DUVAL Alexis & HASHEMI Keyvan

2012

Università di Roma - Sapienza Laboratorio di sistemi

[SUIVEUR SOLAIRE]

Sommaire

I. Présentation p 2-3

II. Principe du suiveur solaire p 4

III. Conception de la maquette p 5-7

IV. Matériel et expérience p 8-9

V. Réalisation p 9-13

VI. Résultats en images p 14-16

VII. Conclusion p 16

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I. Présentation

Contexte

L’énergie solaire, parce qu’elle est inépuisable , constitue une ressource à exploiter,

non seulement pour éviter un épuisement trop rapide des énergies fossiles mais

aussi pour satisfaire les besoins mondiaux toujours plus croissants en électricité. Il

est en effet possible, à partir du soleil, de produire de l’énergie électrique au moyen

de panneaux photovoltaïques .

En France, un foyer consomme

annuellement pas moins de 2500kWh et

l’installation de 25m2 de panneau

solaire sur le toit de sa maison suffit

pour générer autant d’électricité que le

foyer consomme. Sur 20 ans,

l’installation de 25m2 sur son toit

permet un gain annuel pouvant

atteindre les 2500€, soit environ 10 ans

pour amortir l’achat et l’installation du

panneau solaire .

En outre, pour accroitre le rendement de son système photovoltaïque, il est possible

d’utiliser une autre gamme de panneau solaire capable de suivre le soleil, ce qui

permet de récupérer constamment le maximum d’énergie lumineuse. Suivre le

soleil permet une amélioration de rendement de l’ordre de 40% par rapport à un

système fixe.

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Panneau solaire suiveur

Le panneau solaire mobile doit, après avoir détecté la position du soleil, se

pointer vers celui-ci de telle sorte à ce que les rayons lumineux arrivent en

incidence normale (rayons perpendiculaires au panneau ) sur le module

solaire. Le système permettant de faire pivoter le panneau est en outre

alimenté directement par le système photovoltaïque.

L’un des objectifs du panneau est de suivre la trajectoire du Soleil. Ce dernier

peut être repéré grâce à un système de coordonnées qui lui est spécifique et

qui utilise deux angles :

L’Azimut, d’une part, est l’angle

mesuré par rapport au sud dans un plan

horizontal.

L’Elevation, d’autre part, est l’angle

mesuré par rapport à l’horizontale

dans un plan vertical.

La plupart des panneaux mobiles contiennent 2 capteurs : l’un sert à moduler

l’azimut, et l’autre l’élévation.

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II. Principe du suiveur solaire

Objectifs

Nous devons donc concevoir une installation capable de suivre le soleil comme le

ferait un panneau solaire mobile. Pour ce faire, notre idée est la suivante : Nous

allons mettre au point un montage constitué de 4 photodiodes ; deux de celles-ci

serviront à régler l’azimut et les deux autres à régler l’élévation et ce, en jouant sur

la différence des intensités lumineuses reçues par chaque photodiodes .

Système du suiveur solaire

Notre idée est d’utiliser une

plaquette sur laquelle nous mettrons 2

paires de photodiodes. Considérons par

exemple la paire de photodiodes sensée

commander l’azimut, la commande de

l’élévation fonctionnant sur le même

principe. Figure 1

Les deux photodiodes sont disposées de part et d’autre de la plaque et sont sensées

renvoyer en sortie deux valeurs de tensions fonction de l’intensité lumineuse

qu’elles reçoivent. Ensuite, ces deux tensions seront comparées à l’aide d’un

amplificateur opérationnel. Deux cas se présenteront alors : si le potentiel d’une

photodiode est supérieur au potentiel de l’autre photodiode, un petit moteur

tournera dans un sens et sinon, il tournera dans l’autre sens. Une fois l’égalité des

potentiels atteinte, le moteur s’arrêtera de tourner et la plaque sera alors au bon

« azimut ».

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III. Conception de la maquette

Les étapes de conception du circuit

Nous devons donc réaliser un suiveur solaire sur 2 axes capable d’optimiser

l’énergie lumineuse reçue en se positionnant de telle sorte que les rayons solaires

arrivent en incidence normale. La conception de notre système se décompose en

plusieurs étapes :

Etape 1

On place 2 paires de photodiodes comme indiqué figure 1 (page précédente). Dans

tout ce qui suit, nous indiquerons que la démarche concernant les photodiodes

destinées à l’azimut, la démarche pour les photodiodes commandant l’élévation

étant la même. Un amplificateur opérationnel bouclé avec une résistance sur sa

patte – (et la patte + allant à la masse) en série avec la photodiode, permettra

d’amplifier le signal dans une plage de tension plus observable (montage ci-

dessous).

