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 VOITURE SOLAIRE Page 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 VOITURE SOLAIRE Page 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? VOITURE SOLAIRE Page 3 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. VOITURE SOLAIRE Page 4 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. VOITURE SOLAIRE Page 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 VOITURE SOLAIRE Page 6 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. VOITURE SOLAIRE Page 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? VOITURE SOLAIRE Page 8 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 VOITURE SOLAIRE Page 9 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) VOITURE SOLAIRE Page 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. VOITURE SOLAIRE Page 11 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. VOITURE SOLAIRE Page 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? VOITURE SOLAIRE Page 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 VOITURE SOLAIRE Page 14 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. VOITURE SOLAIRE Page 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. VOITURE SOLAIRE Page 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 VOITURE SOLAIRE Page 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 VOITURE SOLAIRE Page 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) VOITURE SOLAIRE Page 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 VOITURE SOLAIRE Page