CHAPITRE 1 : Généralités sur le système photovoltaïque
1.5. Analyse du rayonnement solaire
1.5.6. Objectif de la conception
Le soleil est en permanent mouvement apparent autour de la terre (en réalité c’est la terre qui tourne autour du soleil). Ainsi, la terre prend plusieurs positions et diverses distances par rapport au soleil.
De même, le phénomène de saison et de moment de la journée fait que le soleil se lève (ou se couche) tôt, faisant ainsi varier la durée de l’ensoleillement par jour selon la période de l’année. Par ailleurs, l’axe de rotation de la terre étant incliné d’un angle de 23°37’ par rapport à l’axe normal au plan de l’orbite de la terre, la durée de l’ensoleillement varie selon la situation géographique par rapport à l’équateur (pôle Nord ou pôle Sud). En outre, à chaque position (latitude et longitude) sur la terre, correspond un degré d’ensoleillement.
En effet, les rayons solaires atteignant un capteur à la surface de la terre sont d’autant plus importants que ces rayons tapent la surface du capteur de manière perpendiculaire. Et du fait que le soleil se lève à l’Est et se couche à l’Ouest, les rayons solaires sont plus ou moins perpendiculaires à un capteur aux environs de midi. A cet effet, pour
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 16 maximiser l’énergie solaire captée, il faut suivre le mouvement du soleil de l’Est à l’Ouest (donc faire varier la position du capteur en azimut). Vu que la terre est inclinée, l’orientation d’un capteur face au soleil variera en fonction de la saison de l’année, ceci ne permet pas d’avoir un maximum d’énergie solaire dans la journée. Il faut pour cela, pour maximiser l’énergie solaire captée, orienter constamment le capteur en direction du soleil (donc faire varier la position du capteur en hauteur).
Cependant, l’effet de l’inclinaison de la terre sur le degré d’ensoleillement est moins important pour les zones situées aux environs de l’équateur (cas du Bénin). Ainsi, nous allons considérer uniquement pour notre étude, la variation en azimut du capteur solaire, soit un mouvement des panneaux solaires de l’Est à l’Ouest. Pour mieux capter les rayons solaires, il faut orienter les panneaux vers l’hémisphère opposé d’un angle plus ou moins égal à la latitude où l’on se trouve. Pour cela, notre suiveur solaire doit être incliné d’un angle de 6°21’ Sud (pour Cotonou), et suivra le soleil de l’Est à l’Ouest. Mais en pratique, on adopte une inclinaison de 15° Sud puisqu’il faut ajouter un angle d’environ 10° à la latitude du site où on installe les panneaux afin de ne pas avoir une inclinaison très défavorable à des périodes de l’année.
Conclusion partielle
Il a été question dans ce chapitre, d’étudier tous les éléments qui entrent en jeux dans l’installation d’un système photovoltaïque. Ainsi, l’intensité du rayonnement solaire est un facteur dont dépend la puissance fournie par le générateur solaire. Il est aussi à noter que les différents composants doivent être bien dimensionnés pour une meilleure rentabilité.
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 17
CHAPITRE 2
ETUDE DU SUIVEUR SOLAIRE
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 18 Introduction partielle
Lorsqu’un panneau est exposé perpendiculairement aux rayons solaires, l’ensoleillement reçu par ces panneaux est plus important.
Pour ce faire, nous allons étudier dans ce chapitre, le suiveur solaire afin d’optimiser l’énergie produite par le système PV.
2.1. Principe général de la poursuite du soleil
Il consiste à adapter (presque asservir) le mouvement d’un orienteur à celui du soleil pendant qu’il est apparent, c’est-à-dire durant la période allant de son « lever » (Est) à son « coucher » (Ouest). On a des suiveurs à deux axes et des suiveurs à un axe. Ici, nous utilisons un suiveur à un axe puisque nous voulons faire une variation en azimut seulement. En effet, étant donné que le Bénin est situé aux environs de l’équateur, l’effet de la variation en hauteur n’est pas remarquable. Il ne serait donc pas rentable d’utiliser un suiveur à deux axes.
