Projet mécatronique intégrée 5A :
Réalisation d’un tracker
Salem AKKARI
Flavien LUCAS
Etienne GRENIER
Nicolas LUCAS
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Réalisation d’un tracker solaire
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Remerciements
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Table des matières
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3.8 Influence des défauts...............................
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Figure 35 : Graphe de modèle du tracker sous CATIA .....
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Figure 72 : Modélisation du moteur avec la commande ...
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Figure 2 : Schéma de l’Azimuth
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Introduction
Le projet de mécatronique et conception...
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1 Le business plan
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1.4 Le retour sur investissement
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Modèle Opel solar USA Emcore USA Rondine Italie HCM ...
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Ainsi les caractéristiques courant-tension de ce mod...
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En câblant 16 modules en série, la perte devient :
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Les critères retenus pour effectuer ce choix sont :
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Figure 12 : Mise en évidence du courant inverse
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2.5 Câblage électrique
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Figure 18 : Graphe des liaisons de l’architecture
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3.9 Etude dynamique
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  1. 1. Projet mécatronique intégrée 5A : Réalisation d’un tracker Salem AKKARI Flavien LUCAS Etienne GRENIER Nicolas LUCAS Yinchao LI Yihuan SUN Anthony CARRATALA 5A MCS Année scolaire 2011 – 2012
  2. 2. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 2 Projet mécatronique intégrée 5A : Réalisation d’un tracker
  3. 3. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 3 Remerciements Mes vifs remerciements s’adressent dans un premier temps à toute l’équipe pédagogique de l’école Polytechnique de l’université d’Orléans et les intervenants professionnels respon- sables de la formation Mécatronique et Conception des Systèmes, pour avoir assuré le suivi du projet du tracker solaire. Je remercie également Monsieur Gilles Hivet pour l’aide et les conseils concernant les mis- sions évoquées dans ce rapport qu’il a apporté à toute l’équipe lors des différents suivis. Je tiens à remercier tout particulièrement et à témoigner toute ma reconnaissance aux diffé- rents membres de mon équipe de projet pour leur, soutien, solidarité, professionnalisme et engagement à la réussite du projet : Messieurs Lucas Flavien, Carratala Anthony, Sun Yihuan,Li yinchao,Grennier Etienne et Lucas Nicolas.
  4. 4. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 4 Table des matières Table des matières ................................................................................................... 4 Table des illustrations.............................................................................................. 8 Liste des tableaux ................................................................................................. 11 Glossaire ................................................................................................................. 12 Introduction............................................................................................................. 14 1 Le business plan ................................................................................................. 15 1.1 Les coûts ............................................................................................................15 1.1.1 Les coûts fixes........................................................................................................... 15 1.1.2 Les coûts variables.................................................................................................... 15 1.2 Les revenus........................................................................................................16 1.3 Le coût de production .........................................................................................16 1.4 Le retour sur investissement...............................................................................17 2 Comment collecter, convertir et renvoyer l’énergie au réseau........................ 19 2.1 Principe ..............................................................................................................19 2.2 Les modules .......................................................................................................19 2.2.1 Le choix ..................................................................................................................... 19 2.2.2 La technologie ........................................................................................................... 22 2.2.3 Effet de la température .............................................................................................. 24 2.3 Le choix des onduleurs.......................................................................................25 2.4 La protection électrique de la ferme....................................................................27 2.4.1 Dimensionnement des sectionneurs porte-fusibles................................................... 29 2.4.2 Dimensionnement des parafoudres........................................................................... 29 2.4.3 Dimensionnement des diodes de protection ............................................................. 29 2.4.4 Dimensionnement des disjoncteurs........................................................................... 30 2.5 Câblage électrique..............................................................................................31 3 Architecture du tracker ....................................................................................... 32 3.1 Choix de l’architecture ........................................................................................32 3.1.1 Type d’architecture .................................................................................................... 32 3.1.2 Type de support......................................................................................................... 33 3.1.3 Type de panneau....................................................................................................... 34 3.2 Architecture choisie ............................................................................................35 3.3 Calcul du Beta_min.............................................................................................35 3.3.1 Détermination du Beta_min théorique....................................................................... 35 3.3.2 Détermination du Beta-min pratique.......................................................................... 37 3.4 Schéma cinématique ..........................................................................................38 3.5 Repères utilisés ..................................................................................................39 3.6 Dimensionnement de l’architecture.....................................................................40 3.6.1 Conception Assistée par Ordinateur.......................................................................... 40 3.6.1 Mat du tracker............................................................................................................ 41 3.6.2 Support de modules................................................................................................... 41 3.6.3 Résultats.................................................................................................................... 42 3.7 Dimensionnement d’un sous panneau................................................................43
  5. 5. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 5 3.8 Influence des défauts..........................................................................................48 3.9 Etude dynamique................................................................................................52 3.10 Loi entrée-sortie..................................................................................................61 3.11 Etude par éléments finis .....................................................................................62 4 Position de sécurité............................................................................................. 65 4.1 Panneau horizontal.............................................................................................65 4.2 Panneau vertical.................................................................................................65 5 Motorisation ......................................................................................................... 67 5.1 Motorisation de l’élévation ..................................................................................67 5.1.1 Hypothèses................................................................................................................ 69 5.1.2 Paramètres de vérin .................................................................................................. 71 5.1.3 Matrice de choix......................................................................................................... 73 5.1.4 Avantages d’utiliser un vérin pour motorisation de l’axe d’élévation......................... 75 5.2 Motorisation de l’azimut ......................................................................................77 5.2.1 Hypothèses................................................................................................................ 77 5.2.2 Paramètres du moteur de l’azimut............................................................................. 79 5.2.3 Matrice de choix du moteur ....................................................................................... 83 5.2.4 Le moteur, réducteur choisis ..................................................................................... 83 5.2.5 Un réducteur supplémentaire de roue et vis sans fin ................................................ 85 5.3 L’énergie consomme annuel...............................................................................87 5.3.1 L’énergie consommé par motorisation de l’axe d’élévation....................................... 87 5.3.2 L’énergie consommé par motorisation de l’axe d’azimut .......................................... 87 5.3.3 L’énergie consommé annuel totalement (150 trackers) ............................................ 87 6 GEMMA de la stratégie........................................................................................ 88 6.1 Gemma général..................................................................................................88 6.2 Spécifications GEMMA ......................................................................................88 6.2.1 Cycles importants ...................................................................................................... 88 6.2.2 Les conditions............................................................................................................ 88 6.2.3 Les étapes ................................................................................................................. 89 6.3 GEMMA sur le cycle de production normale .......................................................89 6.4 GEMMA sur le cycle d’arrêt d’urgence................................................................91 6.5 FAST et AMDEC sur contraintes liées au vent....................................................91 6.5.1 Diagramme Fast ........................................................................................................ 91 6.5.2 AMDEC sur les 3 solutions :...................................................................................... 92 7 Comment assurer la fonction : Suivre le soleil ?.............................................. 94 7.1 Définition des angles d’azimut et élévation .........................................................94 7.2 Diagramme Fast .................................................................................................94 7.3 Connaître la position du soleil.............................................................................96 7.3.1 Diagramme FAST...................................................................................................... 96 7.3.2 Matrice de choix......................................................................................................... 96 7.3.3 Solution retenue......................................................................................................... 97 7.3.4 Domaine de fonctionnement...................................................................................... 98 7.4 Connaître la position des modules....................................................................101 7.4.1 Diagramme FAST.................................................................................................... 101 7.4.2 Matrice de choix pour l’élévation ............................................................................ 101 7.4.3 Matrice de choix pour l’azimut................................................................................ 102 7.4.4 Solutions retenues................................................................................................... 102 7.5 Connaître le Nord géographique.......................................................................105 7.5.1 Diagramme FAST.................................................................................................... 105 7.5.2 Solution retenue....................................................................................................... 105 7.6 Connaître l’horizon............................................................................................105
  6. 6. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 6 7.6.1 Diagramme FAST.................................................................................................... 105 7.6.2 Solution retenue....................................................................................................... 106 7.7 Stratégie de suivi ..............................................................................................106 7.7.1 Diagramme FAST.................................................................................................... 106 7.7.2 Solution retenue....................................................................................................... 106 7.8 Stratégie sur les angles à commander..............................................................107 7.8.1 Stratégies angulaires............................................................................................... 107 8 Stratégie de commande des angles................................................................. 109 8.1 Commande pas à pas.......................................................................................110 8.2 Passage de la position de sécurité à la position de travail ................................110 8.2.1 Vision globale d’un cycle complet sur la journée..................................................... 112 8.2.2 Zoom sur le passage de la position de sécurité à la position de travail .................. 113 8.3 Visualisation de la stratégie ..............................................................................113 8.3.1 Vision globale .......................................................................................................... 113 8.3.2 Zoom de la stratégie................................................................................................ 114 8.4 Lois « semi » idéales ........................................................................................115 8.4.1 Vitesse ..................................................................................................................... 115 8.4.2 Accélération............................................................................................................. 116 8.4.3 Position .................................................................................................................... 117 8.5 Optimisation : le matin ......................................................................................118 8.6 Optimisation lorsque le soleil est au zénith .......................................................119 8.7 Modélisation sous Matlab/Simulink de notre système .......................................119 8.7.1 Visualisation du schéma bloc de commande .......................................................... 120 8.7.2 Modèle inverse et direct de notre système.............................................................. 120 8.7.3 Modélisation du vérin électromécanique ainsi que sa boucle bas-niveau .............. 121 8.7.4 Bloc variateur + PI ................................................................................................... 123 8.7.5 Modélisation de notre système complet sans correcteur ........................................ 126 8.7.6 Application d’un correcteur ...................................................................................... 127 8.7.7 Passage du modèle au terrain................................................................................. 133 9 Superviser la ferme............................................................................................ 134 9.1.1 Diagramme FAST.................................................................................................... 134 9.1.2 Matrice de choix....................................................................................................... 134 Malgré que la solution de la commande centralisée ressorte, nous allons effectuer une Analyse des modes de défaillances, de leurs effets et de leur criticité................................. 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?..................................................136 9.2.1 L’objectif de la conception de la supervision ........................................................... 136 9.2.2 L’architecture de la supervision sur toute le système.............................................. 137 9.2.3 L’architecture principal du système de la supervision ............................................. 139 9.2.4 Choix du bus de terrain ........................................................................................... 140 9.2.5 L’architecture de la supervision en détail ................................................................ 142 9.3 Modélisation du réseau.....................................................................................143 10 Organisation de la ferme................................................................................. 146 11 Sécurité de la ferme......................................................................................... 147 12 Cycle de vie de la ferme .................................................................................. 149 12.1 Importation des pièces et matières premières...................................................149 12.2 Transport ..........................................................................................................149 12.3 Montage ...........................................................................................................150 12.4 Fin de vie..........................................................................................................151
