Asservissement dÔÇÖun panneau solaire ÔÇô Projets dpt GEII Mulhouse

12/09/2020
Asservissement d’un panneau solaire – Projets dpt GEII Mulhouse
Projets dpt GEII
Mulhouse
Projets des étudiants du dpt Génie Electrique et
Informatique Industrielle
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2020
PROJETS IUTLAB
Asservissement d’un panneau
solaire
Publié le 19 janvier 2018 par Christophe CUDEL
Sommaire
1. Introduction – Composition et rôles de l’équipe
2. Définition du besoin – Outils d’analyse fonctionnelle et définition du
système
3. Analyse solaire – Étude de la trajectoire du soleil et ensoleillement
4. Analyse mécanique – Conception et dimensionnement d’un support
5. Analyse électrique – Asservissement du système et normes électriques
6. Solution finale – Présentation de la solution retenue
7. Conclusion
1. Introduction
Dans le cadre d’un projet de deuxième année de DUT partagé entre le département
GEII et le département GMP, nous travaillons sur un système de Tracker solaire.
L’objectif du projet est de créer un système asservi capable de suivre la trajectoire du
soleil afin de maximiser le rendement de la production de 5 panneaux solaires. A
travers ce document, nous allons présenter les différentes études menées, les
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problématiques rencontrées et les solutions proposées pour répondre à la
problématique du projet.
Notre groupe est ainsi composé de 4 étudiants. Les rôles, définis en début de projet,
sont les suivants :
DI MAURO Bastien – Définition du besoin et conception sous CREO
HIRTH Matthieu – Analyse électrique et asservissement du système
MANSUY Guillaume – Analyse mécanique et conception sous CREO
SITTERLE Hugo – Analyse mécanique et choix de la motorisation
L’analyse de la trajectoire du soleil ou encore de la position du support dans l’IUT ont
été étudiée par l’ensemble des membres de l’équipe.
2. Dé nition du besoin :
La première étape du projet est la définition du besoin. L’objectif est de définir les
éléments à traiter, ainsi que les problématiques et les contraintes du projet.
Le diagramme des prestations nous permet de définir la fonction principale du
système Tracker.
Le système Tracker permet à l’utilisateur de programmer la structure
dans le but de suivre la trajectoire du soleil, et ainsi de maximiser le
rendement de la production.
Le diagramme des interacteurs permet de mettre en évidence les fonctions principales
et les fonctions contraintes.
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FP1 : Orienter le panneau solaire en fonction de la trajectoire du soleil
FC1 : Résister au poids des panneaux
FC 2 : Positionner le système sur un espace exposé au soleil
FC 3 : Alimenter le système
FC 4 : Résister aux conditions extérieures (Usure, rouille, vent)
FC 5 : Faciliter la maintenance du matériel électrique présent sur le système
Nous avons également réalisé un diagramme FAST. Ce dernier nous permet de définir
les solutions constructives choisies pour répondre aux problématiques.
Pour terminer, en reprenant les termes du diagramme des interacteurs, nous avons
établi le tableau de caractérisation des fonctions :
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Fonctions de services
FP 1
Critères
Niveau d’exigences
Flexibilité
Orienter le
Rotation des
Vérin électrique et
F1
système
panneaux
paliers
Autonomie
Aucune intervention
F0
de l’utilisateur
FC 1
Résister au
Pilotage
Arduino
F1
Structure métallique
Aucunes
F0
poids
FC 2
Positionner
déformations
Exposition au soleil
Terrain
F1
Alimenter le
Alimentation du
Prise secteur
F0
système
vérin
Résister aux
Structure métallique
Aucunes traces de
F0
le système
FC 3
FC 4
conditions
rouille, d’usure
extérieures
FC 5
Faciliter la
Structure et matériel
maintenance
électrique
Accessibilité
F0
Légende :
FP: Fonction Principale
FC: Fonction Contrainte
Flexibilité F0: Flexibilité nulle – Niveau impératif
Flexibilité F1: Flexibilité faible – Niveau peu négociable
Flexibilité F2: Flexibilité bonne – Niveau négociable
Flexibilité F3: Flexibilité forte – Niveau très négociable
3. Analyse solaire
La trajectoire du soleil se définie selon deux paramètres exprimés en degrés :
L’azimut,
La hauteur,
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L’azimut représente la position du soleil selon les quatre points cardinaux et la
hauteur représente l’inclinaison du soleil par rapport à l’origine d’un plan horizontal.
