Rapport Jalon 4 Final (2)(1)

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Projet mcatronique intgre 5A : Ralisation dun tracker

Salem AKKARI Flavien LUCAS Etienne GRENIER Nicolas LUCAS Yinchao LI Yihuan SUN Anthony CARRATALA

5A MCS

Anne scolaire 2011 2012

Ralisation dun tracker solaire

Projet mcatronique intgre 5A : Ralisation dun tracker

Projet Mcatronique intgre

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Ralisation dun tracker solaire

RemerciementsMes vifs remerciements sadressent dans un premier temps toute lquipe pdagogique de lcole Polytechnique de luniversit dOrlans et les intervenants professionnels responsables de la formation Mcatronique et Conception des Systmes, pour avoir assur le suivi du projet du tracker solaire. Je remercie galement Monsieur Gilles Hivet pour laide et les conseils concernant les missions voques dans ce rapport quil a apport toute lquipe lors des diffrents suivis. Je tiens remercier tout particulirement et tmoigner toute ma reconnaissance aux diffrents membres de mon quipe de projet pour leur, soutien, solidarit, professionnalisme et engagement la russite du projet : Messieurs Lucas Flavien, Carratala Anthony, Sun Yihuan,Li yinchao,Grennier Etienne et Lucas Nicolas.

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Table des matiresTable des matires ................................................................................................... 4 Table des illustrations .............................................................................................. 8 Liste des tableaux ................................................................................................. 11 Glossaire ................................................................................................................. 12 Introduction............................................................................................................. 14 1 Le business plan ................................................................................................. 151.1 1.2 1.3 1.4 Les cots ............................................................................................................151.1.1 1.1.2 Les cots fixes ........................................................................................................... 15 Les cots variables .................................................................................................... 15

Les revenus ........................................................................................................16 Le cot de production .........................................................................................16 Le retour sur investissement ...............................................................................17

2 Comment collecter, convertir et renvoyer lnergie au rseau ........................ 192.1 2.2 Principe ..............................................................................................................19 Les modules .......................................................................................................192.2.1 2.2.2 2.2.3 Le choix ..................................................................................................................... 19 La technologie ........................................................................................................... 22 Effet de la temprature .............................................................................................. 24

2.3 2.4

Le choix des onduleurs .......................................................................................25 La protection lectrique de la ferme ....................................................................272.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 Dimensionnement des sectionneurs porte-fusibles ................................................... 29 Dimensionnement des parafoudres ........................................................................... 29 Dimensionnement des diodes de protection ............................................................. 29 Dimensionnement des disjoncteurs ........................................................................... 30

2.5

Cblage lectrique ..............................................................................................31

3 Architecture du tracker ....................................................................................... 323.1 Choix de larchitecture ........................................................................................323.1.1 3.1.2 3.1.3 Type darchitecture .................................................................................................... 32 Type de support ......................................................................................................... 33 Type de panneau ....................................................................................................... 34

3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

Architecture choisie ............................................................................................35 Calcul du Beta_min.............................................................................................353.3.1 3.3.2 Dtermination du Beta_min thorique ....................................................................... 35 Dtermination du Beta-min pratique .......................................................................... 37

Schma cinmatique ..........................................................................................38 Repres utiliss ..................................................................................................39 Dimensionnement de larchitecture .....................................................................403.6.1 3.6.1 3.6.2 3.6.3 Conception Assiste par Ordinateur .......................................................................... 40 Mat du tracker ............................................................................................................ 41 Support de modules................................................................................................... 41 Rsultats .................................................................................................................... 42

3.7

Dimensionnement dun sous panneau ................................................................43 Page 4

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Ralisation dun tracker solaire 3.8 3.9 3.10 3.11 Influence des dfauts ..........................................................................................48 Etude dynamique ................................................................................................52 Loi entre-sortie ..................................................................................................61 Etude par lments finis .....................................................................................62

4 Position de scurit ............................................................................................. 654.1 4.2 Panneau horizontal .............................................................................................65 Panneau vertical .................................................................................................65

5 Motorisation ......................................................................................................... 675.1 Motorisation de llvation ..................................................................................675.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 Hypothses ................................................................................................................ 69 Paramtres de vrin .................................................................................................. 71 Matrice de choix ......................................................................................................... 73 Avantages dutiliser un vrin pour motorisation de laxe dlvation ......................... 75 Hypothses ................................................................................................................ 77 Paramtres du moteur de lazimut............................................................................. 79 Matrice de choix du moteur ....................................................................................... 83 Le moteur, rducteur choisis ..................................................................................... 83 Un rducteur supplmentaire de roue et vis sans fin ................................................ 85 Lnergie consomm par motorisation de laxe dlvation....................................... 87 Lnergie consomm par motorisation de laxe dazimut .......................................... 87 Lnergie consomm annuel totalement (150 trackers) ............................................ 87

5.2

Motorisation de lazimut ......................................................................................775.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5

5.3

Lnergie consomme annuel ...............................................................................875.3.1 5.3.2 5.3.3

6 GEMMA de la stratgie ........................................................................................ 886.1 6.2 Gemma gnral ..................................................................................................88 Spcifications GEMMA ......................................................................................886.2.1 6.2.2 6.2.3 Cycles importants ...................................................................................................... 88 Les conditions ............................................................................................................ 88 Les tapes ................................................................................................................. 89

6.3 6.4 6.5

GEMMA sur le cycle de production normale .......................................................89 GEMMA sur le cycle darrt durgence ................................................................91 FAST et AMDEC sur contraintes lies au vent ....................................................916.5.1 6.5.2 Diagramme Fast ........................................................................................................ 91 AMDEC sur les 3 solutions : ...................................................................................... 92

7 Comment assurer la fonction : Suivre le soleil ? .............................................. 947.1 7.2 7.3 Dfinition des angles dazimut et lvation .........................................................94 Diagramme Fast .................................................................................................94 Connatre la position du soleil .............................................................................967.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 Diagramme FAST ...................................................................................................... 96 Matrice de choix ......................................................................................................... 96 Solution retenue......................................................................................................... 97 Domaine de fonctionnement ...................................................................................... 98 Diagramme FAST .................................................................................................... 101 Matrice de choix pour llvation ............................................................................ 101 Matrice de choix pour lazimut ................................................................................ 102 Solutions retenues ................................................................................................... 102 Diagramme FAST .................................................................................................... 105 Solution retenue....................................................................................................... 105

7.4

Connatre la position des modules ....................................................................1017.4.1 7.4.2 7.4.3 7.4.4

7.5 7.6

Connatre le Nord gographique .......................................................................1057.5.1 7.5.2

Connatre lhorizon ............................................................................................105 Page 5

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Ralisation dun tracker solaire7.6.1 7.6.2 Diagramme FAST .................................................................................................... 105 Solution retenue....................................................................................................... 106 Diagramme FAST .................................................................................................... 106 Solution retenue....................................................................................................... 106 Stratgies angulaires ............................................................................................... 107

7.7 7.8

Stratgie de suivi ..............................................................................................1067.7.1 7.7.2 7.8.1

Stratgie sur les angles commander ..............................................................107

8 Stratgie de commande des angles ................................................................. 1098.1 8.2 8.3 8.4 Commande pas pas .......................................................................................110 Passage de la position de scurit la position de travail ................................1108.2.1 8.2.2 8.3.1 8.3.2 8.4.1 8.4.2 8.4.3 Vision globale dun cycle complet sur la journe ..................................................... 112 Zoom sur le passage de la position de scurit la position de travail .................. 113 Vision globale .......................................................................................................... 113 Zoom de la stratgie ................................................................................................ 114 Vitesse ..................................................................................................................... 115 Acclration ............................................................................................................. 116 Position .................................................................................................................... 117

