on identifie souvent la vitesse de rotation en révolution par
minutes RPM et la puissance de sortie en « Horsepower » HP.
un hP  746W
T 
Donc, Php  n  m RPM
7124
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La constante 7124 est pour la conversion d’unité Radian/sec en RPM et watts en
« Horsepower ». La plupart des moteurs vont donner une haute vitesse avec un
faible couple.
Comment changer le couple et la vitesse de rotation?
On peut facilement changer le couple et la vitesse de rotation avec des roues
d’engrenage.
Figure 23
Cette figure montre comment on peut changer le couple et la vitesse avec des
engrenages.
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Dans cette figure, supposons que le rayon de la plus grande roue est deux fois le
rayon de la petite roue R2 = 2R1. En appliquant une force sur la petite roue, on
produit un couple sur celle-ci égal T1 = F1R1. Puisque la même force est
appliquée sur la grande roue, son couple T2 = FR2, sera donc deux fois plus
grand. On a donc doublé le couple. Que se passe-t-il au niveau des vitesses de
rotation? Puisque la circonférence de la petite roue est C1 = 2  R1 lorsque
celle-ci aura fait un tour complet, la grande roue ayant un rayon deux fois plus
grand n’aura fait que ½ tour. La vitesse de rotation de la grande roue sera donc
½ fois la vitesse de rotation de la petite roue.
En résumé, on peut conclure qu’avec des roues d’engrenage que lorsqu’on
augmente le couple, on réduit la vitesse et vis versa. Pour ce qui est de la
puissance d’un corps en rotation P = Couple x Vitesse de rotation, lorsqu’on
augmente l’un, l’autre diminue. Donc, la puissance ne change pas. C’est le
principe de base d’une boîte de vitesse ou d’une transmission. En résumé, si on
connaît la vitesse de la petite roue, la vitesse de la grande roue peut se calculer
comme ceci.
Vitesse grande roue = Vitesse petite roue ×
Rayon petite roue
Rayon grande roue
Couple de la grande roue = Couple petite roue ×
Rayon grande roue
Rayon petite roue
Pour voir une animation sur le fonctionnement des roues d’engrenage, aller sur
le site suivant : http://www.robotgames.net/Resources/Gears/gears.htm.
16. Si tu veux réduire la vitesse et augmenter le couple de sortie de ton moteur,
quelle combinaison de roues d’engrenage vas-tu utiliser?
*Présente à ton enseignant(e) lorsque tu auras répondu aux questions.
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GLOSSAIRE
Atome stable :
Un atome dans lequel le nombre de Protons égal
le nombre d’électrons
Ampère :
Unité de mesure du courant électrique
Angle d’élévation :
Angle par rapport à l'horizontale
Arsenic :
Un élément AS33 qui possède cinq électrons de
valence
Atome :
La plus petite partie d’un élément tout en
maintenant les propriétés de cet élément
Balais :
Partie du moteur électrique qui sert à maintenir
le contact électrique entre la partie qui tourne
« rotor » et les éléments qui ne tournent pas
Barrière de potentiel :
Voltage développe chaque côté de la zone de
déplétion qui met une fin au processus de
diffusion
Commutateur :
Partie du moteur électrique sur laquelle sont
attachés les conducteurs du rotor; il sert à
inverser le courant dans ces conducteurs
Couple :
Effort de rotation qui est égal à la force x rayon
Diffusion :
Processus par lequel les électrons libres du type
« N » traversent la jonction et remplissent les
trous
Électroaimant :
Un aimant fait avec une bobine dans laquelle on
fait circuler un courant
Électron de valence :
Électron des dernières couches d’un atome
responsable des liaisons entre les atomes
Électron libre :
C’est un électron qui n’est plus sous l’attraction
de son noyau
Électron :
Une particule en orbite autour du noyau d’un
atome; il possède une charge négative
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Énergie verte :
Énergie qui ne produit pas de pollution
GPS :
« Global Positioning System »
HP = Horsepower :
Unité de mesure de puissance dans le système
anglais
1hP = 746 watts
Impureté :
Un élément avec lequel on fait le dopage d’un
semi-conducteur
Indium :
Un élément IN49 qui possède trois électrons de
valence
Ion négatif :
Un atome dans lequel le nombre d’électrons
(charge négative) est plus grand que le nombre
de Protons (charge positive)
Ion positif :
Un atome dans lequel le nombre de protons
(charge positive) est plus grand que le nombre
d’électrons (charge négative)
Jonction PN :
La région immédiate entre un type « N » et un
type « P »
Liaison covalente :
Une liaison dans laquelle il y a un partage
d’électrons entre les atomes
Liaison :
Type d’agencement avec lequel les atomes se
maintiennent ensemble pour former une
substance ou un élément
Neutron :
Partie constituante du noyau d’un atome; ne
possède pas de charge
Newton :
Unité de mesure de la force dans le système
international
Noyau :
La partie centrale de l’atome constituée de
Protons et de Newtrons
Photovoltaïque (PV) :
Forme d’énergie électrique produite à partir du
rayonnement solaire
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Proton :
Partie constituante du noyau d’un atome;
possède une charge positive
Radian :
Unité de mesure d’angle dans le système
international
1 Radian = 57.3 degrés
Radian/sec :
Unité de mesure de la vitesse de rotation dans le
système international
Rendement :
C’est le rapport entre Puissance « Pout » de sortie
sur la puissance d’entrée « Pin » d’un système
Rotor :
Partie du moteur qui tourne
RPM :
Unité de mesure de la vitesse de rotation dans le
système anglais
Révolution par minute
Semi-conducteur
Un matériel qui possède quatre électrons de
valence et qui n’est ni bon conducteur ni bon
isolant
Semi-conducteur de
type « P » :
Un semi-conducteur qui a été dopé avec des
impuretés trivalentes (trois électrons de valence)
Semi-conducteur de
type « N » :
Un semi-conducteur qui a été dopé avec des
impuretés pentavalentes (cinq électrons de
valence)
Silicium :
Un élément Si 14; il possède 14 électrons et 14
protons; il est considéré comme un semiconducteur qui possède 4 électrons de valence
Stator :
Partie stationnaire (qui ne bouge pas) du moteur
Trou :
Un manque dans une liaison covalente qui se
comporte comme une charge positive
Volts :
Unité de mesure du voltage
Zone de déplétion :
Région chaque côté de la jonction PN à
l’intérieur de laquelle il n’y a plus de porteurs
majoritaires de courant (plus de trous n’y
d’électrons libres)
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BIBLIOGRAPHIE
Introduction to Electric Circuits, Jackson, Herbert W., Prentice Hall, Seventh
Edition.
Sites Internet
1.
2.
3.
4.
5.
http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/recherche/d/nouveaux-recordspour-la-voiture-solaire-nuna-ii_2632/
http://eclipse.etsmtl.ca/fr/
http://www.ecosources.info/dossiers/Voiture_solaire
http://www.outilssolaires.com/pv/prin-voitures.htm
http://www.gralon.net/articles/commerce-et-societe/industrie/article-lavoiture-solaire---un-defi-technologique-1689.htm
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