2012 - Suiveur Solaire
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2012 Università di Roma - Sapienza Laboratorio di sistemi [SUIVEUR SOLAIRE] DUVAL Alexis & HASHEMI Keyvan Sommaire I. Présentation p 2-3 II. Principe du suiveur solaire p4 III. Conception de la maquette p 5-7 IV. Matériel et expérience p 8-9 V. Réalisation p 9-13 VI. Résultats en images p 14-16 VII. Conclusion p 16 1 I. Présentation Contexte L’énergie solaire, parce qu’elle est inépuisable , constitue une ressource à exploiter, non seulement pour éviter un épuisement trop rapide des énergies fossiles mais aussi pour satisfaire les besoins mondiaux toujours plus croissants en électricité. Il est en effet possible, à partir du soleil, de produire de l’énergie électrique au moyen de panneaux photovoltaïques . En France, un foyer consomme annuellement pas moins de 2500kWh et l’installation de 25m2 de panneau solaire sur le toit de sa maison suffit pour générer autant d’électricité que le foyer consomme. Sur 20 ans, l’installation de 25m2 sur son toit permet un gain annuel pouvant atteindre les 2500€, soit environ 10 ans pour amortir l’achat et l’installation du panneau solaire . En outre, pour accroitre le rendement de son système photovoltaïque, il est possible d’utiliser une autre gamme de panneau solaire capable de suivre le soleil, ce qui permet de récupérer constamment le maximum d’énergie lumineuse. Suivre le soleil permet une amélioration de rendement de l’ordre de 40% par rapport à un système fixe. 2 Panneau solaire suiveur Le panneau solaire mobile doit, après avoir détecté la position du soleil, se pointer vers celui-ci de telle sorte à ce que les rayons lumineux arrivent en incidence normale (rayons perpendiculaires au panneau ) sur le module solaire. Le système permettant de faire pivoter le panneau est en outre alimenté directement par le système photovoltaïque. L’un des objectifs du panneau est de suivre la trajectoire du Soleil. Ce dernier peut être repéré grâce à un système de coordonnées qui lui est spécifique et qui utilise deux angles : L’Azimut, d’une part, est l’angle mesuré par rapport au sud dans un plan horizontal. L’Elevation, d’autre part, est l’angle mesuré par rapport à l’horizontale dans un plan vertical. La plupart des panneaux mobiles contiennent 2 capteurs : l’un sert à moduler l’azimut, et l’autre l’élévation. 3 II. Principe du suiveur solaire Objectifs Nous devons donc concevoir une installation capable de suivre le soleil comme le ferait un panneau solaire mobile. Pour ce faire, notre idée est la suivante : Nous allons mettre au point un montage constitué de 4 photodiodes ; deux de celles-ci serviront à régler l’azimut et les deux autres à régler l’élévation et ce, en jouant sur la différence des intensités lumineuses reçues par chaque photodiodes . Système du suiveur solaire Notre idée est d’utiliser une plaquette sur laquelle nous mettrons 2 paires de photodiodes. Considérons par exemple la paire de photodiodes sensée commander l’azimut, la commande de l’élévation fonctionnant sur le même principe. Figure 1 Les deux photodiodes sont disposées de part et d’autre de la plaque et sont sensées renvoyer en sortie deux valeurs de tensions fonction de l’intensité lumineuse qu’elles reçoivent. Ensuite, ces deux tensions seront comparées à l’aide d’un amplificateur opérationnel. Deux cas se présenteront alors : si le potentiel d’une photodiode est supérieur au potentiel de l’autre photodiode, un petit moteur tournera dans un sens et sinon, il tournera dans l’autre sens. Une fois l’égalité des potentiels atteinte, le moteur s’arrêtera de tourner et la plaque sera alors au bon « azimut ». 