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Héliotropisme et

panneau solaire

Epreuve de TIPE /31

« Surfaces » V4.3 23 mai 2010

Années 2009-2010 Emmanuel CHAMBON

Optimisation du rendement d’un

panneau solaire par

héliotropisme

CHAMBON EMMANUEL PSI*

ANNEE 2009-2010

EPREUVE DE TIPE

SUJET : SURFACES

Héliotropisme et

panneau solaire

Epreuve de TIPE /31



1. INTRODUCTION ....................................................................................................... 3

2. L’ENERGIE SOLAIRE ............................................................................................. 3

2.1 LES ENJEUX DU SOLAIRE EN QUELQUES CHIFFRES ............................................................. 3

2.2 L’HELIOTROPISME ......................................................................................................................... 5

2.3 SOLUTIONS TECHNIQUES ENVISAGEES. .................................................................................. 5

3. THEORIE : L’EFFET PHOTOVOLTAÏQUE ........................................................ 6

3.1 LA PHOTOPILE ................................................................................................................................ 6

3.2 LE SEMI-CONDUCTEUR ................................................................................................................ 7

3.3 LE DOPAGE ...................................................................................................................................... 7

3.4 LA JONCTION PN ............................................................................................................................ 8

3.5 L’UTILITE THEORIQUE DE L’ORIENTATION ............................................................................ 8

4. MISE EN ŒUVRE DE L’HELIOTROPISME ........................................................ 9

4.1 POSITIONNEMENT OPTIMAL DES PANNEAUX SOLAIRES FIXES ........................................ 9

4.2 OBJECTIFS DU SYSTEME .............................................................................................................. 9

4.3 PRESENTATION DU MECANISME ............................................................................................... 9 4.3.1 Aspect mécanique ................................................................................................................................... 9 4.3.2 Aspect électronique ............................................................................................................................... 11 4.3.3 Un peu d’astronomie ............................................................................................................................. 13 4.3.4 Programmation ...................................................................................................................................... 15 4.3.5 Mathématiques … ................................................................................................................................. 16 4.3.6 Améliorations possibles ........................................................................................................................ 18

4.4 MESURES ET RESULTATS .......................................................................................................... 18 4.4.1 Premières mesures expérimentales ........................................................................................................ 18 4.4.2 Conditions des mesures ......................................................................................................................... 20 4.4.3 Ce que l’on mesuré ................................................................................................................................ 23 4.4.4 Récapitulatif des résultats ..................................................................................................................... 23

4.5 CONCLUSIONS .............................................................................................................................. 27

5. APPLICATIONS PRATIQUES .............................................................................. 27

5.1 APPLICATIONS DE LA SOLUTION ENVISAGEE ..................................................................... 27

5.2 EXEMPLES D’APPLICATIONS DE L’HELIOTROPISME .......................................................... 28 5.2.1 La centrale solaire à concentration d’Almeria ...................................................................................... 28 5.2.2 Le Four solaire de Font-Romeu............................................................................................................. 29

6. REMERCIEMENTS ................................................................................................. 30

BIBLIOGRAPHIE – REFERENCES ......................................................................... 31

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1. INTRODUCTION

Avec la réflexion sur le réchauffement climatique, les énergies renouvelables sont devenues des

domaines d’étude privilégiés. Le solaire fait partie de ces énergies remises récemment au goût du jour. En

effet, la théorie liée au photovoltaïque est ancienne puisqu’elle a été décrite par Hertz et Einstein au début

du XXème

siècle. Cependant, les applications sont plus récentes, notamment celles visant à optimiser le

rendement des panneaux solaires. Outre les progrès faits dans la synthèse du silicium nécessaire à la

fabrication des cellules solaires, de nombreuses méthodes permettent aujourd’hui de maximiser les

rendements d’un panneau et, à une plus grande échelle, d’une centrale solaire. Quelles sont ces techniques

et dans quelles mesures permettent-elles d’augmenter réellement la quantité d’énergie produite ?