  7. 7. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 7 12.5 Rapport.............................................................................................................151 Conclusion............................................................................................................ 155 Annexe A : Analyse de l’existant ........................................................................ 156 12.1 Analyse de l’existant .........................................................................................156 12.1.1 Technologie de Tracker....................................................................................... 156 12.1.2 Actionneurs.......................................................................................................... 157 Annexe B : Analyse du besoin ............................................................................ 158 12.2 Analyse du marché...........................................................................................158 12.2.1 Les avantages et inconvénients du photovoltaïque ............................................ 158 12.2.2 Les marchés potentiels........................................................................................ 159 12.2.3 Les concurrents dans le milieu de la cellule à concentration .............................. 160 12.3 Etude des revenus potentiels............................................................................161 Annexe C : Analyse fonctionnelle....................................................................... 163 12.3.1 Tracker................................................................................................................. 163 12.3.2 Cycle de vie du tracker ........................................................................................ 164 12.3.3 Caractérisation des interacteurs.......................................................................... 164 12.3.4 Diagramme des inter-acteurs .............................................................................. 167 12.4 Ferme...............................................................................................................185 12.4.1 Bête à cornes....................................................................................................... 185 12.4.2 Cycle de vie de la ferme ...................................................................................... 186 12.4.3 Caractérisation des intéracteurs.......................................................................... 186 12.5 Tracker de démonstration.................................................................................196 12.5.1 Bête à cornes....................................................................................................... 196 12.5.2 Cycle de vie du tracker de démonstration ........................................................... 196 12.5.3 Caractérisation des inter acteurs......................................................................... 197 12.5.4 Diagramme des inter acteurs .............................................................................. 199 Annexe D : Simulations par éléments finis du support de modules…………..211 12.6 -1 contact avec le mât, au centre : ....................................................................211 12.7 -2 contacts avec le mat, proches du milieu : .....................................................212 12.8 -2 contacts avec le mat, éloignés :....................................................................212 12.9 -3 contacts avec le mat, un au centre et 2 proches du centre : .........................213 12.10 -3 contacts avec le mat, un au centre et 2 éloignés : ........................................213 12.11 -5 contacts avec le mat, sur tous les points de contact : ...................................214 Annexe E : Inventaire matériaux ......................................................................... 215 Annexe F : Document SKF pour choix du roulement........................................ 217 Bibliographie......................................................................................................... 218
  8. 8. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 8 Table des illustrations Figure 1 : Schéma du paramétrage et du cône d’incertitude correspondant à l’exigence de 0,5°de précision entre les normales aux modules et les rayons solaires ..............................12 Figure 2 : Schéma de l’Azimuth............................................................................................13 Figure 3 : Schéma de l’Elévation ..........................................................................................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 température sur la caractéristique d’un module ...................................24 Figure 9 : Fonctionnement du MPPT....................................................................................26 Figure 10 : Zones kérauniques du monde ............................................................................28 Figure 11 : Type de protection suivant le niveau kéraunique ................................................28 Figure 12 : Mise en évidence du courant inverse..................................................................30 Figure 13 : Schéma de câblage pour un tracker ...................................................................31 Figure 14 Comparaison de l'élévation avec l'éclairement .....................................................36 Figure 15 : Schéma de l’optimisation des dimensions du tracker..........................................38 Figure 16 : Schéma cinématique du système.......................................................................39 Figure 17 : Figures de rotation de base................................................................................39 Figure 18 : Graphe des liaisons de l’architecture..................................................................40 Figure 19 : Représentation du Tracker en position de sécurité.............................................40 Figure 20 : Une des poutres composant le mat ....................................................................41 Figure 21 : Un double caisson à modules.............................................................................42 Figure 22 Position de sécurité et min..................................................................................43 Figure 23 Longueur tige, c et e en fonction de min .............................................................44 Figure 24 Eléments 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 :Schéma d’analyse de motorisation ......................................................................67 Figure 28 :Schéma des efforts..............................................................................................68 Figure 29 :Schéma d’effort uniforme de vent ........................................................................69 Figure 30 : Carte des vents du Maroc...................................................................................70 Figure 31 : Dimensions du panneau.....................................................................................71 Figure 32 : Schéma mécanique............................................................................................71 Figure 33 : Schéma des paramètres de calcul......................................................................72 Figure 34 : Vérin choisi et son variateur ...............................................................................74
  9. 9. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 9 Figure 35 : Graphe de modèle du tracker sous CATIA .........................................................75 Figure 36 : Emplacement du vérin dans le tracker................................................................75 Figure 37 : Vitesse de rotation du panneau par rapport à l’élevation ....................................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 + réducteur..........................................................................84 Figure 46 : Vitesse moteur en fonction du temps..................................................................85 Figure 47 : Réducteur de roue et vis.....................................................................................86 Figure 48 : GEMMA général.................................................................................................88 Figure 49 : GEMMA-Cycle de production normale................................................................90 Figure 50 : GEMMA-Cycle d’arrêt d’urgence ........................................................................91 Figure 51 : Diagramme Fast sur la détection ........................................................................92 Figure 52 Azimut / Jour .......................................................................................................98 Figure 53 Elévation/jour.......................................................................................................99 Figure 54 FAST Position des modules ...............................................................................101 Figure 55 Elévation mesurée avec notre inclinomètre .......................................................102 Figure 56 : Inclinomètre POSITAL ACS CANopen .............................................................103 Figure 57 : Codeur incrémental « Leine Linde » .................................................................104 Figure 58 : Diagramme Fast Angles ...................................................................................107 Figure 59 : Plans solaires – Un par mois ............................................................................108 Figure 60 : Représentation schématique de la position de sécurité ....................................111 Figure 61 : Vision globale de notre commande...................................................................112 Figure 62 : Visualisation de la position de sécurité à la position de travail ..........................113 Figure 63 : Visualisation de la commande ..........................................................................114 Figure 64 : Zoom de la stratégie.........................................................................................114 Figure 65 : =f(temps)........................................................................................................116 Figure 66 : =f(temps)........................................................................................................117 Figure 67 : β=f(temps)........................................................................................................117 Figure 68 : Optimisation de la commande le matin .............................................................118 Figure 69 : Optimisation de la commande au zénith ...........................................................119 Figure 70 : Schéma bloc de principe de notre commande..................................................120 Figure 71 : Définition des paramètres.................................................................................121
  10. 10. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 10 Figure 72 : Modélisation du moteur avec la commande bas niveau....................................122 Figure 73 : Le système mécanique.....................................................................................123 Figure 74 : Commande bas niveau.....................................................................................123 Figure 75 : Réponse à 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 : Système complet sans correcteur.....................................................................126 Figure 79 : Visualisation de la sortie en fonction de β=0.4° ................................................127 Figure 80: Visualisation de l'intensité sans correcteur ........................................................127 Figure 81 : Système avec correcteur..................................................................................128 Figure 82 : Visualisation de la sortie avec le correcteur pour une consigne β=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 : Réponse à une consigne β=0.4° avec une perturbation à 5V ...........................131 Figure 87 : Tension du moteur à une consigne β=0.4° avec une perturbation ...................131 Figure 88 : Courant du moteur à une consigne β=0.4° avec une perturbation ...................132 Figure 89 : La hiérarchie du système..................................................................................137 Figure 90 : Architecture des connexions.............................................................................138 Figure 91 : L’architecture principal.....................................................................................139 Figure 92 : L’architecture de la supervision en détaille .......................................................143 Figure 93 : Zones de la ferme et l’armoire de PC industriel ................................................144 Figure 94 : Topologie de la zone 3 .....................................................................................145 Figure 95 : Positionnement des trackers dans la ferme ......................................................146 Figure 96 : Mat situé au niveau du centre de gravité du panneau.......................................156 Figure 97 : Mat au centre de gravité avec vérin mécanique................................................156 Figure 98 : Mouvement « azimut » effectué au sol .............................................................157 Figure 99 : Carte d’ensoleillement de l’Europe et du Nord de l’Afrique ...............................161
  11. 11. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 11 Liste des tableaux Tableau 1 : Les coûts fixes...................................................................................................15 Tableau 2 : coûts variables...................................................................................................16 Tableau 3 : Revenus annuels...............................................................................................16 Tableau 4 : Bilan Coûts/revenus...........................................................................................17 Tableau 5 : Recherche d’onduleurs......................................................................................25 Tableau 6 : Matrice de choix.................................................................................................26 Tableau 7 :Tableau des caractéristiques du patin/mono rail MRS45 ....................................46 Tableau 8 Classe de précision du rail...................................................................................47 Tableau 9 : Performance de vérin et ses critères..................................................................75 Tableau 10 : Performances et critères du vérin [L4] ............................................................84 Tableau 11 : AMDEC sur les solutions de la détection .........................................................93 Tableau 12 : Domaines de fonctionnement des angles ......................................................100
  12. 12. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 12 Glossaire  Cellules photovoltaïques : ce sont des cellules qui captent l’énergie solaire et la trans- forment en énergie électrique.  Modules photovoltaïques : il s’agit de l’ensemble de cellules photovoltaïques  Panneaux photovoltaïques : Il s’agit d’un ensemble de modules placé sur le tracker.  Tracker : Structure indépendante orientant les panneaux perpendiculairement aux rayons du soleil avec une précision de ±0,5°.  Ferme: Ensemble de plusieurs trackers indépendants. Elle assure la supervision des trackers. Figure 1 : Schéma du paramétrage et du cône d’incertitude correspondant à l’exigence de 0,5°de précision entre les normales aux modules et les rayons solaires
  13. 13. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 13 Figure 2 : Schéma de l’Azimuth Figure 3 : Schéma de l’Elévation
  14. 14. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 14 Introduction Le projet de mécatronique et conception intégrée consiste à concevoir une ferme solaire composée de tracker. Le cahier des charges étant fourni et l’objectif était de proposer un projet viable économiquement avec les meilleures solutions retenues. Ce rapport présentera l’analyse du besoin, l’analyse de l’existant, les choix effectués et les critères choisis pour aboutir à la solution. Seront exposées également la conception préliminaire du tracker aussi bien sur la partie mécanique, électrique qu’automatique.