2.2. Solution adoptée
Nous avons fait le choix d’un suiveur solaire qui va suivre le soleil tout au long de la journée. Ainsi, ce dispositif sera commandé par un microcontrôleur programmé et le mouvement mécanique sera assuré par un vérin linéaire électrique. Il sera alimenté par une partie de l’énergie produite. En effet, les modules du système PV que nous allons installer ont un poids considérable. Sur ce, il est nécessaire d’utiliser un vérin pouvant supporter un poids élevé et pouvant permettre d’avoir une longueur de tige assez grande. Le vérin
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 19 électrique linéaire LA36, de par ses caractéristiques mentionnées à l’annexe 13, répond mieux à nos critères, d’où son choix.
Un vérin électrique se compose d’un moteur, d’un réducteur et d’une vis sans fin incluant un écrou. Une solution de système complet de vérins se compose d’un ou plusieurs actionneurs linéaires, d’un boitier de contrôle et d’une commande pour opérer le mouvement des vérins.
Le vérin électrique fonctionne sur l’impulsion d’un moteur. Il facilite la levée des charges lourdes grâce à un système vis-écrou. Ici, l’écrou est assuré par le moteur. Le vérin électrique se caractérise ainsi par sa course, le diamètre de la tige et la pression qu’il peut exercer. La course correspond à la longueur du déplacement à assurer.
Pour concevoir le suiveur solaire, nous pouvons utiliser de la statistique, c’est-à-dire en tenant compte de la position du soleil et déterminer l’angle d’inclinaison, ou encore faire de l’asservissement, c’est-à-dire en utilisant un capteur de rayon solaire. Nous avons choisi, pour notre cas, d’utiliser de la statistique parce que cette méthode consomme moins d’énergie que celle de l’asservissement. Pour la méthode de la statistique, l’alimentation se fait à des intervalles de temps définis alors que pour la méthode de l’asservissement l’alimentation se fait en permanence.
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 20 2.3. Le dispositif de commande
2.3.1. Description du fonctionnement du dispositif
Le système que nous concevons va fonctionner uniquement dans la journée, c’est-à-dire de sept heures trente minutes (07 heures 30 minutes) à dix-neuf heures 30 minutes (19 heures 30 minutes). Cet intervalle de temps a été choisi du fait qu’il fait souvent jour à partir de 06 heures et que l’on remarque souvent l’absence des rayons solaires à partir de 18 heures. Ainsi, nous avons divisé cet intervalle de temps en douze (12) intervalles d’une heure chacune à partir de six heures jusqu’à dix-huit heures et nous considérons que de 7h30mn à 19h30mn, la terre effectue une rotation de 180 degrés (soit un mouvement apparent de 180 degrés du soleil autour de la terre). A cet effet, nous divisons les 180 degrés en douze (12) intervalles de quinze degrés (15°) chacun. Donc à chaque heure, le soleil effectue un angle de 15° allant de l’Est vers l’Ouest. Pour suivre ce mouvement du soleil, nous allons faire tourner nos panneaux solaires de 15° à chaque heure de l’Est vers l’Ouest de sorte que nos panneaux soient perpendiculaires aux rayons solaires. Mais vu que l’intensité du soleil est un peu faible entre 06 heures et 07 heures et entre 17 heures et 18 heures, nous allons faire fonctionner notre système de 07 heures 30 minutes à 17 heures 30 minutes de l’Est à l’Ouest puis restera à cette position entre 17 heures 30 minutes et 19 heures30 minutes. Par suite, on le fera revenir à sa position initiale à 19 heures30 minutes. Il gardera cette position jusqu’à 07 heures 30 minutes.
La rotation de notre système se fera de sorte qu’il soit orienté : - de 06h30 à 07h30, à 75° par rapport à l’horizontal vers l’Est, - de 07h30 à 08h30, à 60° par rapport à l’horizontal vers l’Est, - de 08h30 à 09h30, à 45° par rapport à l’horizontal vers l’Est,
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 21 - de 09h30 à 10h30, à 30° par rapport à l’horizontal vers l’Est,
- de 10h30 à 11h30, à 15° par rapport à l’horizontal vers l’Est, - de 11h30 12h30, de manière horizontale au sol,
- de 12h30 à 13h30, à 15° par rapport à l’horizontal vers l’Ouest, - de 13h30 à 14h30, à 30° par rapport à l’horizontal vers l’Ouest, - de 14h30 à 15h30, à 45° par rapport à l’horizontal vers l’Ouest, - de 15h30 à 16h30, à 60° par rapport à l’horizontal vers l’Ouest, - de 16h30 à 19h30, à 75° par rapport à l’horizontal vers l’Ouest, - de 19h30 à 07h30, à 75° par rapport à l’horizontal vers l’Est.