Le but de cet exposé est de définir et d’étudier les techniques « suiveuses de soleil » ou

« héliotropes » et d’en exposer les avantages et inconvénients, à l’aide de l’expérience.

2. L’ENERGIE SOLAIRE

2.1 LES ENJEUX DU SOLAIRE EN QUELQUES CHIFFRES

La photosynthèse en est une illustration : il est possible d’exploiter l’énergie que nous fournissent

les rayons du soleil. L’énergie reçue en un point du globe est fonction de la latitude et de la réverbération

due aux conditions climatiques : nuage ou brouillard par exemple. Transmise par les ondes

électromagnétiques que nous recevons du soleil, cette énergie peut être captée, par les végétaux par

exemple, mais elle est en grande partie absorbée ou renvoyée vers l’espace.

Fig. II.1 : Energie incidente à la surface de la terre en kWh/m² par an (1)

L’énergie solaire est considérée comme inépuisable (compte tenu de la durée de vie du Soleil) et

n’émet potentiellement aucune particule nocive (fabrication des panneaux pour la capter et des batteries

pour la stocker mise à part). Elle est de plus disponible en grande quantité sur Terre, comme le montre le

tableau comparatif ci-dessous.

(Remarque : axe des abscisses en échelle logarithmique)

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Energie solaire reçue (2)

1,58 x 109 TWh soit 5,7 x 10

24 J

Electricité d’origine nucléaire (3)

2587 TWh soit 9,3 x 1018

J

Electricité consommée dans le monde (4)

16790 TWh soit 60,4 x 1018

J Fig. II.2 : Comparaison d’énergies « produites » ou consommées par an dans le monde et graphique

Surface de panneaux solaires (5)

140 x 106 m

2

Centrales nucléaires en activité (6)

441 Fig. II.3 : Comparaison des installations de production d’énergie solaire et nucléaire

Ainsi nous pouvons remarquer qu’en captant l’énergie solaire, les besoins mondiaux en électricité

seraient largement remplis. Cependant, de nombreuses limitations apparaissent. L’efficacité des panneaux

solaires est limitée par nos méthodes de fabrication.

Ainsi, le rendement électrique maximal est de 15% pour des panneaux conventionnels (7)

. (Il est

possible d’atteindre 25% de rendement électrique mais avec des panneaux très onéreux, utilisés dans le

domaine spatial).

La définition du rendement utilisée est la suivante :

P : puissance électrique générée (W)

E : puissance solaire surfacique reçue (W.m-2

)

S : surface du panneau solaire (m2)

Fig. II.4 : Définition du rendement pour un panneau solaire

De plus, le problème du stockage de l’énergie se pose, et celle-ci est souvent directement réinjectée

dans le réseau national (ex. en France). Enfin, comme ceci a été évoqué précédemment, le solaire est un

secteur qui reste onéreux : environ 680€ le mètre carré de panneau (posé avec onduleur et accessoires) pour

une qualité moyenne (silicium amorphe ( ) et/ou monocristallin ( )), ce qui le défavorise

face à la concurrence d’autres énergies, comme le montre la figure ci-dessous.

Renvoi n°1

Fig. II.5 : origine de l’énergie primaire consommée par un homme (monde et Europe), en moyenne, en kep/j : kilogramme équivalent

pétrole par jour (8).

De cette étude ressort l’importance d’améliorer le rendement des installations solaires, pour

exploiter au mieux les ressources potentielles dont nous disposons. Pour améliorer ce rendement, nous

pouvons nous inspirer d’un phénomène naturel : l’héliotropisme.

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2.2 L’HELIOTROPISME

La définition officielle de l’héliotropisme est la suivante : « l'héliotropisme est, en botanique, un

mouvement diurne d'une partie de la plante en réponse au changement de direction du soleil. » Ce

phénomène permet à la plante d’orienter en permanence les cellules où a lieu la photosynthèse en direction

des rayons du soleil et donc d’augmenter ses apports en énergie. Dans le cadre des plantes, c’est une

hormone végétale, l’auxine (entre autres), qui, en migrant dans les zones de la plante orientée à l’ombre,

« gonfle » les cellules qui s’y trouvent, entraînant une torsion de la plante.