L’asservissement se fait grâce à ces deux paramètres. Les panneaux solaires doivent se
situer perpendiculairement aux rayons du soleil pour une production optimale.
A travers cette analyse nous allons décider de l’orientation à donner au système afin de
garantir un rendement maximal. La localisation géographique du système nous est
imposée et se situe entre le bâtiment GEII et GMP.
Dans un premier temps nous avons identifié la trajectoire du soleil sur l’emplacement
choisit à l’aide du site SunEarthTools.
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A partir de cette trajectoire nous avons pu en déduire l’heure à laquelle
l’ensoleillement est maximal, soit environ 11h30 en été.
Le système sera donc orienté en direction du Sud, où le soleil est à son zénith.
Les rayons du soleil étant les plus importants entre environ 9h et 15h, cela nous donne
une amplitude d’environ 100° en azimut à prévoir entre le début et la fin de journée.
Cependant à cause du relief, des bâtiments et des arbres présents sur les lieux une
amplitude de rotation inférieure serait suffisante.
La hauteur du soleil varie entre 20° et 65° environ au fil des saisons lorsque les
panneaux produiront le maximum.
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A l’aide d’un second site (http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php?
lang=lang=fr&map=europe), nous avons estimé la production potentielle d’un tel
système. Nous avons pu réaliser un comparatif entre un système fixe, un système
asservi sur 1 axe de rotation (l’azimut) et un système asservi sur 2 axes de rotation
(hauteur et azimut).
Nous nous sommes alors rendu compte qu’un système à deux axes de rotation n’était
pas d’une grande valeur ajoutée par rapport à un système à un axe de rotation. De
plus, la conception d’un système deux axes serait plus complexe et plus coûteuse.
Nous avons donc décidé de réaliser un système de Tracker solaire asservi sur un seul
axe, l’azimut. Le système serait alors incliné de manière fixe par rapport à la hauteur
moyenne du soleil, soit environ 40°.
Mois
Ed
Em
Janvier
0.27
8.33
Février
0.46
12.9
Mars
0.73
22.8
Avril
0.92
27.7
Mai
0.95
29.4
Juin
1.03
30.9
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Juillet
1.04
32.1
Août
0.97
30.1
Septembre
0.80
24.0
Octobre
0.54
16.7
Novembre
0.32
9.60
Décembre
0.24
7.46
Moyenne à l’année
0.690
21.0
Total à l’année
252
Ed: Production moyenne par jour du système (kWh)
Em: Production moyenne par mois du système (kWh)
4. Analyse mécanique
1. Choix de la motorisation
Après avoir déterminé l’inclinaison maximale nécessaire, il a fallu faire un choix sur le
type de motorisation qui équipera le système. Pour cela, une étude de différentes
solutions a été réalisé afin d’en choisir une qui correspondra au mieux à l’exigence
principale du cahier des charges, faire pivoter le panneau avec un angle de 40°.
Cependant il a fallu respecter d’autres contraintes :
La motorisation doit être facilement programmable avec les cartes Arduino
La motorisation doit prendre le minimum de place
La motorisation doit être étanche
Le tableau de comparaison ci-dessous nous permettra de comprendre le choix final de
notre motorisation.