4 III. Conception de la maquette Les étapes de conception du circuit Nous devons donc réaliser un suiveur solaire sur 2 axes capable d’optimiser l’énergie lumineuse reçue en se positionnant de telle sorte que les rayons solaires arrivent en incidence normale. La conception de notre système se décompose en plusieurs étapes : Etape 1 On place 2 paires de photodiodes comme indiqué figure 1 (page précédente). Dans tout ce qui suit, nous indiquerons que la démarche concernant les photodiodes destinées à l’azimut, la démarche pour les photodiodes commandant l’élévation étant la même. Un amplificateur opérationnel bouclé avec une résistance sur sa patte – (et la patte + allant à la masse) en série avec la photodiode, permettra d’amplifier le signal dans une plage de tension plus observable (montage cidessous). Nous prendrons une résistance de 4.7MΩ, ce qui signifie que le signal d’entrée sera multiplié par 470000 en sortie. Etape 2 A partir de deux photorésistances, on mesure et observe la tension en sortie du montage qui est différente selon la luminosité. Comme nous allons faire notre expérience dans le laboratoire, il faut que les photodiodes ne reçoivent que la lumière du néon dont la fréquence vaut 50Hz. Nous introduirons donc un filtre passe-bas du 1er ordre en sortie du montage précédent. La fréquence de coupure devra de l’ordre de 50Hz donc f0=1/(2πRC)=50Hz. Compte tenu du lot de résistances et condensateurs à disposition, nous prendrons des condensateurs de 47µF et des résistances de 68Ω. 5 Etape 3 Désormais, les tensions renvoyées par les photodiodes doivent être soustraites l’une à l’autre pour comparer cette différence à la valeur 0 afin de savoir quelle photodiode reçoit la plus grande intensité lumineuse. Pour ce faire, nous allons placer un montage soustracteur qui nous fournira la différence entre l’entrée E1 (Tension renvoyée par une photodiode) et l’entrée E2 (Tension renvoyée par l’autre photodiode). Nous utiliserons des résistances de 12kΩ partout. Une fois la différence E2-E1 obtenue, nous plaçons un comparateur avec la patte – directement connectée à la masse afin de connaitre le signe de cette différence et donc de savoir quelle photodiode a la plus grande intensité lumineuse. Etape 4 Maintenant que nous connaissons quelle photodiode reçoit le plus de lumière, il nous reste à insérer un système permettant d’avoir la même intensité reçue par les deux photodiodes couplées. Pour cela, nous allons introduire 2 moteurs : l’un pour les photodiodes destinées à l’azimut et un autre pour celles destinées à l’élévation. Ces moteurs, placés à la sortie des comparateurs, traduiront le signe de la différence de E2 par E1 : si ce signe est positif, le moteur tournera dans un sens et vice versa. Dans le cas où les potentiels E1 et E2 sont égaux, le moteur ne tournera pas. 6 Etape 5 Pour que les moteurs puissent faire tourner la plaque modélisant le panneau solaire, il faut trouver un système entrainant le tout. Dans l’idéal, notre idée serait de mettre sous le panneau une sorte de boule percée en bas et à droite reliée à deux tiges (modifiant l’azimut et l’élévation) entrainées chacune par un moteur. Bien que l’idée semble simple, la fabrication et la réalisation d’un tel mécanisme pourrait s’avérer être assez complexe compte tenu du matériel à disposition (et de nos compétences en bricolage). Nous réfléchissons donc à un autre dispositif en cas d’impossibilité de réaliser le précédent. Schéma du circuit complet Tel est le schéma du circuit complet pour la partie commandant l’azimut (la partie commandant l’élévation est exactement la même). 7 IV. Matériel et expérience Principal matériel utilisé Pour mener à bien notre expérience nous avons besoin de pièces spécifiques. Tout d’abord, nous avons besoin de 4 photodiodes. Ces composants sont des semiconducteurs capable de transformer l’énergie optique en énergie électrique. La photodiode émet un courant continu proportionnel à l'intensité lumineuse qu'elle reçoit. Ce courant est ensuite converti en tension via un amplificateur de mesure. Nous avons ensuite besoin de 8 amplificateurs opérationnels. Nous avons opté pour des TL084 (Texas Instruments©) car c’est un composant que nous avions déjà utilisé lors de nos études et que nous connaissons ses caractéristiques par conséquent. A l’heure actuelle, nous ne savons pas quels moteurs vont nous être fournis par le laboratoire. Cependant, dans l’idéal, il nous faudrait utiliser des moteurs 15V. En effet, nos amplificateurs opérationnels sont saturés à 15V. Il nous faut par ailleurs trouver des tiges métalliques sur lesquelles seront fixés les moteurs afin de faire tourner l’ensemble. 