Visualisation de la stratgie ..............................................................................113 Lois semi idales ........................................................................................115

8.5 8.6 8.7

Optimisation : le matin ......................................................................................118 Optimisation lorsque le soleil est au znith .......................................................119 Modlisation sous Matlab/Simulink de notre systme .......................................1198.7.1 8.7.2 8.7.3 8.7.4 8.7.5 8.7.6 8.7.7 Visualisation du schma bloc de commande .......................................................... 120 Modle inverse et direct de notre systme .............................................................. 120 Modlisation du vrin lectromcanique ainsi que sa boucle bas-niveau .............. 121 Bloc variateur + PI ................................................................................................... 123 Modlisation de notre systme complet sans correcteur ........................................ 126 Application dun correcteur ...................................................................................... 127 Passage du modle au terrain ................................................................................. 133

9 Superviser la ferme............................................................................................ 1349.1.1 Diagramme FAST .................................................................................................... 134 9.1.2 Matrice de choix ....................................................................................................... 134 Malgr que la solution de la commande centralise ressorte, nous allons effectuer une Analyse des modes de dfaillances, de leurs effets et de leur criticit................................. 134 9.1.3 AMDEC sur les deux solutions ................................................................................ 134 9.1.4 Solution retenue....................................................................................................... 136

9.2

Comment assurer la supervision de la ferme? ..................................................1369.2.1 9.2.2 9.2.3 9.2.4 9.2.5 Lobjectif de la conception de la supervision ........................................................... 136 Larchitecture de la supervision sur toute le systme .............................................. 137 Larchitecture principal du systme de la supervision ............................................. 139 Choix du bus de terrain ........................................................................................... 140 Larchitecture de la supervision en dtail ................................................................ 142

9.3

Modlisation du rseau .....................................................................................143

10 Organisation de la ferme ................................................................................. 146 11 Scurit de la ferme ......................................................................................... 147 12 Cycle de vie de la ferme .................................................................................. 14912.1 12.2 12.3 12.4 Importation des pices et matires premires ...................................................149 Transport ..........................................................................................................149 Montage ...........................................................................................................150 Fin de vie ..........................................................................................................151 Page 6

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Ralisation dun tracker solaire 12.5 Rapport .............................................................................................................151

Conclusion ............................................................................................................ 155 Annexe A : Analyse de lexistant ........................................................................ 15612.1 Analyse de lexistant .........................................................................................156Technologie de Tracker ....................................................................................... 156 Actionneurs .......................................................................................................... 157

12.1.1 12.1.2

Annexe B : Analyse du besoin ............................................................................ 15812.2 Analyse du march ...........................................................................................158Les avantages et inconvnients du photovoltaque ............................................ 158 Les marchs potentiels ........................................................................................ 159 Les concurrents dans le milieu de la cellule concentration .............................. 160

12.2.1 12.2.2 12.2.3

12.3

Etude des revenus potentiels ............................................................................161

Annexe C : Analyse fonctionnelle ....................................................................... 16312.3.1 12.3.2 12.3.3 12.3.4 Tracker ................................................................................................................. 163 Cycle de vie du tracker ........................................................................................ 164 Caractrisation des interacteurs .......................................................................... 164 Diagramme des inter-acteurs .............................................................................. 167 Bte cornes ....................................................................................................... 185 Cycle de vie de la ferme ...................................................................................... 186 Caractrisation des intracteurs .......................................................................... 186 Bte cornes ....................................................................................................... 196 Cycle de vie du tracker de dmonstration ........................................................... 196 Caractrisation des inter acteurs ......................................................................... 197 Diagramme des inter acteurs .............................................................................. 199

12.4

Ferme ...............................................................................................................185

12.4.1 12.4.2 12.4.3

12.5

Tracker de dmonstration .................................................................................196

12.5.1 12.5.2 12.5.3 12.5.4

Annexe D : Simulations par lments finis du support de modules..21112.6 12.7 12.8 12.9 12.10 12.11 -1 contact avec le mt, au centre : ....................................................................211 -2 contacts avec le mat, proches du milieu : .....................................................212 -2 contacts avec le mat, loigns : ....................................................................212 -3 contacts avec le mat, un au centre et 2 proches du centre : .........................213 -3 contacts avec le mat, un au centre et 2 loigns : ........................................213 -5 contacts avec le mat, sur tous les points de contact : ...................................214

Annexe E : Inventaire matriaux ......................................................................... 215 Annexe F : Document SKF pour choix du roulement ........................................ 217 Bibliographie......................................................................................................... 218

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Table des illustrationsFigure 1 : Schma du paramtrage et du cne dincertitude correspondant lexigence de 0,5de prcision entre les normales aux modules et les rayons solaires ..............................12 Figure 2 : Schma de lAzimuth ............................................................................................13 Figure 3 : Schma de lElvation ..........................................................................................13 Figure 4 : ROI .......................................................................................................................18 Figure 5 : Matrice de choix ...................................................................................................21 Figure 6 : Avantages des cellules multicouches ...................................................................23 Figure 7 : Technologie CPV..................................................................................................24 Figure 8 : Effet de la temprature sur la caractristique dun module ...................................24 Figure 9 : Fonctionnement du MPPT ....................................................................................26 Figure 10 : Zones krauniques du monde ............................................................................28 Figure 11 : Type de protection suivant le niveau kraunique ................................................28 Figure 12 : Mise en vidence du courant inverse..................................................................30 Figure 13 : Schma de cblage pour un tracker ...................................................................31 Figure 14 Comparaison de l'lvation avec l'clairement .....................................................36 Figure 15 : Schma de loptimisation des dimensions du tracker ..........................................38 Figure 16 : Schma cinmatique du systme .......................................................................39 Figure 17 : Figures de rotation de base ................................................................................39 Figure 18 : Graphe des liaisons de larchitecture ..................................................................40 Figure 19 : Reprsentation du Tracker en position de scurit .............................................40 Figure 20 : Une des poutres composant le mat ....................................................................41 Figure 21 : Un double caisson modules .............................................................................42 Figure 22 Position de scurit et min ..................................................................................43 Figure 23 Longueur tige, c et e en fonction de min .............................................................44 Figure 24 Elments finis de la bielle .....................................................................................46 Figure 25 : Double compartiment du support de modules .....................................................62 Figure 26 : Positionnement possible des appuis entre le support de module et le mat .........63 Figure 27 :Schma danalyse de motorisation ......................................................................67 Figure 28 :Schma des efforts..............................................................................................68 Figure 29 :Schma deffort uniforme de vent ........................................................................69 Figure 30 : Carte des vents du Maroc...................................................................................70 Figure 31 : Dimensions du panneau .....................................................................................71 Figure 32 : Schma mcanique ............................................................................................71 Figure 33 : Schma des paramtres de calcul ......................................................................72 Figure 34 : Vrin choisi et son variateur ...............................................................................74 Projet Mcatronique intgre Page 8

