Notice Panneau Solaire Autopilote

7/30/2019 Notice Panneau Solaire Autopilote

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Manuel d'utilisation de la maquette

PANNEAU SOLAIRE AUTO-PILOTE

Enseignement au lyce

Article Code

Panneau solaire auto-pilot 14740

Document non contractuel


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L'nergie solaireL'nergie solaire est l'nergie que dispense le soleil dans son rayonnement, direct ou diffus. Sur Terre,l'nergie solaire est l'origine du cycle de l'eau et du vent. Le rgne vgtal, dont dpend le rgneanimal, l'utilise galement en la transformant en nergie chimique via la photosynthse. Grce diversprocds, elle peut tre transforme en une autre forme d'nergie utile pour l'activit humaine,notamment en chaleur, en lectricit ou en biomasse.

Par extension, l'expression nergie solaire est souvent employe pour dsigner l'lectricit oul'nergie thermique obtenue partir de cette dernire.

Les techniques pour capter directement une partie de cette nergie sont disponibles et sontconstamment amliores. On peut distinguer le solaire passif, le solaire photovoltaque et le solairethermique.

A lre des nergies renouvelables, on est constamment amen rechercher des solutions pouramliorer et innover la production dnergie. En se basant sur lexemple de lnergie solaire, partir depanneaux photovoltaques, une ide consiste tudier la faisabilit et lintrt dun panneau solaire autopilot . En somme un robot, articul autour de deux axes de rotations, permettant dorienter lepanneau solaire perpendiculairement au soleil, pour un meilleur transfert dnergie et donc un meilleurrendement.

La maquette prsente dans ce document fonctionne sur le principe du solaire photovoltaque.

Principe du solaire photovoltaque

Leffet photovoltaque a t dcouvert par Antoine Becquerel en 1839, Leffet photovoltaque estobtenu par absorption des photons dans un matriau semi-conducteur qui gnre alors une tensionlectrique.

Leffet photovoltaque a t dcouvert par Antoine Becquerel en 1839,. Leffet photovoltaque estobtenu par absorption des photons dans un matriau semi-conducteur qui gnre alors une tensionlectrique.

L'nergie solaire photovoltaque dsigne l'lectricit produite par transformation d'une partie durayonnement solaire avec une cellule photovoltaque. Les cellules photovoltaques produisent ducourant continu. Ensuite, suivant l'utilisation, plusieurs cellules sont relies entre-elles sur un modulesolaire photovoltaque et plusieurs modules sont regroups dans une centrale solaire photovoltaque.On voit donc qu'avec un mme procd, on peut faire fonctionner de simples appareils tels quecalculatrices, montres, radios, recharger les batteries d'autres machines lectriques, alimenter unrseau domestique ou dans les cas les plus extrmes, produire du courant pour la haute tension.

Les cellules ne peuvent pas stocker l'nergie, mais le rayonnement solaire l'air libre tant toujoursprsent, cette fonction est quasiment obsolte et il n'est pas incongru de prsenter des cellules commedes piles. La rapidit de charge ou la tension obtenue dpendra uniquement de la qualit del'ensoleillement.

Ces dernires annes les cellules photovoltaques ont connu des progrs remarquables et ce danstrois domaines :

le prix du watt produit qui va passer sous la barre des 1 . le rendement (nergie solaire reue par nergie lectrique produite) qui s'loigne grand pas

des 5% des cellules en silicium des dbuts. la maniabilit et l'installation. Il existe dsormais des modules pliables, enroulables et

dernirement une peinture a t mise au point.


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Panneau solaire photovoltaque

Descriptif et prsentation de la maquette

La maquette est compose :

de panneaux solaires de photorsistances de position dune photo rsistance seuil de lumire dune carte lectronique dune sortie panneaux photovoltaques dune batterie dune carte lectronique dun commutateur de charge de la batterie

LDR en srie :photorsistancesde position

Panneaux solaires

Bornier de sortie despanneaux solaires

Carte lectronique

Batterie

LDR interrupteur :photorsistanceseuil de lumire

Tube suiveur

Commutateur chargebatterie


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Exemple de cahier des charges pour la cration dun prototype

Contraintes matrielles et lectriques :

Panneau auto positionn laide de deux moteurs courant continu (5 V)

Une ou plusieurs plaques photovoltaques 12V

Accumulateurs 12 V

Le dplacement (rotation verticale ou horizontale) est limit respectivement 0 90 et 0 180 (do la ncessit de capteur de fin de course)

Ces contraintes matrielles permettent de poser les paramtres des interfaces externes pour laconception de la carte lectronique. La valeur de ces paramtres sont donnes titre dexemple.A titre indicatif, une premire ralisation de la maquette mcanique peut tre faite partir dun tiroirlecteur CD-ROM rcupr sur un vieux PC. Ces tiroirs sont quips de deux moteurs 5 V. Un simple bricolage permettra dobtenir une plaque articule suivant deux sens de rotation (verticale ethorizontale).