Le suiveur solaire a ses limites de rotation ; en tenant compte de cela, nous limitons cette rotation à 150 degrés. De même entre 90° et 75° à l’Est ou à l’Ouest, vu que c’est très tôt le matin et la nuit que le panneau devrait rester dans cette position, la quantité d’énergie solaire captée est négligeable. Pour cela, l’angle balayé est de 150°.
2.3.2. Le fonctionnement de la commande du système
Etant donné que nous avons choisi le microcontrôleur pour commander automatiquement le système du suiveur solaire, il sera programmé de façon à ce que lorsqu’il sonne 07h30min, le microcontrôleur commande la marche du vérin. Celui-ci se met en fonctionnement durant un temps t=500ms, faisant ainsi tourner le panneau (ce qui était initialement orienté à 75° vers l’Est) de 15 degrés vers l’Ouest, puis le microcontrôleur commande son arrêt.
Ensuite, à 08h30min, le même processus se produit jusqu’à 17h30min où le panneau est orienté à 75° vers l’Ouest. A cette heure, le microcontrôleur reste inactif jusqu’à 19h30min, puis à cette heure il commande le retour du panneau qui va effectuer 150 degré en 5s pour
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 22 revenir à sa position de départ. Ainsi, de 19h30min jusqu’à 07h29min le microcontrôleur reste inactif. Puis, lorsqu’il sonne 07h30min, le microcontrôleur commande la marche du vérin. Ainsi, le processus reprend tous les jours.
2.3.3. Description du vérin électrique LA36
Le vérin permet de mécaniser des ouvertures de trappes, de portes, des tablettes élévatrices, de la mise à niveau, des commandes d’aiguillage, des matériels médicaux, etc…
La vitesse linéaire de la tige du vérin dépend donc de la vitesse de rotation du moteur et du pas du système de transformation de mouvement.
Un vérin électrique est constitué d’un moteur électrique à courant continu (ou à courant alternatif, ou un moteur pas à pas), ou d’un motoréducteur accouplé à un système de transformation de mouvement rotatif en linéaire de type vis à billes ou vis à filet trapézoïdal.
La grande diversité du choix de moteur (en fonction des fabricants), confère à ce type d’actionneur un domaine d’application assez vaste allant du simple déplacement linéaire à partir d’un signal électrique jusqu’au positionnement précis sur certaines machines à commande numérique.
Le vérin électrique LA36 (tout comme les autres vérins électriques) est constitué de deux parties de branchement à savoir : le câble d’alimentation et le câble retour d’information.
Le câble d’alimentation est composé de deux fils et sert à alimenter le moteur.
Le câble retour d’information est constitué de six fils. On note :
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 23 - alimentation 12V à 24V : alimente le circuit de la tige (optionnel) - fin de course tige rentrée : met fin au mouvement de la tige
rentrante, en présence d’un capteur
- fin de course tige sortie : met aussi fin au mouvement de la tige sortante, en présence d’un capteur
- sortie de tige : signale la fin de sortie de la tige - rentrée de tige : signale la fin de rentrée de la tige - masse
Figure 2.1 : Câblage du vérin électrique linéaire
Nous avons en annexe 13, les caractéristiques et les spécifications techniques du vérin électrique linéaire LA36.
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 24 Figure 2.2 : Le vérin électrique linéaire LA36
2.3.4. Principe de fonctionnement du vérin électrique linéaire LA36
Le vérin électrique LA36 est constitué de deux parties : le moteur à courant continu et la tige. Lorsque le moteur est alimenté, il entraîne l’écrou de la tige qui se met en mouvement de rotation. L’écrou étant fixe, il communique un mouvement de translation à la tige (la vis) qui peut faire sa sortie ou son entrée selon le sens de rotation du moteur.
Le sens de rotation du moteur dépend du câblage. Ce moteur à courant continu. En ce qui concerne la tige, nous distinguons six câbles. Deux sont pour la fin de course sortie et la fin de course rentrée de tige. Ils sont raccordés aux capteurs de fin de course, ceux-ci envoient l’information à travers les câbles pour la coupure de l’alimentation du moteur lorsqu’on est en fin de course. Dans notre cas nous allons utiliser un vérin ne disposant pas de capteur de fin de course, ceci nous permettra de commander la marche et l’arrêt du moteur à partir du microcontrôleur. Deux autres câbles signalent la fin de course à travers un dispositif qui peut être un voyant, mais ceci est optionnel. Enfin nous avons le câble de la masse et le câble
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 25 d’alimentation de la partie tige pour le renvoi des signaux, ce dernier est également optionnel. A cet effet, nous allons utiliser pour notre système les câbles d’alimentation du moteur à courant continu, et commander ce moteur par le microcontrôleur.