Ralisation dun tracker solaire Figure 35 : Graphe de modle du tracker sous CATIA .........................................................75 Figure 36 : Emplacement du vrin dans le tracker ................................................................75 Figure 37 : Vitesse de rotation du panneau par rapport llevation ....................................76 Figure 38 : Direction du vent (azimut) ...................................................................................77 Figure 39 : Inertie du panneau (azimut) ................................................................................78 Figure 40 : Courbe de vitesse du moteur (azimut) ................................................................80 Figure 41 : Courbe du couple du moteur (10 km/h) ..............................................................81 Figure 42 : Courbe du couple du moteur (100 km/h) ............................................................81 Figure 43 : Courbe de puissance du moteur (azimut) pour vent 10km/h ...............................82 Figure 44 : Courbe de puissance du moteur (azimut)pour vent 100km/h ..............................82 Figure 45 : Variateur + moteur + rducteur ..........................................................................84 Figure 46 : Vitesse moteur en fonction du temps ..................................................................85 Figure 47 : Rducteur de roue et vis.....................................................................................86 Figure 48 : GEMMA gnral .................................................................................................88 Figure 49 : GEMMA-Cycle de production normale................................................................90 Figure 50 : GEMMA-Cycle darrt durgence ........................................................................91 Figure 51 : Diagramme Fast sur la dtection ........................................................................92 Figure 52 Azimut / Jour .......................................................................................................98 Figure 53 Elvation/jour.......................................................................................................99 Figure 54 FAST Position des modules ...............................................................................101 Figure 55 Elvation mesure avec notre inclinomtre .......................................................102 Figure 56 : Inclinomtre POSITAL ACS CANopen .............................................................103 Figure 57 : Codeur incrmental Leine Linde .................................................................104 Figure 58 : Diagramme Fast Angles ...................................................................................107 Figure 59 : Plans solaires Un par mois ............................................................................108 Figure 60 : Reprsentation schmatique de la position de scurit ....................................111 Figure 61 : Vision globale de notre commande ...................................................................112 Figure 62 : Visualisation de la position de scurit la position de travail ..........................113 Figure 63 : Visualisation de la commande ..........................................................................114 Figure 64 : Zoom de la stratgie .........................................................................................114 Figure 65 : =f(temps) ........................................................................................................116 Figure 66 : =f(temps) ........................................................................................................117 Figure 67 : =f(temps) ........................................................................................................117 Figure 68 : Optimisation de la commande le matin .............................................................118 Figure 69 : Optimisation de la commande au znith ...........................................................119 Figure 70 : Schma bloc de principe de notre commande ..................................................120 Figure 71 : Dfinition des paramtres .................................................................................121 Projet Mcatronique intgre Page 9

Ralisation dun tracker solaire Figure 72 : Modlisation du moteur avec la commande bas niveau ....................................122 Figure 73 : Le systme mcanique .....................................................................................123 Figure 74 : Commande bas niveau .....................................................................................123 Figure 75 : Rponse une consigne de 1,5mm sans perturbations ...................................124 Figure 76 : Visualisation du courant pour une consigne de 1,5mm sans perturbations .......125 Figure 77 : Visualisation de la tension pour une consigne de 1,5mm sans perturbations....125 Figure 78 : Systme complet sans correcteur .....................................................................126 Figure 79 : Visualisation de la sortie en fonction de =0.4 ................................................127 Figure 80: Visualisation de l'intensit sans correcteur ........................................................127 Figure 81 : Systme avec correcteur ..................................................................................128 Figure 82 : Visualisation de la sortie avec le correcteur pour une consigne =0.4.............128 Figure 83 : Tension moteur avec le correcteur ...................................................................129 Figure 84 : Visualisation du courant moteur avec le correcteur...........................................129 Figure 85 : Wmot (tr/min)=f(temps) .....................................................................................130 Figure 86 : Rponse une consigne =0.4 avec une perturbation 5V ...........................131 Figure 87 : Tension du moteur une consigne =0.4 avec une perturbation ...................131 Figure 88 : Courant du moteur une consigne =0.4 avec une perturbation ...................132 Figure 89 : La hirarchie du systme..................................................................................137 Figure 90 : Architecture des connexions .............................................................................138 Figure 91 : Larchitecture principal .....................................................................................139 Figure 92 : Larchitecture de la supervision en dtaille .......................................................143 Figure 93 : Zones de la ferme et larmoire de PC industriel ................................................144 Figure 94 : Topologie de la zone 3 .....................................................................................145 Figure 95 : Positionnement des trackers dans la ferme ......................................................146 Figure 96 : Mat situ au niveau du centre de gravit du panneau .......................................156 Figure 97 : Mat au centre de gravit avec vrin mcanique ................................................156 Figure 98 : Mouvement azimut effectu au sol .............................................................157 Figure 99 : Carte densoleillement de lEurope et du Nord de lAfrique ...............................161

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Liste des tableaux

Tableau 1 : Les cots fixes ...................................................................................................15 Tableau 2 : cots variables ...................................................................................................16 Tableau 3 : Revenus annuels ...............................................................................................16 Tableau 4 : Bilan Cots/revenus ...........................................................................................17 Tableau 5 : Recherche donduleurs ......................................................................................25 Tableau 6 : Matrice de choix.................................................................................................26 Tableau 7 :Tableau des caractristiques du patin/mono rail MRS45 ....................................46 Tableau 8 Classe de prcision du rail ...................................................................................47 Tableau 9 : Performance de vrin et ses critres..................................................................75 Tableau 10 : Performances et critres du vrin [L4] ............................................................84 Tableau 11 : AMDEC sur les solutions de la dtection .........................................................93 Tableau 12 : Domaines de fonctionnement des angles ......................................................100

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Glossaire Cellules photovoltaques : ce sont des cellules qui captent lnergie solaire et la transforment en nergie lectrique. Modules photovoltaques : il sagit de lensemble de cellules photovoltaques Panneaux photovoltaques : Il sagit dun ensemble de modules plac sur le tracker. Tracker : Structure indpendante orientant les panneaux perpendiculairement aux rayons du soleil avec une prcision de 0,5. Ferme: Ensemble de plusieurs trackers indpendants. Elle assure la supervision des trackers.

Figure 1 : Schma du paramtrage et du cne dincertitude correspondant lexigence de 0,5de prcision entre les normales aux modules et les rayons solaires

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Figure 2 : Schma de lAzimuth

Figure 3 : Schma de lElvation

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Introduction

Le projet de mcatronique et conception intgre consiste concevoir une ferme solaire compose de tracker. Le cahier des charges tant fourni et lobjectif tait de proposer un projet viable conomiquement avec les meilleures solutions retenues. Ce rapport prsentera lanalyse du besoin, lanalyse de lexistant, les choix effectus et les critres choisis pour aboutir la solution. Seront exposes galement la conception prliminaire du tracker aussi bien sur la partie mcanique, lectrique quautomatique.

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1 Le business planLe business plan permet de dterminer si le projet est viable et peut servir pour convaincre les investisseurs dapporter des capitaux dans lentreprise. Cest pour cela quil est tout particulirement important de dfinir les cots et les revenus que va gnrer la ferme solaire. Le choix a t fait dinvestir au Maroc car ce pays offre des garanties sur linstallation de nouvelles entreprises comme une exonration dimpts sur les socits pendant 5 ans. Par ailleurs, le solaire est en plein essor. Le Maroc souhaite installer une puissance de 2000MW en nergie solaire donc de nouveaux projets devraient natre et lentreprise sera ainsi apte construire de nouvelles fermes. Bien que le prix de rachat du kWh soit infrieur au Maroc quen Espagne, lentreprise sappuiera sur une main duvre et un cot des terrains environ 10 fois moins cher [1]

1.1 Les cots1.1.1 Les cots fixes

Ce sont les cots dfinis au dbut de lactivit. Ils sont regroups dans le tableau suivant : Cots fixes Maind'uvre Terrain Modules Onduleurs Moteurs Structure Centre de contrle Automatique Total des cots

9 000,00 5 912,94 5 896 800,00 877 500,00 1 170 000,00 150 000,00 100 000,00 93 600,00 8 302 812,94

Tableau 1 : Les cots fixes

1.1.2

Les cots variables

Ils concernent les frais de maintenance, les salaires et une marge de scurit au cas o un problme surviendrait. Sachant que notre projet a une dure de vie de 20 ans, nous considrerons les cots variables 3% des cots fixes pendant les 10 premires annes et 6% pour les 10 dernires annes. Cela reprsente donc annuellement :

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249 084,39 498 168,78

Tableau 2 : cots variables

Il est important de considrer des frais variables plus importants dans la seconde moiti du projet car le matriel ne sera plus neuf et sera donc plus susceptible de se dtriorer.