  15. 15. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 15 1 Le business plan Le business plan permet de déterminer si le projet est viable et peut servir pour con- vaincre les investisseurs d’apporter des capitaux dans l’entreprise. C’est pour cela qu’il est tout particulièrement important de définir les coûts et les revenus que va générer la ferme solaire. Le choix a été fait d’investir au Maroc car ce pays offre des garanties sur l’installation de nouvelles entreprises comme une exonération d’impôts sur les sociétés pendant 5 ans. Par ailleurs, le solaire est en plein essor. Le Maroc souhaite installer une puissance de 2000MW en énergie solaire donc de nouveaux projets devraient naître et l’entreprise sera ainsi apte à construire de nouvelles fermes. Bien que le prix de rachat du kWh soit inférieur au Maroc qu’en Espagne, l’entreprise s’appuiera sur une main d’œuvre et un coût des terrains environ 10 fois moins cher [1] 1.1 Les coûts 1.1.1 Les coûts fixes Ce sont les coûts définis au début de l’activité. Ils sont regroupés dans le tableau suivant : Coûts fixes Maind'œuvre 9 000,00 € Terrain 5 912,94 € Modules 5 896 800,00 € Onduleurs 877 500,00 € Moteurs 1 170 000,00 € Structure 150 000,00 € Centre de contrôle 100 000,00 € Automatique 93 600,00 € Total des coûts 8 302 812,94 € Tableau 1 : Les coûts fixes 1.1.2 Les coûts variables Ils concernent les frais de maintenance, les salaires et une marge de sécurité au cas où un problème surviendrait. Sachant que notre projet a une durée de vie de 20 ans, nous considè- rerons les coûts variables à 3% des coûts fixes pendant les 10 premières années et 6% pour les 10 dernières années. Cela représente donc annuellement :
  16. 16. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 16 Coûts variables 0-10 ans 249 084,39 € 10 ans - 20 ans 498 168,78 € Tableau 2 : coûts variables Il est important de considérer des frais variables plus importants dans la seconde moitié du projet car le matériel ne sera plus neuf et sera donc plus susceptible de se détério- rer. 1.2 Les revenus Il s’agit de la production d’énergie renvoyée au réseau. D’après les informations recueillies, le prix de rachat serait de 160€/MWh. On obtient donc un revenu annuel de : Chiffre d'affaires Maroc Ensoleillement journalier moyen (kWh/m²) 6,4 nb heures ensoleillement moyen journalier 9,5 Prix rachat (€/MWh) 160 Ensoleillement (kWh/m²/an) 2336 Puissance solaire locale en W/m² 673,68 Puissance module en W 180,31 Surface en m² 80 Puissance par tracker en kW 14,42 nombre de trackers 150 P totale délivrée en kW 2163,72 Energie en MWh 20,56 Energie en MWh/an 7502,68 Gain espéré / an (€) 1 200 429,18 € Tableau 3 : Revenus annuels 1.3 Le coût de production La détermination du coût de production est très importante car elle fixe le prix de rachat mi- nimal pour espérer un bénéfice brut. Il s’agit de calculer un coût de production moyen sur la durée de vie du projet. Sachant que le prix de rachat est inférieur ou égal à 0.11€, il n’y aucune raison pour conti- nuer à exploiter la ferme. Les prix de rachat actuels sont de l’ordre de 0.16€/kWh, avec un bénéfice avant impôts de 0.05€/kWh.
  17. 17. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 17 1.4 Le retour sur investissement Il s’agit de déterminer la viabilité du projet. Cet indicateur permettera de déterminer le temps à partir duquel l’entreprise gagnera de l’argent et nous permettra de convaincre les investis- seurs pour le financer. Tableau 4 : Bilan Coûts/revenus En considérant un impôt de 20% sur les bénéfices à partir de la 5ème année car le Maroc offre un avantage fiscal en exonérant les nouvelles entreprises d’impôts pendant les 5 pre- mières années, il est possible de tracer le graphique pour déterminer le « payback time ». Année Coûts fixes Coûts variables Chiffre d'affaires Bénéfice brut Bénéfice net ROI 0 8 302 812,94 € - € - € - 8 302 812,94 € - 8 302 812,94 € - 8 302 812,94 € 1 - € 249 084,39 € 1 200 429,18 € 951 344,79 € 951 344,79 € - 7 351 468,15 € 2 - € 249 084,39 € 1 200 429,18 € 951 344,79 € 951 344,79 € - 6 400 123,36 € 3 - € 249 084,39 € 1 200 429,18 € 951 344,79 € 951 344,79 € - 5 448 778,58 € 4 - € 249 084,39 € 1 200 429,18 € 951 344,79 € 951 344,79 € - 4 497 433,79 € 5 - € 249 084,39 € 1 200 429,18 € 951 344,79 € 951 344,79 € - 3 546 089,00 € 6 - € 249 084,39 € 1 200 429,18 € 951 344,79 € 761 075,83 € - 2 785 013,17 € 7 - € 249 084,39 € 1 200 429,18 € 951 344,79 € 761 075,83 € - 2 023 937,34 € 8 - € 249 084,39 € 1 200 429,18 € 951 344,79 € 761 075,83 € - 1 262 861,51 € 9 - € 249 084,39 € 1 200 429,18 € 951 344,79 € 761 075,83 € - 501 785,68 € 10 - € 249 084,39 € 1 200 429,18 € 951 344,79 € 761 075,83 € 259 290,15 € 11 - € 498 168,78 € 1 200 429,18 € 702 260,40 € 561 808,32 € 821 098,47 € 12 - € 498 168,78 € 1 200 429,18 € 702 260,40 € 561 808,32 € 1 382 906,79 € 13 - € 498 168,78 € 1 200 429,18 € 702 260,40 € 561 808,32 € 1 944 715,11 € 14 - € 498 168,78 € 1 200 429,18 € 702 260,40 € 561 808,32 € 2 506 523,43 € 15 - € 498 168,78 € 1 200 429,18 € 702 260,40 € 561 808,32 € 3 068 331,75 € 16 - € 498 168,78 € 1 200 429,18 € 702 260,40 € 561 808,32 € 3 630 140,07 € 17 - € 498 168,78 € 1 200 429,18 € 702 260,40 € 561 808,32 € 4 191 948,39 € 18 - € 498 168,78 € 1 200 429,18 € 702 260,40 € 561 808,32 € 4 753 756,71 € 19 - € 498 168,78 € 1 200 429,18 € 702 260,40 € 561 808,32 € 5 315 565,03 € 20 - € 498 168,78 € 1 200 429,18 € 702 260,40 € 561 808,32 € 5 877 373,36 €
  18. 18. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 18 Figure 4 : ROI On obtient donc un payback time de près de 10 ans. Il est maintenant possible de définir le seuil de rentabilité en énergie. Il faudra donc produire toute cette énergie pour commencer à faire des bénéfices sur l’investissement. Les gains cumulés s’élèvent à près de 6M€. Cela représente un rendement annuel de 3.5%. Il faudra donc être très vigilant à contrôler les coûts 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 économique du Maroc et la politique énergétique du gouvernement. €(10 000 000,00) €(8 000 000,00) €(6 000 000,00) €(4 000 000,00) €(2 000 000,00) €- €2 000 000,00 €4 000 000,00 €6 000 000,00 €8 000 000,00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Bénéficecumulé Temps en années ROI ROI
  19. 19. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 19 2 Comment collecter, convertir et renvoyer l’énergie au réseau 2.1 Principe Les modules devront récupérer l’énergie solaire pour la transformer en énergie électrique. Un onduleur sera placé pour convertir l’énergie continue en énergie alternative. Cette éner- gie sera ensuite renvoyée sur le réseau marocain. Sur le côté continu et alternatif, des pro- tections seront placées pour se protéger des surtensions (parafoudres) et des surintensités (fusibles, sectionneurs, disjoncteurs). Voyons comment nous avons choisi les modules et les critères que nous avons adopté. 2.2 Les modules 2.2.1 Le choix Par contrainte de temps et pour respecter les délais, le groupe a retenu 5 modules possé- dant la technologie CPV. Voici les principales caractéristiques de chacun d’eux. Modules Protections Convertisseur DC/AC Protections Réseau triphasé 3X400V
  20. 20. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 20 Modèle Opel solar USA Emcore USA Rondine Italie HCM 220 Chine Zytech Espagne Longueur 1,576 1,71 1,15 1 1,02 Largeur 0,279 1,05 0,753 1 1,02 Hauteur 0,307 0,64 0,075 0,315 0,21 Surface du module 0,439704 1,7 0,8064 1 1,0404 Masse en kg 11,3 57 17,4 27 Tolérance d'angle +-0,7 +-4 Matériaux aluminium aluminium et plastique composite aluminium Efficacité en % 25 28 37 Durée de vie (garantie) 25 20 Voc en V 17,4 47,7 45,7 48,5 29,39 Icc en A 6,4 11,9 3,77 5,5 7,18 Vmp en V 15,6 40,4 36,6 42,3 23,22 Imp en A 5,8 11,4 3,3 5,2 6,62 Température en °C -40 -40 -25 50 45 55 Localisation de l'entreprise USA USA Italie Chine Espagne Masse totale en kg 2056,6 2736 1740 0 2079 Puissance/m² 204,6831505 267,6470588 148,8095238 220 144,1753172 Puissance par modules en W 90 455 120 220 150 Puissance par tracker en kW 16,38 21,84 12 17,6 11,55 Nombre de modules 182 48 100 80 77 Puissance/masse 7,96460177 7,98245614 6,896551724 5,555555556 A priori, le choix des modules n’était pas évident. Il donc fallu retenir des critères afin de dé- finir le module convenant le plus aux besoins du groupe auxquels nous avons affecté des pondérations. Parmi ces critères, on retrouve :  La masse, pondération 2  La puissance, pondération 4  La position géographique du fournisseur, pondération 1
  21. 21. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 21  Le nombre de modules nécessaires pour un tracker, pondération 3  La tolérance d’angle, pondération 3 Etant donné que la surface est définie par le cahier des charges, nous avons souhai- té utiliser des modules fournissant un maximum de puissance. La tolérance d’angle est également importante puisque l’on doit rester dans le cône des +/- 0.5° défini par le ca- hier des charges. Nous avons considéré le nombre de modules pour éviter un câblage trop complexe. La position géographique du fournisseur est intéressante car nous avons trouvé des modules plus ou moins éloignés du lieu d’installation. Le rapport puis- sance/masse aurait pu être intéressant si nous accordions autant d’importance à la puis- sance délivrée par les modules qu’à la masse de ceux-ci. CritèresModèle Opel solar USA Emcore USA Rondine Italie HCM 220 Chine Zytech Espagne puissance moyen très bien moyen bien bien masse très bien moyen très bien sans données sans données position géogra- phique du four- nisseur moyen moyen très bien moyen très bien Nb modules nécessaires moyen très bien bien bien bien Tolérance d'angle sans données Bien très bien sans données sans données Total 24 43 41 23 25 Moyenne 2,4 3,307692308 3,153846154 2,875 3,125 Figure 5 : Matrice de choix Les notes ont été établies par des commentaires allant de très bien à mauvais. L’avantage de cette technique est qu’il est plus facile de faire une différence entre ces 2 annotations plutôt que 2 chiffres. Les résultats indiquent que les modules de la société Emcore et ceux de la société Rondine correspondent le mieux à nos attentes. D’après le business plan, nous avons vu qu’il était préférable de fournir un maximum de puissance en ayant une masse im- portante plutôt qu’une plus faible puissance avec une moindre masse car le coût en énergie pour mouvoir le tracker est plus faible. C’est donc pour cette raison que nous avons choisie le module de la société Emcore aux Etats-Unis.