Fig. II.6 : schéma simplifié expliquant le principe de l’héliotropisme végétal

Il s’agit désormais d’appliquer ce principe de l’héliotropisme pour les panneaux solaires dans le

même but : augmenter le temps d’éclairage chaque jour afin d’accroître la production journalière

d’électricité.

2.3 SOLUTIONS TECHNIQUES ENVISAGEES.

Nous avons envisagé différentes possibilités afin de réaliser un héliotropisme « automatique », donc

un asservissement en orientation d’un panneau solaire.

L’une des solutions envisagées est le suivi du soleil en utilisant l’équation de sa trajectoire dans un

référentiel adapté. Elle présente entre autres l’avantage de ne pas dépendre des conditions extérieures

d’éclairement et elle décrit de manière très juste le parcours du soleil dans le ciel en fonction du jour de

l’année.

Fig. II.7 : Courbes de la hauteur angulaire du soleil en fonction de la hauteur du jour, à différentes périodes de l’année, à une latitude

fixée. En bleu foncé, le 21 décembre, en rouge, le 21 juin.

L’autre solution envisageable est un asservissement à l’aide d’une photorésistance, qui détecte la

position dans laquelle le panneau solaire est le mieux éclairé. Cette solution a pour avantage majeur de

pouvoir être mise en œuvre sans programmation ni calcul. Son désavantage est qu’elle est soumise aux

conditions climatiques. Un ensoleillement diffus à cause d’une couverture nuageuse peut alors devenir très

énergivore, la cellule tentant en permanence de trouver le maximum d’intensité lumineuse.

Lumière

Pied de plante Migration d’auxine

Hauteur angulaire du

soleil (°)

Heure du jour

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Fig. II.8 : Aperçu d’une photorésistance (8)

La dernière solution envisageable est la combinaison de ces deux solutions. Ainsi, le réglage

grossier peut être effectué à l’aide du calculateur (notamment pour se placer rapidement à la bonne position

au lever du soleil) et le réglage fin grâce à la photorésistance. C’est cette dernière solution qui a été mise en

œuvre.

Il existe ainsi plusieurs manières de copier les plantes dans leur recherche du maximum

d’ensoleillement.

3. THEORIE : L’EFFET PHOTOVOLTAÏQUE

3.1 LA PHOTOPILE Renvoi n°3

La photopile est l’élément du panneau solaire qui lui permet de récupérer l’énergie des rayons du

soleil. Elle met en œuvre un matériau très utilisé dans la micro-électronique, à savoir le silicium.

Fig. III.1 Constitution générale d’une photopile (ici au silicium cristallin) (9)

Les deux types de silicium employés correspondent à des types de « dopage » différents (voir

jonction PN ci-après). La grille (côté exposé au soleil) et l’électrode métalliques disposées de part et d’autre

assurent le transfert de l’électricité générée.

Remarque : l’aspect bleuté des photopiles vient du fait qu’elles sont enduites d’un verni destiné à

augmenter leur rendement.

Voici plus en détail la succession des couches dans une photopile (ici au silicium amorphe).

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Fig. III.2 Succession des couches dans une photopile au silicium amorphe (9)

Les deux électrodes métalliques sont les bornes du dipôle. La couche « i » est une interface qui

sépare deux milieux de dopages différents.

3.2 LE SEMI-CONDUCTEUR

La photopile est une application de la jonction PN (voir ci-après). A la base d’une jonction PN, il y a

les matériaux semi-conducteurs, qui ont une résistivité intermédiaire entre celle des matériaux conducteurs

(métaux tels que le cuivre, utilisé pour les connexions dans un circuit) et celle des isolants (gaine plastique

d’un câble électrique). Les semi-conducteurs sont généralement des cristaux (très souvent le silicium ou le

germanium). Les atomes au sein d’un semi-conducteur sont donc liés par des liaisons covalentes et non

métalliques. Comment l’électricité peut-elle donc circuler dans un tel matériau ?