1.2 Les revenusIl sagit de la production dnergie renvoye au rseau. Daprs les informations recueillies, le prix de rachat serait de 160/MWh. On obtient donc un revenu annuel de : Chiffre d'affaires Ensoleillement journalier moyen (kWh/m) nb heures ensoleillement moyen journalier Prix rachat (/MWh) Ensoleillement (kWh/m/an) Puissance solaire locale en W/m Puissance module en W Surface en m Puissance par tracker en kW nombre de trackers P totale dlivre en kW Energie en MWh Energie en MWh/an Gain espr / an () Maroc 6,4 9,5 160 2336 673,68 180,31 80 14,42 150 2163,72 20,56 7502,68 1 200 429,18

Tableau 3 : Revenus annuels

1.3 Le cot de productionLa dtermination du cot de production est trs importante car elle fixe le prix de rachat minimal pour esprer un bnfice brut. Il sagit de calculer un cot de production moyen sur la dure de vie du projet.

Sachant que le prix de rachat est infrieur ou gal 0.11, il ny aucune raison pour continuer exploiter la ferme. Les prix de rachat actuels sont de lordre de 0.16/kWh, avec un bnfice avant impts de 0.05/kWh. Projet Mcatronique intgre Page 16

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1.4 Le retour sur investissementIl sagit de dterminer la viabilit du projet. Cet indicateur permettera de dterminer le temps partir duquel lentreprise gagnera de largent et nous permettra de convaincre les investisseurs pour le financer.

Anne Cots fixes 0 8 302 812,94 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7 - 8 - 9 - 10 - 11 - 12 - 13 - 14 - 15 - 16 - 17 - 18 - 19 - 20 -

Cots variables Chiffre d'affaires Bnfice brut Bnfice net - - - 8 302 812,94 - 8 302 812,94 249 084,39 1 200 429,18 951 344,79 951 344,79 249 084,39 1 200 429,18 951 344,79 951 344,79 249 084,39 1 200 429,18 951 344,79 951 344,79 249 084,39 1 200 429,18 951 344,79 951 344,79 249 084,39 1 200 429,18 951 344,79 951 344,79 249 084,39 1 200 429,18 951 344,79 761 075,83 249 084,39 1 200 429,18 951 344,79 761 075,83 249 084,39 1 200 429,18 951 344,79 761 075,83 249 084,39 1 200 429,18 951 344,79 761 075,83 249 084,39 1 200 429,18 951 344,79 761 075,83 498 168,78 1 200 429,18 702 260,40 561 808,32 498 168,78 1 200 429,18 702 260,40 561 808,32 498 168,78 1 200 429,18 702 260,40 561 808,32 498 168,78 1 200 429,18 702 260,40 561 808,32 498 168,78 1 200 429,18 702 260,40 561 808,32 498 168,78 1 200 429,18 702 260,40 561 808,32 498 168,78 1 200 429,18 702 260,40 561 808,32 498 168,78 1 200 429,18 702 260,40 561 808,32 498 168,78 1 200 429,18 702 260,40 561 808,32 498 168,78 1 200 429,18 702 260,40 561 808,32

ROI - 8 302 812,94 - 7 351 468,15 - 6 400 123,36 - 5 448 778,58 - 4 497 433,79 - 3 546 089,00 - 2 785 013,17 - 2 023 937,34 - 1 262 861,51 - 501 785,68 259 290,15 821 098,47 1 382 906,79 1 944 715,11 2 506 523,43 3 068 331,75 3 630 140,07 4 191 948,39 4 753 756,71 5 315 565,03 5 877 373,36

Tableau 4 : Bilan Cots/revenus

En considrant un impt de 20% sur les bnfices partir de la 5me anne car le Maroc offre un avantage fiscal en exonrant les nouvelles entreprises dimpts pendant les 5 premires annes, il est possible de tracer le graphique pour dterminer le payback time .

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ROI8 000 000,00 6 000 000,00 4 000 000,00 Bnfice cumul 2 000 000,00 0 (2 000 000,00) (4 000 000,00) (6 000 000,00) (8 000 000,00) (10 000 000,00) Temps en annes 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 ROI

Figure 4 : ROI

On obtient donc un payback time de prs de 10 ans. Il est maintenant possible de dfinir le seuil de rentabilit en nergie.

Il faudra donc produire toute cette nergie pour commencer faire des bnfices sur linvestissement. Les gains cumuls slvent prs de 6M. Cela reprsente un rendement annuel de 3.5%. Il faudra donc tre trs vigilant contrler les cots pour conserver ce rendement annuel. Il faut noter que le business plan est susceptible de changer notamment avec le prix de rachat du kWh suivant la situation conomique du Maroc et la politique nergtique du gouvernement.

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2 Comment collecter, convertir et renvoyer lnergie au rseau2.1 Principe

Modules

Protections

Convertisseur DC/AC

Protections

Rseau triphas 3X400V

Les modules devront rcuprer lnergie solaire pour la transformer en nergie lectrique. Un onduleur sera plac pour convertir lnergie continue en nergie alternative. Cette nergie sera ensuite renvoye sur le rseau marocain. Sur le ct continu et alternatif, des protections seront places pour se protger des surtensions (parafoudres) et des surintensits (fusibles, sectionneurs, disjoncteurs). Voyons comment nous avons choisi les modules et les critres que nous avons adopt.

2.2 Les modules2.2.1 Le choix

Par contrainte de temps et pour respecter les dlais, le groupe a retenu 5 modules possdant la technologie CPV. Voici les principales caractristiques de chacun deux.

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Modle Longueur Largeur

Opel solar USA 1,576 0,279

Emcore USA Rondine Italie 1,71 1,15 1,05 0,753

HCM 220 Chine Zytech Espagne 1 1,02 1 1,02

Hauteur Surface du module Masse en kg Tolrance d'angle Matriaux Efficacit en % Dure de vie (garantie) Voc en V Icc en A Vmp en V Imp en A Temprature en C

0,307 0,439704 11,3

0,64 1,7 57 +-0,7

0,075 0,8064 17,4 +-4 aluminium et plastique

0,315 1

0,21 1,0404 27

aluminium 25 25 17,4 6,4 15,6 5,8 -40

28 47,7 11,9 40,4 11,4 -40 45,7 3,77 36,6 3,3

composite 37 20 48,5 5,5 42,3 5,2

aluminium

29,39 7,18 23,22 6,62 -25

50 Localisation de l'entreprise USA 2056,6 204,6831505 90 16,38 182 7,96460177

45 USA 2736 267,6470588 455 21,84 48 7,98245614 Italie 1740 148,8095238 120 12 100 6,896551724 Chine 0 220 220 17,6 80

55 Espagne 2079 144,1753172 150 11,55 77 5,555555556

Masse totale en kg Puissance/m Puissance par modules en W Puissance par tracker en kW Nombre de modules Puissance/masse

A priori, le choix des modules ntait pas vident. Il donc fallu retenir des critres afin de dfinir le module convenant le plus aux besoins du groupe auxquels nous avons affect des pondrations. Parmi ces critres, on retrouve : La masse, pondration 2 La puissance, pondration 4 La position gographique du fournisseur, pondration 1