Nous prendrons une résistance de

4.7MΩ, ce qui signifie que le signal

d’entrée sera multiplié par 470000 en

sortie.

Etape 2

A partir de deux photorésistances, on mesure et observe la tension en sortie du

montage qui est différente selon la luminosité. Comme nous allons faire notre

expérience dans le laboratoire, il faut que les photodiodes ne reçoivent que la

lumière du néon dont la fréquence vaut 50Hz. Nous introduirons donc un filtre

passe-bas du 1er ordre en sortie du montage précédent. La fréquence de coupure

devra de l’ordre de 50Hz donc f0=1/(2πRC)=50Hz. Compte tenu du lot de

résistances et condensateurs à disposition, nous prendrons des condensateurs de

47µF et des résistances de 68Ω. 5

Etape 3

Désormais, les tensions renvoyées par les photodiodes doivent être

soustraites l’une à l’autre pour comparer cette différence à la valeur 0 afin de

savoir quelle photodiode reçoit la plus grande intensité lumineuse.

Pour ce faire, nous

allons placer un montage

soustracteur qui nous

fournira la différence

entre l’entrée E1 (Tension

renvoyée par une

photodiode) et l’entrée E2

(Tension renvoyée par

l’autre photodiode).

Nous utiliserons des résistances de 12kΩ partout.

Une fois la différence E2-E1 obtenue, nous plaçons un comparateur avec la

patte – directement connectée à la masse afin de connaitre le signe de cette

différence et donc de savoir quelle photodiode a la plus grande intensité

lumineuse.

Etape 4

Maintenant que nous connaissons quelle photodiode reçoit le plus de

lumière, il nous reste à insérer un système permettant d’avoir la même

intensité reçue par les deux photodiodes couplées. Pour cela, nous allons

introduire 2 moteurs : l’un pour les photodiodes destinées à l’azimut et un

autre pour celles destinées à l’élévation. Ces moteurs, placés à la sortie des

comparateurs, traduiront le signe de la différence de E2 par E1 : si ce signe est

positif, le moteur tournera dans un sens et vice versa. Dans le cas où les

potentiels E1 et E2 sont égaux, le moteur ne tournera pas.

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Etape 5

Pour que les moteurs puissent faire tourner la plaque modélisant le panneau

solaire, il faut trouver un système entrainant le tout.

Dans l’idéal, notre

idée serait de

mettre sous le

panneau une sorte

de boule percée en

bas et à droite

reliée à deux tiges

(modifiant

l’azimut

et l’élévation) entrainées chacune par un moteur. Bien que l’idée semble

simple, la fabrication et la réalisation d’un tel mécanisme pourrait s’avérer

être assez complexe compte tenu du matériel à disposition (et de nos

compétences en bricolage). Nous réfléchissons donc à un autre dispositif en

cas d’impossibilité de réaliser le précédent.

Schéma du circuit complet

Tel est le schéma du circuit complet pour

la partie commandant l’azimut (la

partie commandant l’élévation est

exactement la même).

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IV. Matériel et expérience

Principal matériel utilisé

Pour mener à bien notre expérience nous avons besoin de pièces spécifiques.

Tout d’abord, nous avons besoin de 4 photodiodes.

Ces composants sont des semi-

conducteurs capable de transformer

l’énergie optique en énergie

électrique. La photodiode émet un

courant continu proportionnel à

l'intensité lumineuse qu'elle reçoit.

Ce courant est ensuite converti en

tension via un amplificateur de

mesure.

Nous avons ensuite besoin de 8 amplificateurs opérationnels.

Nous avons opté pour des TL084

(Texas Instruments©) car c’est un

composant que nous avions déjà

utilisé lors de nos études et que nous

connaissons ses caractéristiques

par conséquent.

A l’heure actuelle, nous ne savons pas quels moteurs vont nous être fournis

par le laboratoire. Cependant, dans l’idéal, il nous faudrait utiliser des

moteurs 15V. En effet, nos amplificateurs opérationnels sont saturés à 15V. Il

nous faut par ailleurs trouver des tiges métalliques sur lesquelles seront fixés

les moteurs afin de faire tourner l’ensemble.

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Expérience

Après avoir branché le tout et alimenté la plaque, nous devrions utiliser une

source lumineuse que nous pointerons vers une partie spécifique de la

plaquette. Celle-ci devra alors se placer dans l’axe vers lequel pointe la

lumière, à la manière d’un panneau solaire mobile.