Fig. III.3 : Schéma simplifié des liaisons entre atomes dans un semi-conducteur (10)

Sous l’effet de phénomènes physiques (élévation de la température, apport d’énergie par un photon

par exemple), il arrive qu’un électron de valence (chaque atome de silicium en possède 4) d’un atome de

silicium acquière suffisamment d’énergie pour passer dans ce que l’on appelle la bande de conduction. En

temps normal, les électrons ne disposent pas de suffisamment d’énergie pour se libérer de l’influence de

noyau et restent donc sur des orbites stables.

3.3 LE DOPAGE

L’objectif est d’augmenter le nombre de « trous » afin d’augmenter la conductivité du matériau.

Pour ce faire, il suffit de rajouter des impuretés dans le silicium. Ainsi, en ajoutant des atomes

d’aluminium, on rajoute des atomes qui possèdent moins d’atomes de valence que le silicium, et qui jouent

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donc le rôle de formeurs de « trous ». Ensuite, un atome d’aluminium va recevoir des électrons de la part

des atomes de silicium qui l’entourent et le « trou » va se déplacer, assurant l’apparition d’un courant.

En réalité, il existe deux types de dopages : le dopage P (positif) qui consiste à rajouter des trous

(donc par exemple des atomes d’aluminium) et le dopage N (négatif) qui consiste à rajouter des électrons

libres par l’intermédiaire d’atomes possédant plus d’électrons de valence que le silicium.

La jonction PN utilise ces deux types de dopages, comme l’indique son nom …

Fig. III.4 : Schéma simplifié d’un semi-conducteur dopé P (10)

3.4 LA JONCTION PN

La jonction PN est un élément essentiel de constitution des composants électroniques (diode,

transistor). Dans le cas d’une photopile, la jonction PN sert à créer une différence de potentiel et donc un

courant.

Heurté par un photon d’énergie : , un électron de valence dépasse le seuil d’énergie

nécessaire pour se libérer de son noyau, il devient un électron libre. Parallèlement à l’électron libre se forme

un « trou » qui peut se déplacer de proche en proche. Il peut ainsi participer à l’établissement d’un courant

électrique car une différence de potentiel apparaît lors de son déplacement.

Fig. III.5 : La jonction PN pour une cellule photovoltaïque (10)

k : cathode

a : anode

j : interface entre P et N

ph : photon

Remarque : pour le silicium cristallin, l’énergie nécessaire pour faire passer un électron de la bande de

valence à la bande de conduction est de 1,1 ev.

3.5 L’UTILITE THEORIQUE DE L’ORIENTATION

De cette étude théorique, il ressort que la puissance électrique obtenue à partir d’un panneau solaire

dépend directement de l’énergie que lui apportent les photons grâce à la jonction PN des photopiles. On en

déduit donc qu’une action sur l’orientation d’un panneau solaire permet de maximiser à tout instant de la

journée le nombre de photons qui heurtent la surface du panneau et participent à l’apparition d’un courant.

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4. MISE EN ŒUVRE DE L’HELIOTROPISME

4.1 POSITIONNEMENT OPTIMAL DES PANNEAUX SOLAIRES FIXES

Les installateurs de panneaux solaires sur toit disposent de normes pour améliorer le rendement des

panneaux solaires fixes. Ces dispositions sont différentes selon les pays. En France, les normes sont les

suivantes : on dispose le plus souvent les panneaux en direction du Sud et avec une inclinaison égale à la

latitude du lieu à laquelle on ajoute 10° (angle mesuré par rapport à la verticale du lieu).

Ex. : A Saint-Etienne, la latitude est de 45° 26′ 05″ Nord. On placera donc de façon optimale les

panneaux avec l’inclinaison suivante : 55° 26’ 05’’.