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Ralisation dun tracker solaire Le nombre de modules ncessaires pour un tracker, pondration 3 La tolrance dangle, pondration 3 Etant donn que la surface est dfinie par le cahier des charges, nous avons souhait utiliser des modules fournissant un maximum de puissance. La tolrance dangle est galement importante puisque lon doit rester dans le cne des +/- 0.5 dfini par le cahier des charges. Nous avons considr le nombre de modules pour viter un cblage trop complexe. La position gographique du fournisseur est intressante car nous avons trouv des modules plus ou moins loigns du lieu dinstallation. Le rapport puissance/masse aurait pu tre intressant si nous accordions autant dimportance la puissance dlivre par les modules qu la masse de ceux-ci. Critres\Modle Opel solar USA Emcore USA Rondine Italie HCM 220 Chine Zytech Espagne puissance moyen trs bien moyen bien bien masse trs bien moyen trs bien sans donnes sans donnes position gographique du fournisseur Nb modules ncessaires Tolrance d'angle Total Moyenne moyen moyen sans donnes 24 2,4 moyen trs bien Bien trs bien bien trs bien moyen bien sans donnes 23 2,875 trs bien bien sans donnes 25 3,125

43 41 3,307692308 3,153846154Figure 5 : Matrice de choix

Les notes ont t tablies par des commentaires allant de trs bien mauvais. Lavantage de cette technique est quil est plus facile de faire une diffrence entre ces 2 annotations plutt que 2 chiffres. Les rsultats indiquent que les modules de la socit Emcore et ceux de la socit Rondine correspondent le mieux nos attentes. Daprs le business plan, nous avons vu quil tait prfrable de fournir un maximum de puissance en ayant une masse importante plutt quune plus faible puissance avec une moindre masse car le cot en nergie pour mouvoir le tracker est plus faible. Cest donc pour cette raison que nous avons choisie le module de la socit Emcore aux Etats-Unis.

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Ralisation dun tracker solaire Ainsi les caractristiques courant-tension de ce module sont :

Il offre une acceptance dangle de +/- 0.7 en conservant 90% de ses performances. Cette performance correspond parfaitement notre cahier des charges

Ainsi, on peut dores et dj dire quil faudra 48 modules par tracker et que la masse totale des modules sera de 2736kg. Maintenant que les modules ont t choisis, il faut procder au choix des onduleurs pour transformer la tension continue en tension alternative. 2.2.2 La technologie Les modules seront de technologie multi-jonction Ge/Ga/As (Germanium, Gallium et Arsenic). Il y a 3 types de cellules empils o chacune des couches est destine convertir le spectre du Soleil. Sachant quil met un spectre allant de 0.2m 2.5m, c'est--dire de lultraviolet linfrarouge avec un pic dans le visible de 0.3m 0.8m, les 3 types de cellules auront pour but de capter tout ce rayonnement. Projet Mcatronique intgre Page 22

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Figure 6 : Avantages des cellules multicouches

Sur ce graphique, on peut observer en gris le spectre solaire filtr par latmosphre. La partie bleu correspond la 1re couche de cellules du panneau photovoltaque Indium/Gallium/Potassium, en vert la 2me couche de Indium/Gallium/Arsenic/ . Enfin, la 3me couche en rose permet de capter les missions infrarouges avec le Germanium. Longeur d'onde pour mettre en nm 200 - 667 667 - 1033 1033 - 1908

Technologie InGaP InGaAs Ge

Daprs ce tableau, on voit que suivant la couche utilise, il y a une plage de longueur donde partir de laquelle elle va mettre de lnergie. Les cellules multi-jonctions confrent ainsi une meilleure performance mais elles sont plus coteuses fabriquer. Cest dans ce cadre que des optiques concentration sont utiliss afin de capter la lumire du soleil et la rduire sur une surface de semi-conducteur plus petite.

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Figure 7 : Technologie CPV

2.2.3

Effet de la temprature La ferme solaire est place dans un milieu o la temprature de fonctionnement ne

peut tre nglige.

Figure 8 : Effet de la temprature sur la caractristique dun module

Ainsi daprs les donnes fournies par le constructeur, on sait quil y a une diminution de 0.0675V/C partir de 25C. Sachant que la temprature Ouarzazat peut atteindre 50C en plein soleil, on aura une perte de ( )

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Ralisation dun tracker solaire En cblant 16 modules en srie, la perte devient :

Ces pertes reprsenteront autant de puissance qui ne pourra tre renvoye sur le rseau. Il faudra en tenir compte sur la tension dentre du convertisseur DC/AC.

2.3 Le choix des onduleursPour choisir les onduleurs, il est ncessaire de connatre la puissance qui va tre dlivre par les trackers puis le cblage des modules pour avoir une tension et un courant dentre suffisant londuleur. Nous avons opt pour placer un onduleur par tracker. En effet, ce choix est un compromis entre un bon rendement, le prix mais aussi lassurance dun fonctionnement dgrad du tracker lors dune dfaillance.

Modle Pays du fournisseur Longueur en m Largeur en m Hauteur en m Volume en m3 Masse en kg Efficacit en % Dure de vie (garantie) Puissance entre DC en kW Puissance sortie AC en kW Tension d'entre en V Tension de sortie en V Courant d'entre en A Courant de sortie en A Plage de frquence en Hz autoconsommation en W Temprature Prix

Solivia 20TL Delta France/Espagne 0,952 0,6247 0,278 0,17 63 98,1 sans donnes 22 20 350-800 3X400 60 25 47-53 ou 57-63 -20 60 5 285,00 http://www.solarinverter.com/eu/fr/852.htm

CS20TL Mastervolt France 0,97 0,65 0,26 0,16 65 98 sans donnes 22 21 200-980 3X400 2X30 3X32,2 50 60 20 -20 60 4 500,00 http://www.mastervoltso lar.fr/solaire/produits/sun master-cs/cs20tl/

Sites

Tableau 5 : Recherche donduleurs

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Ralisation dun tracker solaire Les critres retenus pour effectuer ce choix sont : Lefficacit, pondration 4 Le cot, pondration 3 Le volume, pondration 2

Lefficacit est un critre trs important car nous voulons perdre le moins dnergie possible. Le cot est galement dterminant car le budget de ce projet est limit. Comme nous ne souhaitons pas avoir trop de surface au sol, nous avons considr le volume de londuleur. Critres\Modle Efficacit Volume Cot Total Solivia 20TL Delta 4 3 3 31 CS20TL Mastervolt 4 3 4 34

Tableau 6 : Matrice de choix

Daprs la matrice de choix, il en ressort que londuleur de Mastervolt CS20TL est le mieux adapt notre situation. Cet onduleur comporte 2 tages : Recherche du MPPT Conversion DC/AC

La recherche du MPPT (Maximum Power Point Tracking) permet dtre constamment au point de fonctionnement optimal donc au pic de puissance.

Figure 9 : Fonctionnement du MPPT

Il sagit en fait de calculer chaque instant la puissance et le comparer ltat prcdent. Si le delta est positif alors on continue augmenter la tension, sil est ngatif, on diminuera la tension et cela constamment. Cette mise en place dure environ 0.5s. Une fois que le point de fonctionnement est trouv, il sagit ensuite de convertir lnergie continue en nergie alternative. Projet Mcatronique intgre Page 26

Ralisation dun tracker solaire Daprs la documentation donne par le fournisseur, on a une plage de tension dentre de 200-980V et une plage MPPT de 350-800V. Daprs le tableau suivant, nous avons dcid dadopter le cblage suivant : groupe de panneaux en parallle 1 2 3 4 6 8 12 16 24 48 nb panneaux en srie 48 24 16 12 8 6 4 3 2 1 Tension du panneau en V 1858,2 929,1 619,4 464,55 309,7 232,275 154,85 116,1375 77,425 38,7125 Intensit du panneau en A 7,679952 15,359904 23,039856 30,719808 46,079712 61,439616 92,159424 122,879232 184,318848 368,637696 Puissance en kW 14,27088681 14,27088681 14,27088681 14,27088681 14,27088681 14,27088681 14,27088681 14,27088681 14,27088681 14,27088681

Maroc

Pour des raisons dassemblage et de cblage, nous ne souhaitions pas avoir trop de groupes en parallle. En mme temps, il faut rester dans la plage de tracking de londuleur donc nous avons dcid de placer 4 groupes de 12 panneaux en srie.