8 Expérience Après avoir branché le tout et alimenté la plaque, nous devrions utiliser une source lumineuse que nous pointerons vers une partie spécifique de la plaquette. Celle-ci devra alors se placer dans l’axe vers lequel pointe la lumière, à la manière d’un panneau solaire mobile. V. Réalisation Mise en route et familiarisation avec le matériel Avant de commencer toute expérience, il nous a fallu un certain temps pour nous habituer et composer avec le matériel à notre disposition. Les alimentations symétriques (-15V +15V) étant introuvables, nous avons dû pour alimenter nos amplificateurs opérationnels utiliser 2 générateurs comme celui de la photo ci-contre en prenant soin de vérifier la tension envoyée à l’aide d’un oscilloscope et en inversant les fils « + » et « - » de telle sorte à obtenir une tension de – 15V, nécessaire au fonctionnement des AO. Cette étape étant faite, nous avons ensuite testé le bon fonctionnement de nos photodiodes. Celles-ci comportant 3 pattes, il nous a fallu trouver quelles étaient les pattes à brancher, et dans quel sens. Pour ce faire, nous avons à l’aide d’une sonde reliant l’oscilloscope de la photodiode regardé comment variait la tension en fonction de l’intensité lumineuse que la photodiode recevait. Lorsque la tension augmentait et que nous rapprochions la photodiode de la lumière, cela signifiait qu’elle était dans le bon sens. 9 Amplification Maintenant que nous savons que nos photodiodes fonctionnent, il nous faut amplifier la tension en sortie pour que celle-ci soit mieux observable. En effet, lorsque nous l’approchons au plus près de la lampe, la tension observée ne dépasse à peine les 400mV et nous voudrions dans l’idéal observer quelques V. Pour ce faire, nous avons apposé en sortie des photodiodes le montage amplificateur ci-contre. La valeur de la tension en sortie vaut alors quelques Volts et peut aller jusqu’à 13.8V, valeur de la saturation de l’amplificateur opérationnel utilisé. Nous avons en outre observé que la tension en sortie du montage était négative. C’était prévisible car le montage amplificateur a pour fonction de transfert =-R avec R la valeur de la résistance utilisée (pour nous 4.7MΩ). Nous avons ensuite essayé le montage amplificateur avec une autre photodiode en plaçant celle-ci sur le coté opposé de la plaquette et il s’est avéré que le montage ne fonctionnait pas. Nous avons donc placé la photodiode juste à coté de la précédente et le montage s’est mis à marcher. Nous avons donc tester la plaquette entière pour nous assurer qu’elle fonctionnait bien partout et c’était le cas. En refaisant le montage, celui-ci à finalement marché et nous avons conclu que nous avions mal enfoncé les fils dans la plaquette, ces derniers étant assez difficiles à faire rentrer dans les trous. 10 Soustracteur/Comparateur Par soucis de place sur notre plaquette (72cm2), nous avons dans un premier temps décidé de ne pas mettre les montages passe-bas destinés à ne laisser passer que la lumière émise par la lampe .Ceci étant, les signaux de sortie étaient peu bruyants, donc les résultats s’avèrent corrects. Nous passons donc directement aux montages soustracteur et comparateur. Ces derniers n’ont globalement pas posé de problèmes majeurs si ce n’est qu’il était assez difficile de faire les branchements pour des questions d’espace et de proximité entre les ports de l’AO. En sortie du montage, la tension est soit positive, soit négative selon la photodiode qui reçoit le plus d’intensité lumineuse. Difficultés A ce stade, nous avons donc réussi à faire fonctionner le montage comparant la tension renvoyée par chacune des photodiodes, et donnant en sortie celle qui reçoit le plus de lumière. En voulant faire ce montage pour le 2 e couple de photodiodes, nous nous sommes rendus compte qu’une photodiode ne marchait plus : une de ses pattes s’était cassée à force de branchements/débranchements et torsions à répétition. Nous avons alors chercher dans tous les tiroirs du laboratoire et nous avons finalement trouvé quelques photodiodes qui marchaient très bien. Nous les avons donc utilisé pour la 2e partie du montage qui, lui aussi fonctionnait bien. 11 Alors que les montages fonctionnaient bien, nous avons décidé d’intercaler les filtres passe-bas afin que les photodiodes ne reçoivent que la lumière issue des néons de fréquence de 50 Hz. Cependant, nous nous sommes vite rendu compte qu’il n’y avait pas assez de place pour insérer, en plus du montage précédent, 4 