Etude de faisabilit

On souhaite raliser une carte lectronique, permettant de piloter les deux moteurs afin de positionnerle panneau solaire. Avant la phase de simulation, il est ncessaire de dcomposer ltude en souschapitres :

Interrupteur lumineux

Stratgie de poursuite du soleil

Commande du sens de rotation des moteurs

Adaptation de tension (12V -> 5V)

Interconnexion de sources, rgulateur de charge

Outil de simulation

Cette tude ncessite lexploitation du fonctionnement des diffrents composants.

Interrupteur lumineuxUne solution, typiquement utilise dans le domaine des systmes photolectrique, (ex : commande devolet roulant) est la suivante :

Cet interrupteur (commande de relais) est bas sur la variation de rsistance dune photorsistance enfonction de la luminosit. Il est prciser que dans un souci dconomie dnergie, le relais seraaliment durant la phase de fonctionnement de moindre dure. Ainsi il est ncessaire de placer la LDRde manire ce que le transistor ne soit satur que durant cette phase.La rsistance R1 peut tre remplace par un potentiomtre, permettant ainsi de rgler le seuil dedclenchement ou la sensibilit la lumire.


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Stratgie de poursuite du soleilUne solution consiste utiliser deux photorsistances LDR en srie (deux pour grer le dplacementvertical et deux pour le dplacement horizontal). Ces deux LDR seront montes de part et dautre duntube. Tant que le tube ne pointe pas en direction du soleil, lune ou lautre des LDR est forcmentexpose lombre.

La rsistance totale des deux LDR en srie sert de seuil de saturation du transistor, dans un montagede type interrupteur lumineux, tel dcrit plus haut. Le potentiomtre permet de rgler la sensibilit parrapport au seuil lumineux, et donc doptimiser le positionnement. Il est important cependant, que ceseuil reste infrieur celui de linterrupteur lumineux gnral.

Le mme principe sapplique la poursuite horizontale et la poursuite verticale. La mise en rotationdes deux moteurs (vertical et horizontal) sera commande par un montage interrupteur lumineux. Lerelais command par cet interrupteur lumineux sera double, de telle manire ce que les deux bornesdu moteur en sortie du relais soient commutes sur la masse (arrt rotation) ou sur la tension defonctionnement (rotation).En somme, tant donn la petite taille des moteurs et linertie mise en jeu, une commande type toutou rien suffit.

Commande du sens de rotation du moteurIl sera ncessaire, une fois le panneau arriv en fin de course, de gnrer un signal ou une commandepermettant dinverser le sens de rotation du moteur. Pour cela on peut saider de quatre interrupteursde fin de course , deux pour le mouvement horizontal et deux pour le mouvement vertical.Une solution consiste combiner une bascule logique (RS) avec un rseau de transistor, le tout encircuit intgr. La table de vrit dune bascule RS sadapte la logique de fonctionnement souhaite.


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Les entres logiques (CMOS) correspondent aux sorties des interrupteurs de fin de course. La sortie Qcommandera la saturation dun transistor (fonctionnement interrupteur) qui lui mme commandera unrelais (4 entres, 2 sorties).

Exemple : rotation horizontale :

Q= 1 , et le moteur tourne gauche. Arriv en fin de course, linterrupteur gauche reli la borne(R) sera ferm pendant un court instant, forant ainsi la sortie Q ltat 0 . Q gardera cet tat, tant

que linterrupteur droite (S) nest pas sollicit. En fonction de ltat de Q, le relais (4 -2) sera ltat oprationnel ou repos . Dans un cas la tension aux bornes de la sortie relais sera positive, danslautre elle sera ngative, tel dcrit sur le schma ci-dessous.

Le principe sera le mme pour la rotation verticale.

Adaptation de tension (DC/DC)Le choix de lalimentation du circuit a t de 12 V continu. Il se peut que les moteurs doivent tre

aliments avec une tension infrieure (ex : 5V). Une solution simple pour adapter la tension consiste intgrer une diode Zener, selon le schma ci-dessous.

Il faut qu'on connaisse la consommation mini et maxi du montage qui se branchera sur le 5V. Dansnotre exemple, on prendra Imin = 0 mA, et Imax = 750 mA. On va alors pouvoir dterminer la

puissance de la diode zener, la valeur et la puissance de la rsistance.

Une solution moins gourmande en termes de consommation dnergie consiste intgrer un rgulateur

de tension, par exemple de type L78xx.

Montage avec Vi=12V et Vo=5V pour un L7800.