2.4 La protection lectrique de la fermeCertains accidents pourraient endommager fortement les parties lectriques de la ferme. Les mtorologues utilisent le terme de niveau kraunique Nk pour dfinir si une rgion est orageuse ou non. Ce niveau dfinit le nombre de jour dorages par an. On a donc tudi les zones krauniques du Maroc.

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Figure 10 : Zones krauniques du monde

On saperoit que le niveau kraunique au Maroc est faible avec Nk compris entre 8 et 12. Cest ce niveau qui va dfinir les lments de scurit mettre sur la ferme solaire.

Figure 11 : Type de protection suivant le niveau kraunique

Comme la ferme est alimente en basse tension, il est peu utile de protger le ct continu et le ct alternatif. Cependant, vu le cot de londuleur et des modules, nous avons pris loption de les protger contre les surtensions et les surintensits. De plus, ces protections rassureront le client et permettront une intervention sans danger des pompiers en cas dincendie.

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Ralisation dun tracker solaire 2.4.1 Dimensionnement des sectionneurs porte-fusibles

Les sectionneurs portes fusibles ont plusieurs utilits. Dune part, ils protgent contre les surintensits, dautre part, ils permettent aux secouristes davoir une intervention rapide en cas dincendie puisquils peuvent tre dsengags aisment. On doit donc dimensionner les fusibles du ct continu et du ct alternatif la fois pour protger les modules et londuleur. Daprs la norme UTE C15-712, les fusibles doivent supporter :

avec ICC = 59.5A la sortie de lensemble des modules. Du ct alternatif, on sait que londuleur sort un courant de 32.2A par phase donc daprs la norme, on a :

Il faut galement dimensionner les protections pour se protger des surtensions. 2.4.2 Dimensionnement des parafoudres

Ces parafoudres sont ncessaires pour se protger des surtensions et donc des coups indirects de la foudre. Le dimensionnement dpend de plusieurs variables dont le niveau kraunique. Calculons dabord Fv. ( ) ( )

Comme Fv 32 t Camion et bateau Camion Moyen de transport

Verin

125km

Camion

Onduleur

888km

Utilitaire

Les procds de galvanisation sont faits par lentreprise Galva45 situe Escrennes. Cette entreprise se situe 62km.

12.2 TransportPour effectuer le transport des diffrentes pices depuis Orlans jusquau site de Ouarzazate, il est possible dutiliser des transports de type diffrent. Globalement trois scnarios peuvent tre labors :

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Ralisation dun tracker solaire 1. OrlansTrainSables dOlonnesBateauAgadirCamionOuarzazate 2. OrlansCamionCadizBateauAgadirCamionOuarzazate 3. OrlansTrain--> CadizBateauAgadirCamionOuarzazate Le graphique suivant tudie limpact de ces trois scnarios sur lenvironnement.

Il ressort que le scnario le plus intressant est le 1. Ce scnario est donc utilis. Une fois la fabrication effectue, les diffrentes pices sont transportes vers le site dOuarzazate au moyen de train faisant la jonction Orlans/Sables d Olonnes (400km) puis un porte conteneur amne les pices jusquau port dAgadir (3000km). Les conteneurs sont amens ensuite dAgadir Ouarzazate (357km).

12.3 MontageLe montage sera effectu par de la main duvre forme localement. La ferme est alors active est apte fonctionner. Cela ncessite donc lenvoi dune personne comptente depuis Orlans jusqu Ouarzazate. Le formateur suivra le scnario 3 car il ne peut pas prendre le bateau porte conteneur.

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12.4 Fin de vieUne fois la fin de vie de la ferme atteinte, le dmantlement est effectu par une entreprise extrieure qui sassurera du recyclage des pices. Il est acceptable de considrer que cette fin de vie pour la ferme est assimil du traitement de dchets encombrants.

12.5 RapportPour lanalyse du cycle de vie, tous les lments de la ferme sont dcomposs. Cela va du btiment poste de contrle aux roulements utiliss. Les cellules et modules ont t modliss de faon complte en utilisant la fiche danalyse de cycle de vie dun module photovoltaque. On trouvera en annexe linventaire de tous les lments modliss. Le logiciel Bilan produit donne une analyse complte de notre modlisation. Les graphiques suivant traduisent les impacts des diffrents lments de la ferme.

Ce graphique montre que la phase de production est la plus prpondrante sur le produit ferme. Par contre la fin de vie joue beaucoup sur lcotoxicit aquatique. Le point amliorer dans notre produit est lcotoxicit aquatique.

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Ce graphique montre que lacier est le matriau qui a le plus dimpact. Cela provient du fait que lacier est le matriau le plus prsent dans notre ferme. On trouve ici la source du problme dcotoxicit aquatique.

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Ralisation dun tracker solaire Les transports ayant le plus dimpact sont le transport naval des conteneurs pour amener du port des Sables dOlonnes Agadir puis les camions qui amneront ces conteneur jusquau site de Ouarzazate.

Ce graphique montre que le responsable de lcotoxicit aquatique est bien lacier prsent dans le produit. Le cahier des charges fourni en complment par Mr Allaoui donne les valeurs ne pas dpasser pour un tracker. On divisera ainsi les valeurs trouves par le nombre de trackers. Indicateurs Consommation nergie NR (MJ eq) Consommation ressources (kg Sb eq) Effet de serre GWP 100 mod (kg CO2 eq) Acidification (kg SO2 eq) Eutrophisation (air eau sol) (kg PO4--- eq) Pollution photochimique8,65E+07 5,77E+05 3,93E+07

Total Ferme

Total Tracker

Rfrence

3,75E+04

2,50E+02

2,29E+03

4,86E+06 2,62E+04 2,59E+03 1,99E+03

3,24E+04 1,74E+02 1,72E+01 1,32E+01

3,4E+05 2,12E+03 1,45E+02 8,58E+01

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Ralisation dun tracker solaire (kg C2H4) Ecotoxicit aquatique (kg 1,4-DB eq) Toxicit humaine (kg 1,4DB eq)3,08E+06 2,05E+04 4,70E+04

6,53E+06

4,35E+04

2,94E+05

Daprs le tableau ci-dessus, le tracker propos par la socit Orlanaise a moins dimpacts sur lenvironnement et sur les ressources utilises que le tracker de rfrence.

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Conclusion

A travers ce rapport, nous avons prsent les diffrentes tapes de conception en partant de lanalyse du besoin pour dboucher sur la conception dtaille. Avec des choix innovants et justifis, nous sommes srs de proposer la meilleure solution notre client. Nous avons rpondu aux besoins du client en respectant scrupuleusement le cahier des charges. Le business plan indique que le projet est conomiquement viable sur 20 ans. Le rendement propos devrait inciter les clients investir dans notre projet.

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Annexe A : Analyse de lexistant12.1 Analyse de lexistant12.1.1 Technologie de Tracker Les trackers existants dans le commerce sont de technologies diffrentes : Un axe ou deux axes. Les dispositifs mono axes ne sont pas pertinents dans notre application car ils ne permettent pas la prcision de 0,5 demande pour les CPV. Voici les principaux types proposs sur le march correspondant notre application :

Figure 96 : Mat situ au niveau du centre de gravit du panneau

Le panneau utilis dans ce dispositif possde au moins deux moteurs plus rducteurs. Exemple de fabriquant : Desimone, 4 50m de panneaux photovoltaque, jusqu 6300 W installs. Le principal avantage de cette solution est sa facilit de mise en place et le fait que cette solution est courante. Cela constitue dailleurs son principal dfaut car cette solution est soumise une forte concurrence.