  22. 22. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 22 Ainsi les caractéristiques courant-tension de ce module sont : Il offre une acceptance d’angle de +/- 0.7° en conservant 90% de ses performances. Cette performance correspond parfaitement à notre cahier des charges Ainsi, on peut d’ores et déjà dire qu’il faudra 48 modules par tracker et que la masse totale des modules sera de 2736kg. Maintenant que les modules ont été choisis, il faut procéder 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 empilés où chacune des couches est destinée à convertir le spectre du Soleil. Sachant qu’il émet un spectre allant de 0.2µm à 2.5µm, c'est-à-dire de l’ultraviolet à l’infrarouge avec un pic dans le visible de 0.3µm à 0.8µm, les 3 types de cel- lules auront pour but de capter tout ce rayonnement.
  23. 23. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 23 Figure 6 : Avantages des cellules multicouches Sur ce graphique, on peut observer en gris le spectre solaire filtré par l’atmosphère. La partie bleu correspond à la 1ère couche de cellules du panneau photovoltaïque In- dium/Gallium/Potassium, en vert la 2ème couche de Indium/Gallium/Arsenic/ . Enfin, la 3ème couche en rose permet de capter les émissions infrarouges avec le Germanium. Technologie Longeur d'onde pour émettre en nm InGaP 200 - 667 InGaAs 667 - 1033 Ge 1033 - 1908 D’après ce tableau, on voit que suivant la couche utilisée, il y a une plage de lon- gueur d’onde à partir de laquelle elle va émettre de l’énergie. Les cellules multi-jonctions confèrent ainsi une meilleure performance mais elles sont plus coûteuses à fabriquer. C’est dans ce cadre que des optiques à concentration sont utilisés afin de capter la lumière du soleil et la réduire sur une surface de semi-conducteur plus petite.
  24. 24. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 24 Figure 7 : Technologie CPV 2.2.3 Effet de la température La ferme solaire est placée dans un milieu où la température de fonctionnement ne peut être négligée. Figure 8 : Effet de la température sur la caractéristique d’un module Ainsi d’après les données fournies par le constructeur, on sait qu’il y a une diminution de 0.0675V/°C à partir de 25°C. Sachant que la température à Ouarzazat peut atteindre 50°C en plein soleil, on aura une perte de ( )
  25. 25. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 25 En câblant 16 modules en série, la perte devient : Ces pertes représenteront autant de puissance qui ne pourra être renvoyée sur le réseau. Il faudra en tenir compte sur la tension d’entrée du convertisseur DC/AC. 2.3 Le choix des onduleurs Pour choisir les onduleurs, il est nécessaire de connaître la puissance qui va être délivrée par les trackers puis le câblage des modules pour avoir une tension et un courant d’entrée suffisant à l’onduleur. Nous avons opté pour placer un onduleur par tracker. En effet, ce choix est un compromis entre un bon rendement, le prix mais aussi l’assurance d’un fonc- tionnement dégradé du tracker lors d’une défaillance. Modèle Solivia 20TL Delta CS20TL Mastervolt Pays du fournisseur France/Espagne France Longueur en m 0,952 0,97 Largeur en m 0,6247 0,65 Hauteur en m 0,278 0,26 Volume en m3 0,17 0,16 Masse en kg 63 65 Efficacité en % 98,1 98 Durée de vie (garantie) sans données sans données Puissance entrée DC en kW 22 22 Puissance sortie AC en kW 20 21 Tension d'entrée en V 350-800 200-980 Tension de sortie en V 3X400 3X400 Courant d'entrée en A 60 2X30 Courant de sortie en A 25 3X32,2 Plage de fréquence en Hz 47-53 ou 57-63 50 60 autoconsommation en W 20 Température -20 -20 60 60 Prix 5 285,00 € 4 500,00 € Sites http://www.solar- inverter.com/eu/fr/852.htm http://www.mastervoltso lar.fr/solaire/produits/sun master-cs/cs20tl/ Tableau 5 : Recherche d’onduleurs
  26. 26. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 26 Les critères retenus pour effectuer ce choix sont :  L’efficacité, pondération 4  Le coût, pondération 3  Le volume, pondération 2 L’efficacité est un critère très important car nous voulons perdre le moins d’énergie possible. Le coût est également déterminant car le budget de ce projet est limité. Comme nous ne souhaitons pas avoir trop de surface au sol, nous avons considéré le volume de l’onduleur. CritèresModèle Solivia 20TL Delta CS20TL Mastervolt Efficacité 4 4 Volume 3 3 Coût 3 4 Total 31 34 Tableau 6 : Matrice de choix D’après la matrice de choix, il en ressort que l’onduleur de Mastervolt CS20TL est le mieux adapté à notre situation. Cet onduleur comporte 2 étages :  Recherche du MPPT  Conversion DC/AC La recherche du MPPT (Maximum Power Point Tracking) permet d’être constamment au point de fonctionnement optimal donc au pic de puissance. Figure 9 : Fonctionnement du MPPT Il s’agit en fait de calculer à chaque instant la puissance et le comparer à l’état précédent. Si le delta est positif alors on continue à augmenter la tension, s’il est négatif, on diminuera la tension et cela constamment. Cette mise en place dure environ 0.5s. Une fois que le point de fonctionnement est trouvé, il s’agit ensuite de convertir l’énergie continue en énergie alterna- tive.
  27. 27. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 27 D’après la documentation donnée par le fournisseur, on a une plage de tension d’entrée de 200-980V et une plage MPPT de 350-800V. D’après le tableau suivant, nous avons décidé d’adopter le câblage suivant : Maroc groupe de panneaux en parallèle nb panneaux en série Tension du panneau en V Intensité du panneau en A Puissance en kW 1 48 1858,2 7,679952 14,27088681 2 24 929,1 15,359904 14,27088681 3 16 619,4 23,039856 14,27088681 4 12 464,55 30,719808 14,27088681 6 8 309,7 46,079712 14,27088681 8 6 232,275 61,439616 14,27088681 12 4 154,85 92,159424 14,27088681 16 3 116,1375 122,879232 14,27088681 24 2 77,425 184,318848 14,27088681 48 1 38,7125 368,637696 14,27088681 Pour des raisons d’assemblage et de câblage, nous ne souhaitions pas avoir trop de groupes en parallèle. En même temps, il faut rester dans la plage de tracking de l’onduleur donc nous avons décidé de placer 4 groupes de 12 panneaux en série. 2.4 La protection électrique de la ferme Certains accidents pourraient endommager fortement les parties électriques de la ferme. Les météorologues utilisent le terme de niveau kéraunique Nk pour définir si une ré- gion est orageuse ou non. Ce niveau définit le nombre de jour d’orages par an. On a donc étudié les zones kérauniques du Maroc.
  28. 28. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 28 Figure 10 : Zones kérauniques du monde On s’aperçoit que le niveau kéraunique au Maroc est faible avec Nk compris entre 8 et 12. C’est ce niveau qui va définir les éléments de sécurité à mettre sur la ferme solaire. Figure 11 : Type de protection suivant le niveau kéraunique Comme la ferme est alimentée en basse tension, il est peu utile de protéger le côté continu et le côté alternatif. Cependant, vu le coût de l’onduleur et des modules, nous avons pris l’option de les protéger contre les surtensions et les surintensités. De plus, ces protections rassureront le client et permettront une intervention sans danger des pompiers en cas d’incendie.