Fig. IV.1 : schéma de l’orientation optimale pour un panneau solaire fixe (12)

4.2 OBJECTIFS DU SYSTEME

Comme évoqué plus haut, le système à concevoir doit permettre de comparer l’énergie électrique

fournie par un système fixe et un système suiveur du soleil. La solution retenue pour le système suiveur est

basée sur les équations de l’astronomie permettant de connaître la position du soleil à un moment donné de

l’année. Un montage avec des photorésistances permet ensuite de positionner précisément le panneau.

4.3 PRESENTATION DU MECANISME

4.3.1 ASPECT MECANIQUE Renvoi n°4

Le panneau solaire est monté sur support inclinable lui-même fixé sur un pied tournant autour d’un

axe vertical.

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Fig. IV.2 : aperçu général du système

Deux motoréducteurs sont nécessaires pour orienter l’ensemble :

Un motoréducteur entraîne une courroie crantée pour l’orientation en azimut

Fig. IV.3 : aperçu du motoréducteur entraînant le plateau en rotation

Un autre motoréducteur entraîne une vis qui joue le rôle de « vérin mécanique » pour l’orientation

en hauteur.

Courroie

Plateau tournant

Motoréducteur

Panneau solaire

Plateau tournant

Réglage d’inclinaison

« Calculateur »

Capteur à cellules photoélectriques

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Fig. IV.4 : aperçu du système « Vérin » mécanique.

4.3.2 ASPECT ELECTRONIQUE

Le cœur du dispositif électronique est un module PICBASIC-3B qui gère des entrées et sorties TOR

(tout ou rien) et analogiques. Ces entrées et sorties sont de niveau 0-5V. Les moteurs sont alimentés à partir

de la batterie 12V. Les interfaces sont constituées d’amplificateurs « en H » à base de transistors « mosfets »

pour commander les moteurs.

Fig. IV.5 : aperçu de l’interface permettant de communiquer avec le PICBASIC-3B

Motoréducteur

Vis

« Vérin » mécanique

Batterie

Boutons de sélection

Date / Heure / Vitesse CPU

Position actuelle : azimut / hauteur (consigne/réelle)

Tension / Puissance panneau / Tempo

Jours depuis le printemps / Consigne azimut /

Hauteur du Soleil à midi

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Fig. IV.6 : aperçu de la plaque « composants électroniques »

Des microrupteurs mécaniques limitent les débattements du plateau et du vérin en coupant et en

freinant le moteur lorsqu’on arrive en fin de course.

Pour repérer les positions du plateau et du vérin, on utilise deux capteurs de type fourches

optoélectroniques disposées à cheval sur un codeur à secteur « gradué » en degré (un secteur noir ou blanc

représentant 1°).

Fig. IV.7 : aperçu de deux des quatre microrupteurs et d’une des deux fourches optoélectroniques

Pour une deuxième solution technique nous avons rajouté un petit module doté de quatre

photorésistances, deux pour chaque axe de rotation. Elles sont montées en diviseur de tension et un

comparateur permet de mettre en fonction les moteurs jusqu’à obtenir une égalité de tension aux bornes de

ces photorésistances.

Les « miroirs » permettent d’obtenir un mouvement même en étant très éloigné de la position

optimale, en concentrant la lumière diffuse sur la photorésistance. Notre montage devient complètement

autonome en cas de fonctionnement uniquement avec ce capteur.

Module PICBASIC-3B

Connexion module de puissance

Horloge et son supercondensateur

Fourche optoélectronique

Secteur gradué

Microrupteur

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Fig IV.8 : aperçu du module « capteur photoélectrique » pour la correction de la position du panneau

4.3.3 UN PEU D’ASTRONOMIE

Pour programmer notre module, nous nous sommes servis des équations donnant la position du

Soleil dans le ciel, quel que soit le jour de l’année.

Pour repérer le soleil dans le ciel, on doit d’abord définir par rapport à quoi on le repère. Le plus

simple est de le faire par rapport à un plan horizontal au point où on se situe, et tangent à la Terre.