Fin de course


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Interconnexion de sourcesOn associe couramment les panneaux solaires photovoltaques en srie pour obtenir des tensionsmultiples de 12 Volts (24V, 48V) et en parallle pour augmenter le courant solaire. La seule prcaution prendre est dutiliser des diodes spcifiques.

Diodes by-pass (contournement) ou diodes sries (blocage).

Plusieurs panneaux solaires sont susceptibles de venir enrichir le montage. Chaque panneau

photovoltaque (12V) est une source de courant lorsquil est clair. En gnral la caractristiquecourant-tension est la suivante :

Effet de lclairement sur le panneau solaire.

Si lon souhaite charger laccumulateur (12V), Il faudra tudier de quelle faon on peut interconnecterces diffrentes sources.

Les panneaux photovoltaques (PP) seront connects en parallle

Linterconnexion entre les PP et laccumulateur (batterie) peut se raliser grce un rgulateur

de charge ou tout simplement laide dune diode (de blocage) monte en srie supportant lecourant nominal de charge, avec un interrupteur permettant de dcoupler lensemble des

panneaux de laccumulateur.

La puissance lectrique fournie par lensemble des PP peut tre contrle par un VU-mtre (unmini-ampremtre + rsistance) plac en parallle. Celui-ci permettra de vrifier visuellement le bonfonctionnement des PP et dobtenir un ordre de grandeur de la puissance lectrique gnre.


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Simulation de la carte de pilotage des moteursGrce aux diffrents logiciels de simulation (Proteus, crocodile, etc.), il est possible de vrifier le bonfonctionnement de la carte de pilotage sur PC.

Suggestions pour la classeAu-del de lintrt nergtique, cette tude souhaite sinscrire dans une dmarche pdagogique,inspirant une progression de cours, de classe type STI ou dans le cadre des TPE. La richesse desthmes abords dans la ralisation dun tel projet (capteurs, convertisseurs, connexion de sources,portes logiques, dimensionnements de composants lectroniques, simulation, etc.) permet uneillustration pratique de la mise en uvre des diffrents thmes que peut comporter le programme enSTI (Terminale Gnie lectronique, BTS IRIS).Dans cette tude, pour la partie ralisation, on ne traitera que la carte lectronique. La partiemcanique sera simplement dcrite.

Utilisation de la maquette

Etude nergtiqueUne fois la maquette fonctionnelle, elle permettra deffectuer des expriences sur le flux nergtiquedun clairement, notamment solaire.Par exemple, laide dune carte dacquisition (type Orphy, Latis pro, etc.) et dun logiciel de traitementde donnes (type synchronie), on peut relever la courbe donnant la puissance maximum reue enfonction de la position du soleil durant la journe. Mais aussi en fonction de linclinaison(horizontale/verticale) des rayons du soleil par rapport au panneau solaire.Limage de la puissance lumineuse reue peut tre releve en mesurant la tension aux bornes dunersistance R branche aux bornes du panneau solaire.

Sur une mme journe on peut relever la courbe de la puissance reue maximum (positionperpendiculaire) et la courbe de la puissance reue par un panneau fixe (position fixe).


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Exemple dacquisition sur une journe

Branchement et rglagesLe rglage du seuil de dtection pour la coupure gnrale doit tre plus sensible que les seuils pour lesrotations horizontale et verticale. Cela afin dviter le cas de figure ou le panneau soit aliment alorsque la stabilisation face au soleil ne se fasse pas, entranant ainsi une recherche sans fin.

Rsistance etrgulateur 5V


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Lalimentation se fait en 12V

Les moteurs sont en 5V (12V optionnel, en shuntant la rsistance et ouvrant le rgulateur de

tension : voir carte lectronique)

Les LDR sont de type usuel

Les fins de course sont de type contact simple (fermeture uniquement au contact)

Les LED rouge et verte indiquent ltat du panneau, rouge inactif (absence de lumire), vert actif (mode

positionnement automatique)En cas d affolement du panneau (rotation incessante), la cause peut tre un seuil de dtection troplev, il faudra rgler ce seuil avec le potentiomtre respectif.

Paramtres de la maquette

Le panneau photovoltaque utilis dlivre une tension de 3,6 Vcc et une intensit max de 30

mA. Quatre panneaux ayant chacun la caractristique ci-dessus, sont mis en srie, afin

dobtenir un point de fonctionnement nominal (14,4 Vcc, 30mA).

La consommation de la maquette est la suivante :

20 mA en veille (absence du soleil)

30 mA en mode poursuite active (prsence du soleil)100mA max. durant la phase de positionnement (de trs courte dure)

Sortie panneaux photovoltaquesLa sortie des panneaux photovoltaques est accessible via deux bornes (couleurs rouge + et noir -).Cette sortie peut tre branche en parallle sur la batterie via un interrupteur plac ct. Cetinterrupteur est en srie avec une diode de protection.

Documents

Notice Panneau Solaire Autopilote