  29. 29. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 29 2.4.1 Dimensionnement des sectionneurs porte-fusibles Les sectionneurs portes fusibles ont plusieurs utilités. D’une part, ils protègent contre les surintensités, d’autre part, ils permettent aux secouristes d’avoir une intervention rapide en cas d’incendie puisqu’ils peuvent être désengagés aisément. On doit donc dimensionner les fusibles du côté continu et du côté alternatif à la fois pour pro- téger les modules et l’onduleur. D’après la norme UTE C15-712, les fusibles doivent suppor- ter : avec ICC = 59.5A à la sortie de l’ensemble des modules. Du côté alternatif, on sait que l’onduleur sort un courant de 32.2A par phase donc d’après la norme, on a : Il faut également dimensionner les protections pour se protéger des surtensions. 2.4.2 Dimensionnement des parafoudres Ces parafoudres sont nécessaires pour se protéger des surtensions et donc des coups indi- rects de la foudre. Le dimensionnement dépend de plusieurs variables dont le niveau kérau- nique. Calculons d’abord Fv. ( ) ( ) Comme Fv <40 alors le courant maximal admissible doit être de 5kA d’après la norme. En ce qui concerne la tension, la norme dit que : Il est important de remarquer que nous n’avons pas pris en compte la température pour les chutes de tension car nous nous sommes placés dans le cas extrême où la tension est la plus grande. 2.4.3 Dimensionnement des diodes de protection Les modules sont protégés par des diodes by-pass. Cependant, il est nécessaire de protéger l’ensemble des modules en série par une diode anti-retour. En cas d’ombres sur un des modules, il faudra s’assurer que les autres modules ne se déchargent pas dans les mo- dules ombragés.
  30. 30. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 30 Figure 12 : Mise en évidence du courant inverse Pour s’affranchir de ces problèmes, des diodes de protection ont été placé à chaque fin de branche comme indiqué sur le schéma de câblage. Pour déterminer Imax et Vmax pour dimensionner les diodes, il faut 4 branches d’où le risque est que 3 branches se déchargent dans celle ombragée. Ainsi, La tension maximale que devra supporter la diode est la tension d’une branche de 16 mo- dules en série donc : Encore une fois, nous n’avons pas pris en compte les effets de la température afin de se placer dans le cas le plus défavorable. 2.4.4 Dimensionnement des disjoncteurs Un disjoncteur magnéto thermique est composé de 2 détections thermique et magné- tique. La détection thermique est utilisée contre les surcharges prolongées. La coupure du circuit prend généralement de quelques dixièmes de seconde à quelques minutes selon l’importance de la surcharge en courant. La détection magnétique sera utilisée en cas de court-circuit donc pour des surcharges rapides. La coupure sera très rapide de l’ordre de la millième de seconde. Il y aura un disjoncteur par phase et devra supporter un courant maximal de 32.2A.
  31. 31. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 31 2.5 Câblage électrique Maintenant que tous les composants sont dimensionnés, il est possible de définir le câblage électrique d’un tracker. Figure 13 : Schéma de câblage pour un tracker Il est important de noter qu’il n’y aura qu’un paratonnerre pour la ferme mais on a montré comment celui-ci était câblé. .
  32. 32. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 32 3 Architecture du tracker 3.1 Choix de l’architecture Dans la suite, les différentes solutions seront classées en fonction de critères avec une note allant de 0 à 10 : 0 étant éliminatoire et 10 étant la meilleure note. 3.1.1 Type d’architecture Plusieurs possibilités : - Azimut-élévation : 2 liaisons en série. La première permet de décrire l’angle d’azimut (axe vertical). La seconde, décalée par rapport à la première, permet de décrire l’élévation (axe horizontal). Ces deux liaisons ont des axes orthogonaux. Ces deux axes conservent leur orientation par rapport au sol. - Elévation-azimut : 2 liaisons en série. La première décrit un angle proche de l’angle d’élévation. La seconde liaison, décalée par rapport à la première, décrit un angle proche de celui d’azimut. Ces deux liaisons ont des axes orthogonaux. Cependant, la deuxième liaison a une orientation variable par rapport au sol. - Type rotule : Une liaison rotule centrale permettant toute les orientations. Correspond à une architecture de type Azimut-élévation avec les deux axes de liaison concou- rants. Critère [0 ; 10] Azimut-élévation Elévation-azimut Type rotule Conception 8 5 4 Loi de commande 10 4 5 Innovation 3 6 4 Concurrence 2 5 6 Références 8 4 4 TOTAL 31 24 23
  33. 33. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 33 3.1.2 Type de support Plusieurs possibilités : - Mat : Un seul support central qui soutient tout le tracker. - Liaison centrale + Appuis supplémentaires au sol : Un support central et une réparti- tion d’efforts via plusieurs contacts au sol (type roues par exemple) - Plusieurs liaisons motorisées avec le sol : liaisons motorisées en parallèle avec le sol, répartition des efforts. Critère [0 ; 10] Mat Liaison centrale + appuis supplémen- taires au sol Plusieurs liaisons motorisées avec le sol Conception 8 4 4 Précision de fabrica- tion nécessaire 8 4 4 Concurrence 4 5 7 Maintenance 8 6 4 Nombre d’actionneurs néces- saires 8 8 3 TOTAL 36 27 22
  34. 34. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 34 3.1.3 Type de panneau Plusieurs possibilités : - Un panneau de 80m² : structure de 80m² motorisée. - Plusieurs sous-panneaux motorisés individuellement : plusieurs sous-panneaux (constituant la surface totale désirée) avec des motorisations indépendantes. - Plusieurs sous-panneaux liés mécaniquement : plusieurs sous-panneaux liés par un système mécanique, et mû par les mêmes actionneurs. - Motorisation de chaque module : chaque module possède sa propre motorisation. Critère [0 ; 10] Un panneau de 80m² Plusieurs sous- panneaux moto- risés individuel- lement Plusieurs sous- panneaux liés mécaniquement Motorisation de chaque module Conception 6 5 5 3 Nombre de liai- sons 8 5 5 1 Nombre d’actionneurs 8 5 8 1 Concurrence 2 6 8 9 TOTAL 24 20 26 14
  35. 35. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 35 3.2 Architecture choisie L’architecture retenue est de type azimut-élévation, c'est-à-dire qu’il y a deux liaisons en série qui vont orienter le panneau respectivement en azimut puis en élévation. Cette archi- tecture nous donne l’avantage de contrôler directement et indépendamment les deux angles. De plus, ce système sera conçu autour d’un support unique, et sera constitué de plusieurs sous-panneaux liés mécaniquement et motorisés par le même actionneur. La modélisation sous le logiciel de calcul cinématique et dynamique Adams, a permis de vérifier la faisabilité cinématique du dispositif. De plus, la simulation de l’impact de la force du vent au moyen de la relation sur la trainée aérodynamique pour un vent de 200km/h permet de déterminer les efforts dans les liaisons. On sera ainsi en mesure de choisir au mieux l’architecture qui correspond à nos besoins. 3.3 Calcul du Beta_min 3.3.1 Détermination du Beta_min théorique Afin d’optimiser la stratégie de fonctionnement, nous avons déterminé un angle d’élévation minimal à partir duquel le tracking peut commencer. Nous avons fixé un seuil limite : La puissance des moteurs pour bouger le tracker est de 555W. Il faut donc produire une puissance de 5.55kW. Sur la surface d’un tracker, cela représente : Sachant que le module fournit une puissance de 258W/m² sous une irradiance de 1000W/m² alors pour fournir 69.37W/m², on a :
  36. 36. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 36 L’angle d’élévation ainsi que l’irradiance ont été tracés sous Matlab en fonction du temps. Figure 14 Comparaison de l'élévation avec l'éclairement Il suffit de répéter la même opération sur tous les mois de l’année pour obtenir un angle moyen le matin et le soir. Angle élévation matin Angle élévation soir Moyenne 6,12 4,00 0 5 10 15 20 25 0 1000 2000 heure EclairementenW/m² Comaparaison de l élévation avec l éclairement : JUILLET 0 5 10 15 20 25 0 50 100 X: 4.983 Y: 4.211 Elévationen°
  37. 37. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 37 Le tracking pourra commencer à un angle d’élévation de 6° le matin et arrêter le tracking dès qu’un angle de 4° est atteint le soir. 3.3.2 Détermination du Beta-min pratique Afin de réduire la surface au sol nécessaire au fonctionnement du tracker, il faut ef- fectuer son optimisation en fonction de l’élévation minimale à prendre en compte. En effet, afin de réduire cette surface, il faut faire en sorte que la surface au sol occupée par le tracker et par l’ombre projetée soit le plus proche possible d’un carré. Le cercle circonscrit à ce carré représentera la zone balayée par le tracker durant la journée. De plus, dans l’optique de faire un tracker multi-panneau, il est essentiel de faire un compromis entre ombre projetée et dimensions du tracker. Le tracker doit lui-même être proche d’un carré pour limiter les poutres de grandes tailles qui produisent des moments de flexion dans la liaison principale (azimut). Une première étape consiste à poser un modèle et les hypothèses. Tout d’abord, un sous-panneau ne sera constitué que d’une seule rangée de panneaux, et ceux-ci seront pla- cés avec leur plus petite dimension en hauteur. Ensuite, il faut considérer le panneau en une seule partie de 80m². En fonction de l’angle d’élévation minimal et de la surface de pan- neaux, le rapport longueur/largeur optimal est exprimé. Le panneau a pour dimensions , avec . La longueur de l’ombre projetée depuis la base du panneau est appelée Op et vaut : ( ) La configuration est illustrée par la figure suivante : Le but est donc d’avoir : .