2.3.5. Le programme du microcontrôleur
Pour le dispositif de rotation des supports nous avons opté pour celui dont les caractéristiques sont les suivantes. Lorsqu’on fait sortir la tige du vérin d’une longueur l, il décrit un arc de cercle de rayon R, de circonférence Dp :
- R = 100 mm : rayon du demi disque
- l = 26 mm : longueur de sortie de tige du vérin à chaque démarrage
- Dp = 314 mm : demi périmètre du demi disque (longueur totale de sortie de tige du vérin)
- θ = 15° : angle décrit à chaque sortie de tige du vérin - V = 52 mm/s : vitesse de course du vérin
- t = 500 ms : temps choisi pour chaque sortie de tige du vérin
Les microcontrôleurs d’ATMEL sont réalisés en technologie CMOS (nécessitant une alimentation unique de 5V) et se présentent sous la forme d’un circuit intégré à n broches en boîtier DPID ou en boîtier TQFP/MLF possédant :
une mémoire morte généralement de 1 à quelques dizaines de kBytes.
un processeur cadencé à des fréquences de quelques MHz ou dizaines de MHz
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 26
une mémoire vive généralement très limitée: de quelques centaines de Bytes
des circuits d'entrée-sortie numériques parfois analogique.
La figure ci-dessus montre le brochage d’un AVR ATEMGA168 d’ATMEL.
Figure 2.3 : Brochage d'un ATMEGA168
2.4. Le code du programme
Notre programme constituera juste à envoyer du signal (tension 5V) pour permettre la marche et l’arrêt du moteur du vérin électrique linéaire.
Algorithme
Début programme
Sorties : PD0, PD2 ; // Broches qui envoient la tension Tant que 1=1 ; Pour répéter infiniment
Répéter 9 fois :
{ PD0 <-- 1 ; // 1 représente la présence de tension
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 27
Attendre 11h59mn 55 s ; // Repos des panneaux Durant la nuit Fin tant que
Fin programme
Code du programme
#include <avr/io.h>
#define F_CPU 20000000UL // Définition de l’horloge
// La fréquence du microcontrôleur est 20MHz
#include <avr/delay.h>
int main () {
DDRD = (1<<PD0)|(1<<PD2); // Déclaration des pattes PD0 et PD2 // broche D en sortie
while (1) {
PORTD = (1<<PD0)|(0<<PD2); // Mise au niveau haut de la sortie PD0 // et au niveau bas de la sortie PD0
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Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 29
Vu le programme, il doit démarrer à 7h30mn.
Ainsi, nous avons utilisé le port D (les broches PD0 et PD2) en sortie pour envoyer la tension d’excitation des contacteurs qui vont permettre la marche et l’arrêt du moteur dans un sens ou dans l’autre.
Par ailleurs, la broche PD0 est utilisée pour faire tourner le moteur dans le sens positif (soit de l’Est vers l’Ouest) et la broche PD2 est utilisée pour le faire tourner dans l’autre sens. Et donc après une heure, le signal est envoyé pendant 0,5 seconde (500 ms) à travers la broche PD0, et est coupé pendant 3599500 ms (59mn59,5s), puis reprend jusqu’à faire 10 fois ce même mouvement afin de balayer les 150°, puis le signal est coupé pendant cette même durée. Et par suite
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 30 on envoi le signal sur la proche PD2 pour faire tourner le moteur dans le sens contraire. Ceci dure à présent 5 secondes (5.000 ms), puis reste au repos durant 43195000 ms (11h 59mn 55s). Et avec la boucle
‘’while‘’, le processus reprend chaque jour. Pour ce faire, nous avons alimenté le microcontrôleur en 5V à travers la broche Vcc.
Pour alimenter le circuit du microcontrôleur, nous disposons d’un convertisseur 24V/5V dont la source est le système photovoltaïque.