filtres passe-bas. Après avoir enlevé les filtres et remis tout le montage comme précédemment, nous nous sommes rendu compte qu’il ne marchait plus. Après avoir longuement cherché d’où venait l’erreur, nous avons décidé de refaire entièrement le montage. Cette fois-ci, pour gagner en lisibilité, nous avons choisi – compte tenu du nombre de couleurs de fil – d’adapter un code couleur en prenant par exemple tous les fils destinés au montage amplificateur en jaune, tous ceux destinés au comparateur en vert etc… De plus, comme nous avions déjà fait plusieurs fois les montages et que nous savions la place qu’il nous fallait, nous avons essayé de placer les éléments plus intelligemment de sorte que le montage paraisse plus compact et plus clair, à la fois pour nous et pour que quelqu’un d’autre qui découvre notre montage puisse s’y retrouver. Le montage fonctionne à nouveau et nous pouvons désormais nous intéresser au dispositif suivant. Montage à LEDs Nous avions initialement prévu d’installer un mécanisme à deux moteurs relier à deux tiges permettant de faire pivoter la plaquette et à placer celle-ci en face de la source lumineuse. Mais compte tenu du manque de matériel à notre disposition, nous avons dans un premier temps opté pour un système lumineux qui informerait l’utilisateur de quelle photodiode est la plus éclairée. 12 Ainsi, nous décidons d’effectuer une petite installation à l’aide de LEDs lumineuses, l’une s’allumant lorsque la tension en sortie est positive et l’autre lorsque la tension est négative. Les LEDs fonctionnant avec un courant de 20mA, une tension de 2V et étant alimentées par 15V, un calcul élémentaire nous permet de conclure qu’il nous faudrait une résistance de 650Ω pour que celles-ci émettent une lumière bien visible. N’ayant pas à disposition de cette valeur de résistance, nous en avons prises de 1kΩ. Ce montage fonctionne bien : lorsque la lumière est éteinte, toutes les LEDs sont allumées car elles reçoivent la même intensité lumineuse et lorsque l’on éclaire une photodiode en particulier, c’est la LED qui y est associée qui s’allume. Moteurs Nous n’avons à notre disposition, qu’un seul moteur qui fonctionne et qui pourrait être inséré à notre montage. Après l’avoir testé indépendamment sur une alimentation continue, nous l’avons inséré en sortie du montage et avons constaté qu’il tournait dans un sens ou dans un autre selon si une photodiode recevait plus de lumière que l’autre ; cela est dû au fait qu’après le comparateur, la tension en sortie peut être positive ou négative (ou nulle mais dans ce cas, le moteur ne tourne pas). Si la tension est positive, le moteur tourne dans un sens, et sinon, il tourne dans l’autre sens. 13 VI. Résultats en images Tout d’abord, voici la maquette dans sa version finale : Les 4 photodiodes sont numérotées et associées à la LED qui porte le même numéro. Ici, la plaque n’est pas encore alimentée. Nous alimentons ensuite le circuit tout en laissant une lumière éteinte, c'est-àdire que les 4 photodiodes devraient recevoir la même intensité lumineuse : Les 4 LEDs sont toutes allumées, ce qui va de pair avec ce que nous venons de dire. 14 Désormais, nous allumons la lampe en la pointant vers deux photodiodes en particulier : Ici, ce sont les photodiodes 2 et 3 qui sont les plus éclairées comme on peut le voir. Par conséquent, ce sont les LEDs 2 et 3 qui s’allument, les autres restant éteintes. Pointons désormais la lampe dans d’autres directions : Les photodiodes 1 et 3 étant les plus éclairées, ce sont les LEDs 1 et 3 qui s’allument uniquement. Les photodiodes 1 et 4 sont les plus éclairées… 15 Et enfin, les photodiodes 2 et 4 sont les plus éclairées… VII. Conclusion Ce projet a été particulièrement intéressant en cela qu’il nous a permis de travailler avec des outils différents de ceux dont nous disposons à l’ENSEA (Voltmètres, alimentations, fils, oscilloscope…) et aussi de bien nous rendre compte qu’il fallait, en plus d’être patient et minutieux, procéder étape par étape, bloc par bloc et qu’il fallait régulièrement faire des mesures pour vérifier que le montage fonctionne à chaque étape. Nous tenons à remercier Giacomo Napoli pour son aide précieuse ainsi que Salvatore Monaco pour nous avoir permis de mener à bien ce projet. 16