  38. 38. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 38 Figure 15 : Schéma de l’optimisation des dimensions du tracker Dans un second temps, pour différentes valeurs de Beta_min, sont exprimés : le nombre de sous-panneaux nécessaires, le nombre de modules par sous-panneaux et la lon- gueur d’un sous-panneau (correspondant à x). Au final, Beta_min=12°, ce qui correspond à un tracker constitué de 4 sous-panneaux de 12 modules chacun. x vaut alors 20,4m. Le tracker aura donc pour dimensions 20,4m x 15,5m. 3.4 Schéma cinématique Le schéma cinématique équivalent de notre système est le suivant. Notre modèle de- vra avoir, afin de solliciter les liaisons de manière raisonnables, son centre de gravité aligné avec l’axe de la liaison pivot verticale (azimut) L’architecture est donc la suivante : x 2 H O p Be- ta_min
  39. 39. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 39 Figure 16 : Schéma cinématique du système Son fonctionnement est le suivant : La Tige commande (4), va actionner les sous-panneaux (2) via les bielles (3). Le support du panneau (1), couramment appelé Mat, soutient les sous- panneaux et l’actionneur d’élévation. L’ensemble tourne par rapport au sol en décrivant l’angle d’Azimut. 3.5 Repères utilisés 3 repères sont définis : - R (0 ;x,y,z) lié au sol, repère terrestre, supposé galiléen. - R1 (Ot ;x1,y1,z) lié au mat - R2 (B ; x2,y2,z2) lié au panneau. Les figures de rotation de base, entre les différents repères, sont les suivantes : Figure 17 : Figures de rotation de base Voici donc le graphe de liaisons du système, qui définit les différentes liaisons :
  40. 40. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 40 Figure 18 : Graphe des liaisons de l’architecture 3.6 Dimensionnement de l’architecture 3.6.1 Conception Assistée par Ordinateur Figure 19 : Représentation du Tracker en position de sécurité Par soucis économique et de simplicité d’approvisionnement, la majorité des pièces qui composent le tracker sont en acier S445, acier très répandu. De plus, toute la conception
  41. 41. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 41 s’articule autour d’un équilibrage du tracker. Les masses sont donc réparties symétriquement par rapport aux axes de rotation. 3.6.1 Mat du tracker Le mat du tracker est constitué à l’image d’une arrête de poisson. Il est constitué d’une poutre maitresse qui supporte 3 autres poutres. Ces 3 poutres supportent les 4 sous- panneaux du tracker. Ces poutres sont fabriquées à base de profilé carré de côté 100mm et d’épaisseur 4mm. L’avantage du profilé carré dans notre produit est qu’il se déforme de la même manière dans les deux directions orthogonales à l’axe du profilé. Ceci est contraire à la poutre en I, qui est capable de supporter un chargement sur un seul axe. Ayant une lon- gueur initiale de plus de 15 mètres, il est nécessaire de la couper en deux afin de pouvoir les mettre dans un container. De plus, leur liaison est assurée par pions de centrage et boulon- nage. Ainsi, les poutres sont constituées de deux profilés de 100mm montés en treilles avec des équerres de profilé de 100mm (Voir figure suivante) Figure 20 : Une des poutres composant le mat Ce mat est optimisé par une technique d’éléments finis afin de s’assurer d’avoir une défor- mation minimale. Ainsi, les valeurs des épaisseurs de profilé et d’inclinaison des traverses sont modifiées. 3.6.2 Support de modules Le support des modules, quant à lui, est fabriqué à partir de profilés acier de 50mm de côté et de 3mm d’épaisseur. La conception s’est basée sur une stratégie de montage et démontage aisé des modules. Les modules sont glissés dans des caissons et bloqué par un système de pinces spécifiques. Les caissons sont réalisés par lot de 2 (voir figure suivante). Les double-caissons sont reliés par des axes respectivement de 100mm et 85mm pour l’axe de rotation d’élévation et l’axe de rotation de la bielle.
  42. 42. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 42 Figure 21 : Un double caisson à modules 3.6.3 Résultats Après conception des différentes pièces et intégration sur un modèle globale, l’outil CAO CATIA donne les résultats suivants : - Masse : 6300kg - Centre de gravité par rapport à l’axe de rotation azimut : o Gx=470,702mm o Gy=-0,415mm o Gz=304,088mm - Matrice d’inertie par rapport au centre de gravité : o IoxG = 235336,055kgxm2 o IoyG= 207677,036kgxm2 o IozG= 440217,294kgxm2 o IxyG= -1,035kgxm2 o IxzG= 2641,959kgxm2 o IyzG= 1,952kgxm2 Ces éléments montrent que notre tracker est relativement lourd, mais que son centre de gra- vité est proche de l’axe de rotation central. Ceci implique donc des matrices d’inertie quasi- ment diagonales, traduisant un bon équilibrage du tracker. Ceci est un avantage quant aux actions transmises par les liaisons. En effet, en cas d’absence de vent, les efforts passant par la liaison centrale se limitent globalement à des efforts suivant l’axe z.
  43. 43. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 43 3.7 Dimensionnement d’un sous panneau Afin de dimensionner le système, il faut se baser sur les deux positions extrêmes que peuvent prendre les sous-panneaux. Ces positions correspondent à la position horizontale de sécurité et à la position d’élévation minimale choisie précédemment pour déterminer l’espacement entre les sous-panneaux. D’après les choix faits : min=12° et max=90°. Il est nécessaire d’exprimer les différents paramètres en fonction de l’élévation  et min l’angle décrit sur le schéma suivant : Figure 22 Position de sécurité et min Connaissant les dimensions des modules, il est possible d’en déduire les expressions de c, e et a. Etant donné que b est non nul en raison de l’architecture en sous-panneaux, le dimen- sionnement de f est intéressant. Il est acceptable de poser l’hypothèse que la longueur b est prépondérante devant a du point de vue du bras de levier et de la masse équivalente au bout. Le moment engendré par une masse en bout de tracker se calcul de la manière suivante : ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ D’où ⃗⃗⃗⃗⃗ Cela signifie que les efforts dans la liaison azimut ne dépendent pas de f. Afin d’abaisser le tracker au maximum on cherche f de telle sorte que la liaison azimut supporte le diamètre d’arbre imposé par le moteur choisi.
  44. 44. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 44 Le choix du moteur en azimut et de l’organe de transmission associé impose d’avoir un dia- mètre d’arbre du mât en azimut de 324mm. Ce résultat est détaillé dans la partie motorisa- tion. Or d’après la structure la valeur minimale de f est : ( ) avec 20% de sécurité. Une analyse par élément finis donne un critère de Mises de 1440 N/m² ce qui est largement en dessus des caractéristiques du matériau. La courbe suivante donne l’évolution des paramètres longueur de la tige, c et e en fonction de min. Figure 23 Longueur tige, c et e en fonction de min Le but est d’avoir un  min le plus grand possible tout en gardant une variation maxi- male de la longueur de tige du vérin inférieure1, 5 m car sur la sélection de vérins effectuée, il n’existe pas de vérins qui conviennent avec une tige supérieure à 1,5m. Il est nécessaire d’avoir un e le plus petit possible pour rabaisser le tracker et c le plus petit possible afin de la rendre plus légère. Le choix de prendre un min le plus grand possible permet de distribuer les efforts que reçoit la bielle sur la liaison entre la tige de commande et le mât. Un min=30° compro- mis est choisi en fonction de l’allure de e, c, a et des disponibilités de vérins. Il est alors possible de dresser le tableau récapitulatif suivant :
  45. 45. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 45 Donnée et expression Valeurs numériques 12° 30° 90° h’ 0,525m c= ( ) ( ) 1,027m ( ) ( ) ( ) 0,514m f 0m b 0m 1,414m h’*sin( ) 0,926m 0,489m Il est vérifiable ainsi que la bielle d’un sous panneau ne va pas entrer en collision avec le sous-panneau suivant. Afin de déterminer les dimensions des autres paramètres de la bielle, il est nécessaire de connaître le diamètre de l’arbre que fait la liaison entre le sous panneau et la bielle. Il est admissible de poser l’hypothèse que le vent exerce une force dans le pire des cas c'est-à- dire s’exerçant sur un demi sous panneau au point C. L’hypothèse que l’arbre ne travaille pas en torsion est acceptable. Ainsi d’après les critères de Goodmann et de Von Mises, le diamètre doit être au minimum de 83,54mm Le roulement correspondant est choisi d’après le site du constructeur d’éléments roulants SKF. Après plusieurs itérations sur le choix du roulement, le diamètre trouvé est de 85mm avec pour référence 61817. (Cf annexe F: SKF 61817) La charge dynamique de 19kN pour ces roulements est suffisante pour supporter les contraintes que subissent les sous pan- neaux. Le diamètre étant connu, il est possible de faire une étude d’élément finis au moyen du logi- ciel de CAO Catia v5 afin de déterminer tous les paramètres de la bielle. L’analyse des élé- ments finis suivante confirme la faisabilité. La bielle est chargée en position horizontale avec
  46. 46. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 46 un vent de 100km/h s’exerçant sur toute la surface du sous panneau. Cela correspond à mettre un coefficient de sécurité de 2 car en réalité la force de vent maximale s’exerce sur une moitié de surface de sous panneau: Figure 24 Eléments finis de la bielle L’élément permettant de faire la jonction entre la tige de commande et le mat est un élément sensible de notre architecture. En faisant une recherche sur les choix possibles, le mono rail de chez Rollon est apparu comme étant un bon choix. Afin de choisir le dispositif qui corres- pond au mieux, une étude de la charge dynamique que peut supporter le dispositif est effec- tuée. Le tracker doit avoir une durée de vie de 20 ans. Les efforts maximum que supportent les patins de la tige de commande doivent être analysés. Le patin choisit supporte les mo- ments des forces agissant sur le patin. Ainsi le mono rail Ref MRS45 ayant les caractéris- tiques suivantes est choisi : Dynamique (N) Statique (N) Mx (N.m) My (N.m) Mz (N.m) MRS45 65000 105000 2363 1378 1378 Tableau 7 Tableau des caractéristiques du patin/mono rail MRS45 Dans notre cas ça sera le rail qui fera office de tige de commande et les patins seront liés au mât. Il faut maintenant déterminer le nombre de patins à mettre afin que le rail ne flé- chisse pas trop. Les patins sont disposés de telle sorte qu’en position matinale ( ) ils
  47. 47. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 47 se retrouvent sous la bielle. Les calculs de flèche du rail justifient qu’il faut au moins 4,1 pa- tins pour que cela convienne. 5 patins garantissent au système une meilleure robustesse. Tableau 8 Classe de précision du rail Le tableau ci-dessus donne les précisions disponibles. Cela convient pour le cas du tracker. Il est ainsi possible de rester suffisamment précis malgré la présence de rail de di- mension  4000mm. L’élément de machine assurant la liaison pivot azimutale a été déjà choisi. En effet, cet organe fait partie de la motorisation selon l’azimut.