Figure 97 : Mat au centre de gravit avec vrin mcanique

Le tracker ci-dessus est semblable au prcdent la diffrence prs que le mouvement Elvation est effectu par un vrin mcanique. Exemple de fabriquant : Lorentz. Ce dispositif prsente lavantage de possder un frein intgr du fait de la non rversibilit du vrin mcanique. Nanmoins le rendement du rducteur roue et vis sans fin est plus faible que celui dun train picyclodal. Projet Mcatronique intgre Page 156

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Figure 98 : Mouvement azimut effectu au sol

Le dispositif suivant ressemble au prcdent mais le mat est rabaiss, le dispositif assurant le mouvement azimut est au niveau du sol, loin du centre de gravit. Exemple de fabriquant : Titantracker, 216m de panneaux photovoltaques. Le fait que le mouvement azimut soit effectu de part et dautres du panneau et non en son centre de gravit permet une prcision plus grande. 12.1.2 Actionneurs Les actionneurs associs aux technologies de trackers suiveurs sont essentiellement de llectrique associs de la transmission mcanique. A savoir des moteurs associs des rducteurs. Les mouvements effectus par les trackers se font essentiellement selon les angles Elvation et Azimut. 12.1.2.1 Mouvement Azimut Le mouvement selon lazimut est faible du fait de la plage horaire dans laquelle le soleil se meut, au maximum de 180 en une journe. Aussi les rducteurs associs ncessitent un grand rapport de rduction. Cela peut se faire par exemple avec un train picyclodal. Il est aussi possible dutiliser un moteur pas-pas afin de se ddouaner de la contrainte de rduction. 12.1.2.2 Mouvement Elvation Le mouvement dlvation est moins ample que pour celui de lazimut, au maximum de 90, et est donc dcrit de faon plus rapide en une journe. Dautres solutions techniques, autres que moteur+trains picyclodaux, existent. Ainsi certains constructeurs optent pour des vrins mcaniques. Ils sont constitus dun moteur associ un systme de roue et vis sans fin afin de convertir le mouvement cyclique en mouvement de translation.

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Annexe B : Analyse du besoin

L'nergie photovoltaque s'inscrit parmi les nergies renouvelables actuellement utilises. Avec l'inflation des produits ptroliers, l'nergie solaire constitue une vritable alternative pour les pays dpendants du ptrole. De plus, les rgions ensoleilles reprsentent une grande part de march car ce sont ces rgions qui sont les plus mmes de produire de l'lectricit grce aux modules solaires. Par ailleurs, certains pays ne sont pas uniformment lectrifis et la seule alternative pour eux est d'utiliser des centrales solaires. Moins coteuses que des oliennes, les fermes solaires sont de plus en plus dveloppes. C'est dans ce contexte que l'entreprise souhaite vendre une ferme solaire dans le Maghreb. Daprs le cahier des charges fourni, nous devrons orienter les modules perpendiculairement aux rayons du soleil avec une prcision de 1 (+/-0.5). Les trackers devront fonctionner avec des vents de 100km/h et il devra se placer dans une position de scurit avec des vents de 200km/h. Le systme sera supervisable tout en ayant un cot raisonnable.

12.2 Analyse du march12.2.1 Les avantages et inconvnients du photovoltaque

Les forces du photovoltaque sont : De reposer sur des technologies microlectronique et couches minces, en conservant une bonne marge de progrs et dinnovations. De pouvoir sintgrer un peu partout, pour fournir sur place de petites puissances. Dtre un gnrateur simple et trs fiable. Lentretien concerne essentiellement la batterie. Ainsi une trs grande partie des boues et balises maritimes est passe au photovoltaque. Contrairement toutes les solutions utilises auparavant (diesel, piles, oliennes) aucune nergie de secours nest prvue, la fiabilit du fonctionnement dpassant 99,9% de pouvoir sintgrer facilement, sans gnes particulires (bruit, esthtique si certains progrs sont raliss.) Il se substitue notamment des toits ou faade, comme lment de btiment en verre produisant de lnergie davoir un potentiel illimit. 5% de la surface des dserts suffiraient pour alimenter la plante entire. Projet Mcatronique intgre Page 158

Ralisation dun tracker solaire Plus que le prix du kWh, cest le cot de la substitution une autre solution qui est important. Le photovoltaque se substitue la cration dun rseau lectrique et est moins cher en zone rurale que ce rseau. Il se substitue au toit classique, qui vient en diminution du cot. Les faiblesses du photovoltaque sont : Le dveloppement du photovoltaque est rapide, mais reprsente encore peu de chose dans le bilan nergtique mondial. Le stockage est le maillon faible. La solution est dallonger la dure de vie des batteries pour la rendre proche de celle des modules. Le temps de retour nergtique de la batterie est un autre point faible. Le module rembourse en 2 4 ans lnergie dpense pour sa fabrication. En revanche, le temps de retour des batteries est de 2 4 ans, soit quivalent sinon suprieure la dure de vie de certaines batteries. La R&D se focalise sur le module, et a ainsi longtemps ignor le stockage. Energie durablement la plus chre par kWh, produisant et stockant du courant continu, le photovoltaque est tributaire du dveloppement dquipements en courant continu trs faible consommation. Ce dveloppement sera lent et aujourdhui est peine amorc. Le photovoltaque est sans concurrence pour fournir une faible nergie. Il faut donc rpondre aux besoins de manire individuelle, en multipliant les gnrateurs. Ceci est plus facile en terrain vierge, o une nouvelle approche est possible. Les problmes non techniques, ladaptation aux usagers, les limites de fourniture dnergie qui sont lies notamment la mto, la modification des approches classiques bouleversent tellement les habitudes que seules des crises, ptrolires par exemple, acclrent les adaptations ncessaires.

12.2.2 Les marchs potentiels

Les perspectives long terme pourraient tre vues comme sans limite: March captif du tiers-monde, qui atteindra environ 4 milliards dhabitants dici 30 ans. March de toits photovoltaques, qui pourraient devenir le toit standard terme, quipant chaque nouvelle maison pour contribuer respecter le protocole de Kyoto.

Dans le domaine de lnergie, les dbats sont concentrs surtout sur les gnrateurs de fortes puissances, o lon retrouve les centrales hydrauliques, fuel, turbine gaz, et mme les fermes doliennes. Toutes supposent lexistence dun rseau, souvent fort coteux au Projet Mcatronique intgre Page 159

Ralisation dun tracker solaire demeurant. Le photovoltaque couvre, sans concurrent sinon les piles combustibles, le domaine de puissance situ entre les petits gnrateurs diesels de quelques kW et les piles chimiques de quelques watts. 12.2.3 Les concurrents dans le milieu de la cellule concentration 12.2.3.1 La cellule concentration Dans un module solaire photovoltaque, le composant le plus cher est, de loin, la cellule photovoltaque. En intercalant un dispositif concentrateur entre le soleil et la cellule, on peut utiliser une surface de cellule beaucoup plus petite, et ainsi utiliser des cellules rendement trs suprieur, avec des valeurs oscillant typiquement entre 30 et 40 %. La concentration est obtenue par un systme de miroirs paraboliques ou de lentilles de Fresnel, comme sur les phares d'automobiles. Le rapport de concentration peut atteindre voire dpasser 1000. Il faut que la lumire concentre tombe bien sur la cellule, et non ct : un tel panneau ne fonctionne correctement qu'avec un dispositif de "tracking", pour rester en permanence perpendiculaire aux rayons du soleil. Favorable au rendement (il augmente la production d'environ la moiti sur une journe), ce type de dispositif a l'inconvnient d'accrotre la complexit et la maintenance. Il faut ensuite vacuer la chaleur excessive, prjudiciable au rendement des cellules et surtout leur dure de vie: sans dispositif de refroidissement, ces dernires fondraient.