Fig. IV.8 : course apparente du soleil par rapport au plan horizontal du lieu (13)

On utilise ensuite :

La déclinaison : c’est l'angle que forme le rayon vecteur Terre-Soleil avec le plan équatorial de la

terre. On la calcule avec :

Dec = arcsin(0,3978 x sin(va x (j - (81 - 2 x sin(va° x (j - 2))))))

(où va est la vitesse angulaire moyenne de rotation de la Terre en °/jour, va = 360 / 365,25

et j est le numéro d'ordre du jour dans l'année (1 pour le 1er janvier))

Cet outil mathématique est utilisé pour les formules suivantes.

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L’angle horaire : c’est l’heure solaire, convertie en degrés. A midi, l’angle horaire est nul. On le

calcule selon :

Ah = 180 x (tSV / 12 – 1)

(où tsv est le temps solaire vrai c’est-à-dire l’heure GMT)

La hauteur (h) : c’est l’angle entre le rayon vecteur Terre-Soleil et le plan horizontal du lieu.

On la calcule avec la formule :

h = arcsin(sin(Lat) x sin(Dec) + cos(Lat) x cos(Dec) x cos(Ah))

(où “Lat” est la latitude du lieu)

L’azimut (a) : c’est l’angle entre la projection du rayon vecteur sur le plan horizontal et l’axe NS

(dirigé en direction de S) d’une rose des vents.

On le calcule en effectuant :

a = arcsin((cos(Dec) x sin(Ah)) / cos(h))

Cependant ces équations nécessitent d’être corrigées en raison des irrégularités du mouvement de la Terre.

Elles le sont par l’intermédiaire de « l’équation du temps » qui donne la différence entre le temps solaire

moyen (ou « officiel ») et le temps solaire vrai (celui du soleil). On va donc modifier le temps solaire vrai

dans les équations précédentes.

Ces irrégularités sont en fait dues à des particularités de l’orbite terrestre : elle n’est pas parfaitement

circulaire (mais elliptique) et l’axe de rotation de la Terre est incliné.

Le graphique ci-dessous montre différentes courbes :

- la courbe verte est l'obliquité de la terre qui est donc due à l'inclinaison de son axe

- la courbe bleue est l'ellipticité de la terre due à l'excentricité de son orbite

- la courbe rouge est l'équation du temps qui résulte de la somme de l'oblicité et de l'ellipticité

Fig. IV.9 : la correction apportée par l’équation du temps (13)

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Formules de calcul de l'équation du temps :

Ellipticité (courbe bleue) :

C = (1,9148 x sin(357,5291 + 0,98560028 + j) + 0,02 x sin(2 x (357,5291 + 0,98560028 x j)) + 0,0003 x

sin(3 x (357,5291+0,98560028 x j))) x 4

Obliquité (courbe verte) :

O = (-2,468 x sin(2 x (280,4665 + 0,98564736 x j)) + 0,053 x sin(4 x (280,4665 + 0,98564736 x j)) -

0,0014 x sin(6 x (280,4665 + 0,98564736 x j)) x 4

Equation du temps (courbe rouge) :

E = C + O

Bien entendu, nous avons simplifié ces formules à partir de tables de valeurs pour pouvoir les utiliser dans

notre système (voir parties Programmation et Mathématiques).

4.3.4 PROGRAMMATION

Pour effectuer les calculs et coordonner les moteurs, nous nous sommes servis du module Picbasic-

3B de Lextronic.

Caractéristiques techniques du module :

Mémoire programme : 4 Ko.

RAM (mémoire vive) : 79 octets.

Nombre d’entrées/sorties : 18

Langage de programmation : PICBASIC.