  48. 48. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 48 3.8 Influence des défauts Impact des défauts sur la capacité des sous panneaux à rester dans un cône de tolérance de 1° Il faut vérifier que le choix d’un seul actionneur pour commander tout les sous panneaux est possible. Un inclinomètre est disposé sur un seul sous panneau dit de référence. Une étude de l’impact de défauts sur la capacité des autres sous panneaux à rester dans un cône de tolérance de 1° est à mener. Les défauts peuvent être les suivants : 1- Variation de la longueur de la tige de commande. Ce défaut provient à la fois d’un dé- faut lié aux déformations de la tige et au défaut de positionnement d’un sous pan- neau par rapport aux autres 2- Jeu dans la liaison entre la tige de commande et la bielle 3- Variation de la longueur de la bielle 4- Jeu dans la liaison entre la bielle et la tige de commande 5- Variations des dimensions du sous panneau. Ce défaut provient des déformations que subissent les sous panneaux. 6- Jeu dans la liaison entre le sous panneau et le mât. 7- Variation des longueurs du mât 8- Jeu dans la liaison entre le mât et le bâti D’après une première étude, il a plus de 8 types de défauts dans notre système. En partant de l’hypothèse que le le même jeu maximal est attribué à chaque jeu. Et que chaque jeu peut s’exprimer en degrés. Soient l’erreur maximale autorisée, N le nombre de défauts possibles et le défaut ad- missible pour un jeu. La loi expérimentale suivante traduisant l’impact de chaque jeu sur le jeu global s’écrit de la sorte : ∑
  49. 49. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 49 Il faut laisser une marge de 90% des 1° de tolérance pour l’établissement de la loi de com- mande. Donc √ Il est intéressant de savoir combien un défaut de d’angle au niveau de la bielle/tige de com- mande engendre d’erreur angulaire. ( ) ( ) D’où ( ( ) ) ( ( ) ) Ainsi pour trois couplets de valeurs de et un de : (°) (°) 12 0,65614944 45 0,025123001 90 0,020833589 Il faut alors déterminer combien un de entraine comme erreur sur la variation de la longueur x de la tige de commande. √ ( ( ) √ ( ( ) √ ( ( ) Ainsi pour trois couplets de valeurs de et un de : (°) (mm) 13 1,17850987
  50. 50. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 50 45 0,388047816 89 0,19127834 Il faut déterminer combien un de entraine comme erreur sur la variation de la longueur c de la bielle. Ainsi : ( ) ( ) Il est acceptable de poser l’hypothèse qu’une variation de c engendra seulement une varia- tion de . Ainsi, ( ( ) ( )) ( ) Ainsi pour trois couplets de valeurs de et un de : (°) (mm) 12 0,067152223 45 0,265418671 90 0,646906246 Il faut déterminer combien un de entraine comme erreur sur la variation de la longueur e du mât. Or : ( ) ( ) Il est possible de considérer là aussi que est constant lorsque e varie. Par conséquent, ( ( ) ( )) Ainsi pour trois couplets de valeurs de et un de :
  51. 51. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 51 (°) (mm) 12 0,067347148 45 0,228786353 90 0,323453123 Il est nécessaire de déterminer combien un de entraine comme erreur sur la variation de la longueur h’ du sous panneau. Encore une fois : ( ) ( ) Il est acceptable de considère la aussi que est constant lorsque h’ varie. D’où, ( ( ) ) ( ( ) ( ) ) Ainsi pour trois couplets de valeurs de et un de : (°) (mm) 12 0,068860754 45 0,323752289 89 17,89875878 Par conséquent en lorsque est élevé les paramètres jouant beaucoup sur une erreur d’élévation sont et la longueur de la tige. Par contre lorsque est faible les paramètres influant sur une erreur d’élévation sont la longueur de la bielle, e et la hauteur du demi sous panneau. L’éclairement du soleil est plus fort lorsque l’élévation est proche de 90°. C’est là qu’il est possible de récupérer le plus d’énergie. Il faut donc assurer le plus de précision. Il faut alors considérer que les paramètres jouant le plus sur la précision sont la liaison bielle/mat et la longueur de la tige de commande.
  52. 52. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 52 3.9 Etude dynamique Cette étude a pour but de caractériser dynamiquement l’architecture complète. Avec 0 le bâti, 1 le mat, 2 le sous panneau N, 3 la bielle et 4 la tige de commande Soit le référentiel terrestre considéré galiléen. Les repères sont définis de la manière sui- vante : ( ) ( ) ( ) De une rotation est faite selon l’axe z de –α. De une rotation est effectuée se- lon l’axe y de -.{Sous-panneau N} isolé : Les efforts qui s’appliquent sur le sous-panneau N : - Vent : { } { } Avec M un point quelconque du sous panneau. 1 2 34 0 𝑃 (𝐵 𝑁 𝑦⃗⃗⃗⃗ ) 𝑃 (𝑂 𝑧⃗⃗⃗ ) 𝑃 (𝐶 𝑁 𝑦⃗⃗⃗⃗ ) 𝑃 (𝐷 𝑁 𝑦⃗⃗⃗⃗ ) 𝑃𝐺 𝑃 𝑁 𝑥 )⃗⃗⃗⃗⃗
  53. 53. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 53 Le vent est modélisé par une force s’exerçant sur un coin du sous panneau N. Soit L’ la lon- gueur du sous panneau N et ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ( ( ) ⃗⃗⃗ ( ) ⃗⃗⃗⃗ ) Ainsi, { } { ( ) ( ) ( ) ( ) } La force du vent s’exprime de la façon suivante : C'est-à-dire que la force du vent s’exerce normalement au sous panneau N. Par conséquent, { } { ( ) } - Pesanteur : En supposant que le centre de gravité d’un sous-panneau N se trouve au niveau de BN. { } { } - Action du mat sur le sous-panneau N : { } { } - Action de la bielle sur le sous panneau N :
  54. 54. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 54 { } { } D’après le schéma du dispositif, ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ ( ( ) ⃗⃗⃗ ( ) ⃗⃗⃗⃗ ) D’où { } { ( ) ( ) ( ) ( ) } Or le torseur d’accélération pour le sous panneau N s’exprime de la façon suivante : { } { } Par conséquent, { ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Le sous panneau N ne peut tourner que selon . Ainsi ̈. Donc, { ( ) ( ) ( ) ( ) ̈ ( )
  55. 55. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 55 {Bielle N} isolé : Hypothèse : L’effet du vent sur la bielle N est négligé : Pesanteur : { } { } - Action du sous panneau N sur la bielle N : { } { } - Action de la tige de commande sur la bielle N : { } { } Ces torseurs en s’écrivent de la manière suivante : ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ √ ( ( ) ) ⃗⃗⃗⃗ ( ) ⃗⃗⃗ D’où, { } { √ ( ( ) ) } D’après le schéma, ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ √ ( ( )) ⃗⃗⃗⃗ ( ( )) ⃗⃗⃗
  56. 56. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 56 Donc { } { ( ( )) √ ( ( )) ( ( )) √ ( ( )) } Or le torseur d’accélération pour la bielle N s’exprime de la façon suivante : { } { ̈ } Par conséquent, { ( ( )) √ ( ( )) ( ( )) √ ( ( )) ̈ {Tige commande} isolée : Hypothèse : L’effet du vent sur la tige de commande est négligé - Pesanteur : { } { } Hypothèse : Toutes les bielles se comportent de la même façon. - Action des bielles sur la tige de commande : { } { } { } { }
  57. 57. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 57 { } { } { } { } Hypothèse : Les torseurs des actions mécaniques liés à l’action du mat sur la tige de com- mande sont identiques mais s’expriment en des points différents. - Action du mat sur la tige de commande : { } { } { } { } { } { } { } { } { } { } - Action du vérin sur la tige de commande : { } { } Les torseurs s’écrivent pour cette pièce en . D’après le schéma, ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗
  58. 58. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 58 ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ Ainsi, { } { } { } { } { } { } { } { } { } { } { } { } { } { } { } { } { } { } { } { }
  59. 59. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 59 { } { } Or le torseur d’accélération pour la tige de commande s’exprime de la façon suivante : { } { } Par conséquent, { ( ) ( ) ( ) ( ) On isole le {Mat} : - Pesanteur : { } { } - Action du bâti sur le mat : { } { } - Action de la tige de commande sur le mat : { } { } { } { }
  60. 60. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 60 { } { } { } { } { } { } Les torseurs s’écrivent au point O ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ D’où { } { } { } { } { } { } { } { } { } { } Or le torseur d’accélération pour le mat s’exprime de la façon suivante : { } { ̈ }
  61. 61. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 61 Par conséquent, { ∑( ) ∑( ) ∑( ) ̈ Ainsi la modélisation de toute la dynamique du système est effectuée. Pour résoudre au mieux ce système il faut passer par une analyse des frottements et des efforts dans les liai- sons qui se fera lors des phases de tests. 3.10 Loi entrée-sortie Fermeture de chaîne : En posant l’équation de fermeture de chaîne sur le dispositif suivant, on peut trouver la loi d’entrée sortie du système : ( ) √ ( ( ) ) On considère le référentiel terrestre supposé galiléen. Le système {Tracker Solaire} est soumis à l’action du vent, à la réaction du sol et à l’action de la pesanteur. Hypothèses: On considérera que la force du vent est une force s’exerçant dans la position du panneau la plus défavorable, pour un vent de 100 km/h et s’appliquant normalement à l’arête (haute ou basse). On considérera que l’action du vent ne s’exerce que sur le panneau comportant les modules. Une feuille de calcul sous le logiciel de calcul Matlab a été faite afin d’étudier la loi de sortie du vérin en fonction des paramètres géométriques. Pour une première itération, on réalise des simulations en prenant pour hypothèse que l’élévation minimale est nulle ce qui est le cas le plus défavorable.