V. Réalisation

Mise en route et familiarisation avec le matériel

Avant de commencer toute

expérience, il nous a fallu un certain temps

pour nous habituer et composer avec le

matériel à notre disposition. Les

alimentations symétriques (-15V +15V)

étant introuvables, nous avons dû pour

alimenter nos amplificateurs opérationnels

utiliser 2 générateurs comme celui de la

photo ci-contre en prenant soin de vérifier

la tension envoyée à l’aide d’un

oscilloscope et en inversant les fils « + » et

« - » de telle sorte à obtenir une tension de – 15V, nécessaire au

fonctionnement des AO.

Cette étape étant faite, nous avons ensuite testé le bon fonctionnement de nos

photodiodes. Celles-ci comportant 3 pattes, il nous a fallu trouver quelles

étaient les pattes à brancher, et dans quel sens. Pour ce faire, nous avons à

l’aide d’une sonde reliant l’oscilloscope de la photodiode regardé comment

variait la tension en fonction de l’intensité lumineuse que la photodiode

recevait. Lorsque la tension augmentait et que nous rapprochions la

photodiode de la lumière, cela signifiait qu’elle était dans le bon sens.

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Amplification

Maintenant que nous savons que nos photodiodes fonctionnent, il nous faut

amplifier la tension en sortie pour que celle-ci soit mieux observable. En effet,

lorsque nous l’approchons au plus près de la lampe, la tension observée ne

dépasse à peine les 400mV et nous voudrions dans l’idéal observer quelques

V.

Pour ce faire, nous avons apposé en sortie

des photodiodes le montage amplificateur

ci-contre. La valeur de la tension en sortie

vaut alors quelques Volts et peut aller

jusqu’à 13.8V, valeur de la saturation de

l’amplificateur opérationnel utilisé. Nous

avons en outre observé que la tension en

sortie du montage était négative. C’était

prévisible car le montage amplificateur a pour fonction de transfert = - R

avec R la valeur de la résistance utilisée (pour nous 4.7MΩ).

Nous avons ensuite essayé le montage amplificateur avec une autre

photodiode en plaçant celle-ci sur le coté opposé de la plaquette et il s’est

avéré que le montage ne fonctionnait pas. Nous avons donc placé la

photodiode juste à coté de la précédente et le montage s’est mis à marcher.

Nous avons donc tester la plaquette entière pour nous assurer qu’elle

fonctionnait bien partout et c’était le cas. En refaisant le montage, celui-ci à

finalement marché et nous avons conclu que nous avions mal enfoncé les fils

dans la plaquette, ces derniers étant assez difficiles à faire rentrer dans les

trous.

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Soustracteur/Comparateur

Par soucis de place sur notre plaquette (72cm2), nous avons dans un premier

temps décidé de ne pas mettre les montages passe-bas destinés à ne laisser

passer que la lumière émise par la lampe .Ceci étant, les signaux de sortie

étaient peu bruyants, donc les résultats s’avèrent corrects.

Nous passons donc directement aux montages soustracteur et comparateur.

Ces derniers n’ont

globalement pas

posé de problèmes

majeurs si ce n’est

qu’il était assez

difficile de faire les

branchements pour

des questions

d’espace et de proximité entre les ports de l’AO.

En sortie du montage, la tension est soit positive, soit négative selon la

photodiode qui reçoit le plus d’intensité lumineuse.

Difficultés

A ce stade, nous avons donc réussi à faire fonctionner le montage comparant

la tension renvoyée par chacune des photodiodes, et donnant en sortie celle

qui reçoit le plus de lumière. En voulant faire ce montage pour le 2e couple de

photodiodes, nous nous sommes rendus compte qu’une photodiode ne

marchait plus : une de ses pattes s’était cassée à force de

branchements/débranchements et torsions à répétition. Nous avons alors

chercher dans tous les tiroirs du laboratoire et nous avons finalement trouvé

quelques photodiodes qui marchaient très bien. Nous les avons donc utilisé

pour la 2e partie du montage qui, lui aussi fonctionnait bien.

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Alors que les montages fonctionnaient bien, nous avons décidé d’intercaler

les filtres passe-bas afin que les photodiodes ne reçoivent que la lumière issue

des néons de fréquence de 50 Hz. Cependant, nous nous sommes vite rendu

compte qu’il n’y avait pas assez de place pour insérer, en plus du montage

précédent, 4 filtres passe-bas. Après avoir enlevé les filtres et remis tout le

montage comme précédemment, nous nous sommes rendu compte qu’il ne

marchait plus. Après avoir longuement cherché d’où venait l’erreur, nous

avons décidé de refaire entièrement le montage.