De même pour l’excitation des contacteurs, un convertisseur élévateur 5V/24V est disposé entre le microcontrôleur et les contacteurs.
Figure 2.4 : Convertisseur abaisseur 24V/5V U0 = 24V ; Us = 5V
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 31 Figure 2.5 : Convertisseur élévateur 5V/24V
U0 = 5V ; Us = 24V
2.5. Le dispositif mécanique
Le schéma du dispositif est présenté en annexe N°10
Le dispositif mécanique est constitué de quatre parties à savoir :
le mât vertical ;
le vérin électrique linéaire ;
le système rotatif ;
le support du module photovoltaïque.
Le mât vertical, mis au sol, supporte les trois autres éléments. Le vérin électrique linéaire est rattaché au mât. Le système rotatif est rattaché au support du module photovoltaïque. Le vérin et le système rotatif sont accrochés de sorte que le mouvement linéaire de la tige du vérin entraine le système rotatif dans un mouvement de rotation
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 32 faisant ainsi tourner le support du module. Le tout est rigide de sorte à résister aux efforts du vent, au mouvement de rotation parasite (non désiré) et aussi à prendre une position fixe.
Par ailleurs, pour limiter l’effet du vent sur les dispositifs, nous choisissons un mât d’une hauteur de deux mètres.
Les panneaux choisis ont une masse de 12,5kg. Nous avons choisi des supports pouvant supporter 10 panneaux et ce bloc de 10 panneaux sera entrainé par un vérin. Nous pouvons définir la masse des 10 panneaux et le masse totale qu’un vérin doit entrainer comme suit :
La masse des dix panneaux est : M10 = 12,5 x 10 = 125 kg
La masse des supports est : Ms = 75kg
La masse totale est : Mt = 200kg
Ainsi la force que le vérin doit déployer est : F = Mt x g (masse x force de pesanteur) F = 200 x 10 = 2000 N
Le vérin choisi peut effectuer un effort de traction pouvant aller à 10 000 N. Sa vitesse peut aller jusqu’à 68 mm/s selon la charge.
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 33 L’alimentation du vérin (24V) vient du générateur photovoltaïque.
Le nombre total de module étant 7642, et comme nous regroupons les modules par blocs de 10, nous avons 765 suiveurs à installer.
2.6. Le raccordement du vérin électrique
L’alimentation du vérin électrique vient du générateur photovoltaïque. Deux contacteurs sont utilisés pour faire tourner le moteur du vérin dans un sens ou dans l’autre. Ces deux contacteurs sont disposés entre le générateur PV et le vérin. Lorsque l’un des contacteurs est excité, il ferme le circuit d’alimentation du vérin. Cette excitation est commandée par le microcontrôleur qui est bien programmé.
Figure 2.6 : Schéma synoptique du circuit d’alimentation du vérin et de commande du microcontrôleur
Générateur PV
KM1 (Direct)
Microcontrôleur
KM2 (Inverseur
)
Vérin Electrique
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 34 Figure 2.7 : Circuit de commande démarrage deux sens
Figure 2.8 : Circuit de puissance démarrage deux sens
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 35 Conclusion partielle
Nous avons procédé dans ce chapitre à l’étude du suiveur solaire.
Ainsi nous avons fait le choix du suiveur à un axe compte tenu de la situation géographique du Bénin. La solution adoptée est le vérin électrique linéaire LA36 comme dispositif actionneur et nous nous sommes basés sur la statistique pour définir le fonctionnement de notre suiveur. Ainsi, nous pouvons gagner environ 30% d’énergie de plus que si on utilisait un système PV fixe.
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 36
CHAPITRE 3
DIMENSIONNEMENT DU GENERATEUR SOLAIRE
PHOTOVOLTAÏQUE
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 37 Introduction partielle
Dans ce chapitre, nous faisons le dimensionnement du générateur solaire photovoltaïque pour alimenter l’aérogare. Pour cela, nous faisons le bilan énergétique de l’aérogare afin de connaitre le champ photovoltaïque à installer ainsi que la capacité de stockage à utiliser.
3.1. Présentation de l’aérogare de Cotonou
Historique
L’aéroport de Cotonou, situé à 5 Km du centre de la ville de Cotonou, a été créé en 1933 par la France pour un usage militaire.
Il fait partir d’un groupe d’aérodrome construit sur toute l’étendue
Il fait partir d’un groupe d’aérodrome construit sur toute l’étendue