  62. 62. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 62 3.11 Etude par éléments finis Afin de valider et d’optimiser les géométries, mais aussi de vérifier que le poids et les efforts extérieurs n’engendrent pas de déformations impactant le cône de tolérance, on effectue des simulations par éléments finis. La pièce qui supporte les modules est appelé « support de modules ».Cette pièce est composée de 6 compartiments pouvant accueillir 2 modules. Il est possible, compte tenu de la conception initiale, de mettre un support tous les 2 modules, soient environ tous les 3,5m. Chaque module pesant 57kg, et un vent de 100km/h générant un effort de 850N, on consi- dère une masse équivalente de 140 kg par module (module-barres). Deux barres portent chaque module d’où un équivalent de 70 kilos environ par barres de soutient (voir figure ci- dessous) Figure 25 : Double compartiment du support de modules Les barres qui constituent le support global des modules ont été réalisées sous CAO en poutres pleines. Elles ne représentent pas fidèlement la réalité car les poutres à utiliser
  63. 63. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 63 sont des poutres creuses (coté 50mm et 3mm d'épaisseur). Toutefois, pour faire des calculs de flèche, ceci n'est pas vraiment un problème car la flèche dépend essentiellement de la section de la poutre. Cependant, pour les contraintes, il est nécessaire de calculer une sec- tion équivalente pour être représentatif. Le support peut accueillir jusqu'à 5 points de contact avec le mat (Voir figure ci-dessous). Le but est d’avoir une flèche minimale avec un poids minimal en ayant un minimum de points de contact avec le mat (diminution du nombre de liaisons à réaliser). L'erreur de positionnement des modules par rapport à la position souhaitée (surface orthogonale aux rayons) est donc diminuée. Le support est rigidifié afin de diminuer ces flèches. Figure 26 : Positionnement possible des appuis entre le support de module et le mat Six solutions sont possibles. Ces solutions sont symétriques afin de répartir équitablement les efforts. Cette pièce, modélisée en vrai grandeur en CAO, est soumise à des simulations par éléments finis. Les appuis sont créés et le chargement appliqué en fonction des configu- rations.
  64. 64. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 64 Les résultats obtenus sont reportés dans le tableau ci-dessous (Rendus en Annexe B): Contacts Flèche maximale Equivalent erreur d’angle 1 contact avec le mât, au centre 200mm 1,14° 2 contacts avec le mât, proches du milieu 50mm 0,41° 2 contacts avec le mât, éloi- gnés 15mm 0,12° 3 contacts avec le mât, un au centre et 2 proches du centre 45mm 0,40° 3 contacts avec le mat, un au centre et 2 éloignés 3mm 0,05° 5 contacts avec le mât, sur tous les points de contact 3mm 0,05° La flèche minimale est obtenue pour une configuration avec 3 contacts : un au centre et deux éloignés.
  65. 65. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 65 4 Position de sécurité Afin de déterminer une position de sécurité, 4 critères de choix ont été utilisés : - La position de sécurité est fonction de la direction de provenance du vent - La prise au vent du panneau en position de sécurité avec une direction du vent la plus défavorable. - La difficulté de mise en position de sécurité - La conception supplémentaire spécifique Deux positions de sécurité possibles ont été étudiées. Ces positions sont des positions sin- gulières dans l’utilisation du tracker : β=0° ou β=90°. Les cas correspondants aux autres β peuvent être obtenus par combinaisons des deux autres positions. Ces deux positions sont donc :  Panneau horizontal (β=90°)  Panneau vertical (β =0°) Pour l’étude de ces 2 positions, on fait l’hypothèse que le vent est horizontal. 4.1 Panneau horizontal La position horizontale (élévation à 90°) offre des avantages et des inconvénients : - Le panneau ne nécessite pas d’orientation spéciale de la liaison azimut afin de résis- ter au vent de manière optimale. - En position horizontale, seule la tranche du panneau fait prise au vent, ce qui est mi- nime comparé aux 80m² de surface disponible. - En cas de vent, la mise en position de sécurité peut poser quelques problèmes. En effet, en cas de vent « arrière » (suivant –X1), la force nécessaire afin de mettre le panneau en position de sécurité est supérieur à l’effort nominal. Cependant, en cas de vent de face (suivant X1), ce dernier aura tendance à aider le panneau à se mettre en position de sécurité. - Afin de mettre le panneau en position horizontale, le vérin devra avoir une course lé- gèrement plus longue que celle prévue pour son utilisation normale. Toutefois, c’est la seule chose qui devra être adaptée 4.2 Panneau vertical La position verticale (élévation à 0°) offre également des avantages et des inconvénients :
  66. 66. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 66 - En position vertical, le panneau devra être libre autour de l’axe Z afin de pouvoir se mettre dans le vent, telle une girouette. Toutefois, en cas de bourrasque de vent, l’inertie du panneau va l’empêcher de réagir rapidement et celui-ci risque d’être dété- rioré, voire même détruit. - En position défavorable (cas de bourrasques), la prise au vent est importante (vent orthogonal au panneau). - De la même manière que pour la position horizontale, la mise en position de sécurité peut être plus ou moins difficile selon la provenance du vent. - Afin de mettre le panneau en position verticale, il est probablement nécessaire d’agrandir la course du vérin afin de pouvoir atteindre la position verticale (Elévation minimum entre 10 et 20 degrés). De plus, le fait de libérer le panneau autour de son axe d’azimut demande de prévoir un système de débrayage supplémentaire, qui peut éventuellement entraîner une erreur en azimut. Le fait de libérer les axes d’azimut crée une insécurité pour le personnel qui pourrait être dans le parc à ce moment-là. La solution la plus avantageuse qui fut retenue est la position de sécurité horizontale (éléva- tion à 90°).
  67. 67. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 67 5 Motorisation Comme tous les systèmes automatisés, le tracker du projet nécessite des systèmes de motorisation offrant couple et vitesse pilotable pour suivre le soleil. Afin de trouver un sys- tème de motorisation adapté au tracker, une analyse des éléments relatifs impactant ce sys- tème a été réalisé : Figure 27 - Schéma d’analyse de motorisation La chaine mécanique est très importante dans le choix d’un système de motorisation. Dans la partie conception préliminaire, le choix d’une structure mécanique classique repose sur le principe « azimut-élévation ». 5.1 Motorisation de l’élévation Un choix préliminaire adapté du vérin, doit se faire en fonction des paramètres de la motorisation et de l’élévation à savoir (effort max et moyen sur le vérin, course de la tige du vérin, etc..). Conversion Elec- trique/Méc Elec- trique/Elec trique Comparateur Régulateur Consigne GEMMA (Cycle marche/arrêt) Norme (sécurité personnel, CEM) Charge de vent Energie électrique IP. Sécurité du matériel (agitions, météo, etc.) Chaine méca- nique fixe Connaissance Produit international Vitesse Courant
  68. 68. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 68 Figure 28 – Schéma des efforts Voici tout d’abord les efforts agissants sur la structure d’élévation :  Effort de vent.  Gravite de panneau et le châssis.  Effort de la bielle.  Effort du vérin. L’effort exercé par la bielle est produit par le vérin. Le couple produit par l’effort exercé par la bielle dépend essentiellement de la distance entre l’axe d’élévation et la bielle. La gravité étant sur le même axe de l’azimut, donc son couple est nulle. Le couple fournie par l’effort du vent dépend de l’angle entre le panneau et l’axe horizontal. Au cours d’un fonctionnement dynamique, lorsque le panneau tourne (accélération ou décé- lération) par rapport l’axe d’élévation, il faut prendre en compte le moment d’inertie. Gravité Effort de bielle Effort de vérin Effort de vent
  69. 69. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 69 5.1.1 Hypothèses  Hypothèses sur le vent - Direction de vent Afin d’estimer l’effort du vent sur le panneau, il faut supposer une direction de vent ainsi qu’une vitesse constante pour simplifier le calcul. Donc, on suppose que la direction de vent est toujours normale aux panneaux, bien que quand le panneau tourne par rapport l’axe d’élévation. Cette hypothèse est défavorable car elle permet d’avoir une marge de sécurité concernant l’effort du vérin. Comme indiqué dans le graphe ci-dessous, l’effort du vent est uniformément distribué sur la moitié de la face supé- rieure du panneau: Figure 29 – Schéma d’effort uniforme de vent - Vitesse de vent maximum Pour estimer la valeur exacte de l’effort du vent, la vitesse est supposée constante. D’après le cahier de charge, le vérin doit fournir un grand effort pour mettre le panneau en position de sécurité lorsque la vitesse du vent dépasse 100km/h. Sachant que la mise en position de sécurité du panneau nécessite 30 secondes, on suppose qu’on est dans le cas le plus défavorable , c’est-à-dire une vitesse du vent atteignant 130km/h pendant ces 30 se- condes. Par conséquent, la vitesse du vent maximale pour calculer l’effort maxi de vérin est égale a 130km/h. Effort de vent
  70. 70. Réalisation d’un tracker solaire Projet Mécatronique intégrée Page 70 - Vitesse de vent moyenne annuelle La vitesse du vent est variable et impact beaucoup sur l’énergie consommé par le vérin. Donc pour estimer l’énergie consommée annuelle par le vérin, il faut tout d’abord supposer une vitesse de vent moyenne annuelle. Voici la carte des vitesses moyennes annuelles des vents au Maroc et plus précisément à Ouarzazate : Figure 30 – Carte des vents du Maroc D’après la carte ci-dessus, la vitesse moyenne annuelle des vents à Ouarzazate est entre 3 et 4 m/s, soit environ 10km/h.  Hypothèses sur le panneau La détermination du moment d’inertie du panneau est indispensable pour le calcul de l’effort maximum du vérin et l’énergie annuelle consommée de la motorisation de l’élévation. Chaque tracker comporte quatre sous-panneaux de modules avec les dimensions suivantes : Longueur=20,4 m Hauteur= 1,05 m Epaisseur= 1 m Poids total = 6 Tonnes. Ouarzazat

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