12.2.3.2 Les entreprises Franaises sur le march

-

Le constructeur Franais Soitec a cr sa filiale de panneaux photovoltaques concentration (CPV) : Concentrix Solar. Il a commenc installer des fermes de panneaux photovoltaques quipes de systmes de tracking bass sur des cellules concentration. Soitec a inaugur, en septembre 2010, sa premire centrale en Afrique du sud. Concentrix Solar s'emploie galement au dveloppement d'un autre projet de ferme solaire de 50 MW dans la province du Cap-Ouest. Le fonctionnement de ces trackers est bas sur un systme 2 axes perpendiculaires monts sur un mat. Lavantage du systme est quil ne demande que trs peu de maintenance grce sa grande rsistance aux fortes tempratures.

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Ralisation dun tracker solaire Le constructeur Franais Hliotrop a dvelopp quant lui, des cellules HCPV : cellules haute concentration. Il espre notamment installer ses panneaux au Maroc dici 2020, et y produire 2GW. Le HPCV a t dvelopp afin daugmenter encore le rendement des cellules PV. Le fonctionnement de ces trackers est bas sur un systme 2 axes perpendiculaires monts sur un mat. Heliotrop a pour ambition de capter 20% du march mondial du CPV dici 2015, c'est-dire plusieurs centaines de MW. Pour lheure, il a dj reu plusieurs MW de commande de dmonstrateur.

12.3 Etude des revenus potentielsCette partie nous permettra de donner une estimation des revenus que va gagner le client. Il sagit de gains estims car nous navons pas fait de choix de solutions pour le moment. En considrant la carte densoleillement suivante, nous avons :

Figure 99 : Carte densoleillement de lEurope et du Nord de lAfrique

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Ralisation dun tracker solaire En considrant un ensoleillement moyen journalier de 6.4kWh/m au Maroc et 5.2kWh/m en Espagne, le client peut esprer les gains annuels suivants :

Maroc Ensoleillement journalier moyen (kWh/m) Ensoleillement (kWh/m/an) Surface d'un tracker (m) nombre de trackers Prix rachat (/kWh) E dlivre par tracker (MWh) E dlivre par ferme (MWh) Gain espr / an () 6,4 2336 80 150 0,15 0,083 28,032 4204,8 348 998,40

Espagne 5,2 1898 80 150 0,15 0,142231 22,776 3416,4 485 917,99

On note que lEspagne parat plus propice aux bnfices. Cependant, le gouvernement a tendance dlaisser lnergie photovoltaque du fait dun gros endettement du pays. En effet, depuis novembre 2010, le gouvernement a baiss de 45% le prix de rachat du kWh photovoltaque. En ce qui concerne le Maroc, lensoleillement est plus fort quen Espagne mais le prix de rachat du kWh est trop faible pour esprer une viabilit du projet. Il faudrait avoir des garanties du gouvernement marocain pour simplanter dans le pays.

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Ralisation dun tracker solaire

Annexe C : Analyse fonctionnelle12.3.1 Tracker 12.3.1.1 Bte cornes A qui le produit rend-il service ? Sur quoi agit-il ?

Modules PV et fermes

Les modules

TRACKER

Dans quel but ? Assurer lorientation des modules perpendiculairement au soleil avec une prcision de 1

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Ralisation dun tracker solaire 12.3.2 Cycle de vie du tracker Nous avons dfini le cycle de vie du tracker afin de voir toutes les fonctions que le produit devra remplir dans toutes ses phases de vie. Fabrication Montage Transport Montage Mise en fonctionnement Utilisation normale Dmontage-remplacement Recyclage

12.3.3 Caractrisation des interacteurs Il sagit de caractriser les interacteurs afin dtre daccord sur les diffrents termes utiliss.

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Ralisation dun tracker solaire Intracteur Tracker Description Systme permettant dorienter les panneaux Caractristiques +/- 0,5 par rapport la normale du soleil -masse : 28t Container Moyen de transport permettant dacheminer un tracker -volume : 65m3 -Dimensions Intrieures en mtres (12,03*2,33*2,35) -vent Environnement extrieur -pluie Environnement dans lequel les trackers seront en contact -sable -sel -Animaux Installateur Normes de scurit personne qualifie dans linstallation des trackers normes environnementales et lectriques en vigueur dans le pays o seront installs les trackers. Dispositif (avec cellule concentration) permettant de capter lnergie solaire et la transformer en nergie lectrique. Systme automatique contrlant chaque tracker source dnergie extrieure au tracker qui sera utilise pour actionner les actionneurs. Organes permettant dorienter les modules par rapport la normale de lazimut et la normale de lhorizon. Endroit o lon ralise les sous-ensembles des trackers. Latelier se situe en Personne forme A dterminer aprs recherche -Volume : 80m2 -Puissance : 10kWp -Microcontrleur -Capteurs - On nutilise pas directement lnergie produite par le tracker Force, couple, vitesse, ractivit Atelier standard + sous-traitance en 5 axes pour les

Modules

Gestionnaire Source dnergie dalimentation Actionneurs Atelier

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Ralisation dun tracker solaire France. Personnel de latelier Rayons solaires Techniciens de latelier o seront produit les trackers Trajectoires de photons mis par le soleil Ensemble de pices qui peuvent tre assembles en atelier et/ou qui ncessitent un outillage spcifique (Poste souder, marbres, etc.) pices de transmission de mouvement Personne forme en usinage et assemblage Un vecteur Plusieurs pices du tracker. Ne constituent pas ncessairement une classe quivalente cinmatique unique et complte. Nombre de jours darrt, taux dincapacit, type de blessure Poids supportable, systme daccroche, lvation possible Position horizontale du tracker avec systme de blocage Voir norme parafoudre onduleur Voir norme parafoudre onduleur Personne forme Charge utile/ dimensions pour les pices

Sous-ensembles

Accident grave

Accident qui ncessite un arrt de travail pour un membre du personnel. Systmes permettant de dplacer des pices ou sous-ensembles en toute scurit. Le systme doit tre mobile au sein de la ferme. Position du tracker lorsque le vent dpasse les 100km/h Surtension de dcharge lectrique clair Surintensit de dcharge lectrique clair Personne habilite et comptente pour intervenir sur les trackers ou la ferme. Vhicule permettant de dplacer des pices de tracker au sein de la ferme

Moyen de manutention

Position de scurit Surtension Surintensit Techniciens/Oprateurs Moyen de transport

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Ralisation dun tracker solaire 12.3.4 Diagramme des inter-acteurs 12.3.4.1 Fabrication

Modules Photovoltaques FC3 FP TRACKER Matires premires

Atelier FC1 FC2 Normes

Personnel

Dsignation de la fonction

Nom de la fonction Raliser les

Acteur(s)

Critre

Niveau

Flexibilit (0-3)

Contrle

Matires premires/ Atelier Normes

FP

sous-ensembles* latelier

Temps de fabrication (h)

En attente de pr-simulation 1

Bureau dtude Entreprise spcialise

FC1

Respecter les normes

Normes -Nbre daccident

oui

0

Assurer FC2 lintgrit du personnel Personnel/Atelier

graves/150 trackers. -Charges portes (kg)

= 1

1

>2

2

Supervision

Traiter et afficher les informations

Oui/non

1

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Ralisation dun tracker solaire

Rendement Forcer les ac% tionneurs en dactionneur cas de ncessis forables t Conserver le fonctionnement Nb trackers de la ferme en fonctionavec des tracknement ers dfaillants Signaler les dfaillances au poste de contrle Respecter les normes lectriques Respecter les normes environnementales % des dfaillances signales % respect normes

100

1

>120

1 Supervision

FS3

Maintenir le systme en fonctionnement

Superviseur

100

0

FC1

Respecter les normes de scurit

100

0

Normes de scurit

Entreprise spcialise

% respect normes V vent

100