Solutions
proposées
Crémaillère et
pignon
Avantage(s)
Système
simple
Vérin
électrique
Moteur
« simple »
Précis selon la Système simple
course du
vérin
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Moteur « pas à
pas »
Bonne
précision
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Système peu
encombrant
Inconvénient(s)
Système
Choisir un
Difficultés de
Programmation
encombrant
vérin avec une
réglage
difficile
Difficile à
mettre en
course
suffisante
Transmission
du couple
place
Coût estimé
De 20 à 70€
De 80 à 120€
De 20 à 70€
De 20 à 70€
Fonctionnement
Pignon en
Vérin lié aux
Sortie du
Sortie du
du système
sortie du
panneaux
moteur lié à la
moteur lié à la
moteur
entraînant la
traverse
traverse
s’engrainant
rotation
dans une
crémaillère
Après étude, notre choix s’oriente sur le vérin de parabole. Il répond parfaitement à
nos différentes contraintes et peut être mise en place rapidement sans gros travaux sur
la structure. La mise en place du vérin sur la structure nécessite cependant la
conception d’une pièce spécifique permettant l’assemblage de ce dernier avec la
structure.
Grâce à la modélisation sur le logiciel CREO3 nous savons exactement la position du
vérin sur le cadre ainsi que sur les panneaux solaires.
Nous avons trouvé un vérin sur le site de « Transplanet », cependant après commande
de celui-ci, le vérin n’est malheureusement jamais arrivé.
2. Structure
L’objectif de ce projet étant de rendre mobile 4 panneaux solaires, il s’agit de
développer une structure mécanique supportant la charge des panneaux et
comprenant des liaisons mécaniques permettant de satisfaire les paramètres abordés
dans l’analyse de l’ensoleillement.
Après avoir étudié la possibilité d’intégrer deux axes de rotation pouvant supporter les
panneaux solaires, il s’est avéré que la structure serait trop complexe et importante à
réaliser.
De ce fait nous avons décidé d’asservir les panneaux sur 1 axe de rotation permettant
un suivi du soleil durant la journée (l’azimut). Les panneaux seraient alors inclinés de
manière fixe selon la hauteur moyenne du soleil (environ 40°).
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Cependant avec une telle inclinaison un système supportant 4 panneaux atteindrait
des dimensions trop importantes (hauteur de la structure supérieure à 4 m, résistance
des matériaux).
Le système a donc été divisé en deux. Ce dernier devra supporter 2 panneaux et sera
dupliqué pour les 2 autres restants.
En respectant les paramètres d’inclinaison est en laissant une marge de départ
d’environ 1 m par rapport au sol afin d’éviter les collisions entre les panneaux et le sol,
la hauteur et la longueur du système seraient d’environ 2 m. Nous avons décidé de
solidariser les panneaux solaires selon leurs largeur afin réduire au maximum la taille
du système. La largeur d’un panneau étant de 998 cm, l’axe supportant le poids des
panneaux et permettant leurs rotation devra être supérieur à 2 m. Ce dernier doit être
assez résistant pour :
Ne pas fléchir sous le poids des panneaux (18 kg par panneau donc 36 kg pour
deux),
Assurer une durée de vie importante à la structure (ne pas rouiller),
Limiter la masse de la structure mobile afin de réduire les efforts appliqués sur
la structure fixe.
En premier nous sommes partie sur une structure composée :
– D’une structure mobile comportant :
Un tube servant d’axe de rotation,
D’un cadre en profilé « U » solidarisant les deux panneaux,
Deux traverses permettant la fixation des panneaux,
Deux colliers filetés permettant le serrage des panneaux sur le tube support.
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– D’une structure fixe, supportant la structure mobile, comportant :
Deux supports « triangles »,
Deux paliers permettant la rotation de la structure mobile,
Deux supports pour paliers permettant de donner l’inclinaison souhaitée aux
paliers,
Des rails de fixation permettant l’ancrage des « triangles » dans les fondations.