Cette fois-ci, pour gagner en lisibilité,

nous avons choisi – compte tenu du

nombre de couleurs de fil – d’adapter

un code couleur en prenant par exemple

tous les fils destinés au montage

amplificateur en jaune, tous ceux destinés

au comparateur en vert etc…

De plus, comme nous avions déjà fait

plusieurs fois les montages et que nous savions la place qu’il nous fallait,

nous avons essayé de placer les éléments plus intelligemment de sorte que le

montage paraisse plus compact et plus clair, à la fois pour nous et pour que

quelqu’un d’autre qui découvre notre montage puisse s’y retrouver.

Le montage fonctionne à nouveau et nous pouvons désormais nous intéresser

au dispositif suivant.

Montage à LEDs

Nous avions initialement prévu d’installer un mécanisme à deux moteurs

relier à deux tiges permettant de faire pivoter la plaquette et à placer celle-ci

en face de la source lumineuse. Mais compte tenu du manque de matériel à

notre disposition, nous avons dans un premier temps opté pour un système

lumineux qui informerait l’utilisateur de quelle photodiode est la plus

éclairée.

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Ainsi, nous décidons d’effectuer une petite installation à l’aide de LEDs

lumineuses, l’une s’allumant lorsque la tension en sortie est positive et l’autre

lorsque la tension est négative.

Les LEDs fonctionnant avec un courant de 20mA, une tension de 2V et étant

alimentées par 15V, un calcul élémentaire nous permet de conclure qu’il nous

faudrait une résistance de 650Ω pour que celles-ci émettent une lumière bien

visible. N’ayant pas à disposition de cette valeur de résistance, nous en avons

prises de 1kΩ. Ce montage fonctionne bien : lorsque la lumière est éteinte,

toutes les LEDs sont allumées car elles reçoivent la même intensité lumineuse

et lorsque l’on éclaire une photodiode en particulier, c’est la LED qui y est

associée qui s’allume.

Moteurs

Nous n’avons à notre disposition, qu’un seul moteur qui fonctionne et qui

pourrait être inséré à notre montage. Après l’avoir testé indépendamment sur

une alimentation continue, nous l’avons inséré en sortie du montage et avons

constaté qu’il tournait dans un sens ou dans un autre selon si une photodiode

recevait plus de lumière que l’autre ; cela est dû au fait qu’après le

comparateur, la tension en sortie peut être positive ou négative (ou nulle

mais dans ce cas, le moteur ne tourne pas). Si la tension est positive, le

moteur tourne dans un sens, et sinon, il tourne dans l’autre sens.

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VI. Résultats en images

Tout d’abord, voici la maquette dans sa version finale :

Les 4 photodiodes sont numérotées et associées à la LED qui porte le même numéro. Ici, la plaque n’est pas encore

alimentée.

Nous alimentons ensuite le circuit tout en laissant une lumière éteinte, c'est-à-

dire que les 4 photodiodes devraient recevoir la même intensité lumineuse :

Les 4 LEDs sont

toutes allumées, ce

qui va de pair avec

ce que nous venons

de dire.

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Désormais, nous allumons la lampe en la pointant vers deux photodiodes en

particulier :

Ici, ce sont les

photodiodes 2 et 3

qui sont les plus

éclairées comme on

peut le voir. Par

conséquent, ce sont

les LEDs 2 et 3 qui

s’allument, les

autres restant

éteintes.

Pointons désormais la lampe dans d’autres directions :

Les photodiodes 1 et 3

étant les plus éclairées, ce

sont les LEDs 1 et 3 qui

s’allument uniquement.

Les photodiodes 1 et 4 sont les

plus éclairées…

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Et enfin, les

photodiodes 2 et 4

sont les plus

éclairées…

VII. Conclusion

Ce projet a été particulièrement intéressant en cela qu’il nous a permis de

travailler avec des outils différents de ceux dont nous disposons à l’ENSEA

(Voltmètres, alimentations, fils, oscilloscope…) et aussi de bien nous rendre

compte qu’il fallait, en plus d’être patient et minutieux, procéder étape par

étape, bloc par bloc et qu’il fallait régulièrement faire des mesures pour

vérifier que le montage fonctionne à chaque étape.

Nous tenons à remercier Giacomo Napoli pour son aide précieuse ainsi que

Salvatore Monaco pour nous avoir permis de mener à bien ce projet.

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