Les deux supports « triangles » sont de tailles différentes afin de donner l’inclinaison
fixe aux panneaux. Une structure en forme de triangle a été choisie afin de mieux
répartir les efforts et d’augmenter l’amplitude de rotation des panneaux. Un troisième
« pieds » a été conçu pour le petit « triangle » afin de compenser le glissement des
panneaux : la structure étant inclinée, les efforts se retrouvent concentrés sur le petit
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support. De plus, l’empattement important des triangles permet une meilleure stabilité
du système face au vent ou à la neige. La fixation au sol de l’ensemble étant réalisé à
l’aide de rails de fixation, la structure serait facilement démontable si besoin.
Cependant la structure devant être assemblée par soudage, avec la complexité des
angles, il s’est avéré que la structure serait trop complexe à réaliser. De plus la
structure fixe n’était pas assez rigide, les deux supports « triangles » devaient être
solidaire.
Nous avons donc repensé la conception des supports de manière plus simple et
sommes partis sur une base rectangulaire.
Deux rectangles en profilé carré reprenant les hauteurs des deux triangles seraient
alors solidarisés par deux renforts horizontaux situés au sol et un renfort incliné se
situant en dessous de l’axe de rotation des panneaux.
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Des calculs de dimensionnement ont été réalisés sur la barre support des panneaux
solaires. Cette étude a été réalisée sur une barre acier et aluminium ronde et creuse
dont le diamètre extérieur est de 40 ou 50 mm avec une épaisseur variable, allant de 1
à 3 mm. Nous avons choisi une barre de diamètre 40 mm et d’épaisseur 2 mm en acier
: celle-ci présente une flèche raisonnable de 19 mm en sachant que la force de 1000 N
(en réalité la charge supportée par la barre est de l’ordre de 400 N) est appliquée en un
point, au milieu de la barre.
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3. Choix des paliers
Les panneaux solaires sont entrainés en rotation par un vérin électrique. Le vérin, fixé
sur la structure métallique (Grand support), va entraîner le cadre d’assemblage des
panneaux. Le débattement des panneaux dépendra de la course maximale du vérin.
La rotation de la traverse s’effectue par le biais de roulements à billes. Afin de bloquer
la traverse en translation, nous avons choisis des paliers comportant des manchons.
Les caractéristiques des paliers sont les suivantes :
Palier à semelle en deux parties – Référence SNG 509
Diamètre : 40 mm
Entraxe des perçages de fixation : 170 mm
Matière du palier : Fonte
Roulement à billes – Référence SKF 1209K
Manchon de serrage – Référence H209
Bagues – Référence SR85X5,5
Kit joints fourni – Référence TSNU509
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Lien vers le revendeur : https://www.lebonroulement.com/tous-les-paliersfonte/180149-palier-fonte-en-deux-parties-sng5091209k.html
Comme indiqué ci-dessus, les paliers vont permettre la rotation de la traverse
supportant les panneaux, mais va également permettre l’arrêt axial de la traverse grâce
au manchon.
Le montage de la traverse dans les paliers s’effectue de la manière suivante :
Montage des paliers sur la structure métallique
Montage de la traverse dans les paliers
Serrage du manchon présent dans le palier inférieur une fois la traverse
positionnée
4. Structure xe
Le nombre de panneaux solaires étant passé à 5, nous avons changer la conception du
support devant être fixe afin qu’il supporte 3 panneaux. L’inclinaison donnée au
support fixe est la même que celle du support mobile, soit 33°. Cela permettra aux
étudiants de réaliser un comparatif de la production solaire d’un système fixe et d’un
système mobile.
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5. Analyse électrique
Normes
Avant de commencer les analyses sur les panneaux, nous avons dû nous renseigner sur
les normes existantes concernant l’installation de panneaux photovoltaïques raccordés
au réseau telles que :
Protection contre les chocs électriques
Protection contre les surintensités
Protection contre la foudre
Signalisation
Emplacement du coffret de mise en sécurité pompiers
Après avoir pris connaissance des normes liées aux panneaux, une nouvelle question
s’est posée : faut-il brancher les panneaux en série ou en parallèle (ou les deux) ?
Lorsque les panneaux sont en série, les tensions s’additionnent. Lorsqu’ils sont en
parallèle c’est les courants qui s’additionnent.
5 Panneaux
Tension (V)
Courant (A)
Série
150
8
Parallèle
30
40
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L’onduleur disponible exige une tension minimum de 140V. Concernant ses limites
maximales, on atteint 400V et 10 A.
Le seul circuit possible est avec tous les panneaux en série.
Schéma électrique
Les panneaux en série sont reliés tout d’abord au coffret de securisé pompiers. On
arrive ensuite dans la partie continue du boîtier de sécurité avant de passer par
l’onduleur. Ce dernier va faire passer la tension en alternatif qui va repasser par le
boîtier de sécurité mais dans la partie alternative. Enfin le courant arrive dans le
réseau de l’IUT et alimente ce qui en a besoin.
L’ensemble est relié à la terre pour la protection parafoudre.
Montage
Pour rendre les panneaux mobiles et pour les faire suivre le soleil, il faut un système de
tracker. Ce système est composé d’une carte Arduino Uno, d’un Motor Shield, d’une
breadboard, de 2 photorésistances, de 2 résistances et d’un moteur.
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Montage – Réalisé à l’aide du logiciel Fritzing
Le Motor Shield est directement empilé sur la carte Arduino et permet de piloter
plusieurs moteurs jusqu’à 48V. Il pilotera le moteur permettant la rotation des
panneaux.
lien : semageek
Les photorésistances sont reliées aux ports analogiques A2 et A3 de la carte. La
sensibilité d’une photorésistance peut être changée en fonction de la valeur de la
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résistance reliée au Gnd. Plus la résistance est élevée, plus la sensibilité de la lumière
sera forte et adaptée aux faibles intensités lumineuses. Au contraire, une résistance
plus faible comme 100 Ω est plus adaptée en milieu ensoleillé.
Les deux photorésistances seront séparées par une pièce qui fait de l’ombre à l’une des
deux quand les rayons du Soleil ne leur sont pas perpendiculaires.
Programmation
Lorsqu’il fait jour, le programme teste continuellement la valeur des photorésistances.
Quand une différence de valeurs entre les 2 photorésistances est trop importante, une
prise de valeurs est lancée pour réaliser une moyenne sur chaque photorésistance. Si
l’écart entre les moyennes est supérieur à une valeur donnée, une tension s’applique
aux bornes du moteur jusqu’à que la photorésistance la moins éclairée dépasse la
valeur de l’autre. Le signe de la tension dépend de la photorésistance la plus éclairée.
Lorsqu’il fait nuit, la valeur de chaque photorésistance atteint 0. Les panneaux se
placent alors en direction du levé du Soleil et s’arrêtent.
Programme
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6. Solution nale
00:00
00:04
7. Conclusion
L’étude du projet a été réalisée cependant nous n’avons pas réussi à mettre en œuvre la
solution conçu. Notre commande tardive de matériel ne nous permet
malheureusement pas de réaliser la structure. Différents devis auprès de différents
fournisseurs ont été réalisé, mais pour la plupart nous sommes toujours en attente de
réponses.
Tous les plans des éléments présentés dans cet article ainsi que la liste des éléments à
commander avec le nom des fournisseurs sont à disposition pour un éventuel prochain
groupe d’étudiants souhaitant terminer le travail commencé.
Les documents sont disponibles en annexe ci-dessous (plans, devis et matériel
nécessaire,etc.).
Annexes :
Mise en plan – Support fixe
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Mise en Plan – Support mobile
Commande du matériel
Support Mobile
Support Fixe
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