Fig. IV.10 : le module Picbasic-3B (14)

Nous ne nous pencherons pas outre mesure sur la programmation en PICBASIC, qui n’aurait pas sa place

dans un tel TIPE. Voici seulement un extrait du programme (qui dépasse 1000 lignes …) :

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Fig. IV.11 : une fenêtre de code (15)

Un des gros problèmes à surmonter a été de ne pas dépasser les limites de calcul offertes par le

PICBASIC-3B. Le module ne permet en effet d’utiliser que des nombres entiers de 0 à 65535 (type Integer)

et ne gère que les opérations élémentaires (+, -, *, /). Il a donc fallu approcher les fonctions donnant la

position du Soleil (et contenant des fonctions sinusoïdales) par des fonctions polynomiales. (Voir plus bas

au paragraphe « Mathématiques »).

4.3.5 MATHEMATIQUES …

En raison des limitations du PICBASIC-3B énoncées ci-dessus, il a été nécessaire de simplifier les

équations permettant de suivre le soleil. Par exemple, pour l’inclinaison du panneau, le calcul est

décomposé en deux étapes : calcul de la hauteur du soleil à midi puis calcul de la hauteur à l’instant t.

La courbe de la hauteur du soleil à midi a été approchée par deux polynômes du second degré

interpolés à partir de deux dates : 21 Décembre et 21 Juin (solstices). Les approximations sont fonctions de

la latitude (comme l’est la hauteur du soleil par exemple).

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Fig. IV.12 : courbes exacte et approchée de la hauteur du soleil à midi (à une latitude donnée)

Pour le calcul de la hauteur à un instant donné, on applique la même méthode (maximum de la

courbe), avec une seule parabole. On notera qu’il est inutile de chercher la hauteur du soleil pendant la nuit.

Fig. IV.13 : courbe de la hauteur journalière du soleil au 21 juin 2010.

On précisera que l’erreur est maximale pour ce jour (ainsi que pour le 21 décembre).

Ici apparaissent les limites du module PICBASIC-3B.

En conclusion de cette partie mathématique, on peut dire qu’un processeur plus puissant serait sans

doute plus adapté pour notre solution.

Dans son livre Astronomical algorithms de Jean Meeus propose aussi la méthode

d’interpolation utilisant les polynômes de Lagrange : connaissant 3 valeurs d’une fonction (par exemple la

fonction « hauteur du soleil ») on peut ainsi obtenir une valeur approchée assez précise de cette fonction

pour tout instant de la journée. Là aussi, cette méthode requiert un processeur capable au moins de calculer

ces trois valeurs (ce qui fait intervenir des fonctions trigonométriques).

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4.3.6 AMELIORATIONS POSSIBLES

Indéniablement, et comme tout système électronique, notre montage peut être amélioré. En installant

un module de calcul plus puissant, la précision dans le positionnement peut être augmentée. Notamment, la

possibilité de communiquer avec le module PICBASIC-3B via une interface avec un ordinateur peut

permettre d’effectuer les calculs sur l’ordinateur puis d’envoyer les informations de positionnement au

PICBASIC. Cette solution n’a pas été mise en place sur notre système.

Une autre solution pour parfaire notre système a été d’installer un module de correction

automatique : le calculateur positionne grossièrement le panneau dans la direction proposée par les

équations du Soleil puis une photorésistance entre en action pour positionner plus finement le système dans

la direction de l’intensité lumineuse maximale. Au moment de la rédaction de ce dossier, ce système a été

installé sur notre montage avec succès.

4.4 MESURES ET RESULTATS

4.4.1 PREMIERES MESURES EXPERIMENTALES Renvoi n°2

Avant de nous lancer dans la fabrication d’un montage suiveur du soleil, nous avons réalisé une

expérience assez concluante permettant de comparer l’énergie récupérée dans le cas d’un panneau solaire

fixe et dans celui d’un panneau solaire mobile.

Les conditions de l’expérience ont été les suivantes :

Date : 4 août 2009

Lieu : Orléans. Longitude : 47° 54′ 09″ Nord. Latitude : 1° 54′ 32″ Est.

Panneau solaire : silicium amorphe, 5W en puissance nominale, 0.13 m² de surface, utilisé

alternativement pour le panneau fixe et le panneau virtuellement mobile.

Mesure : puissance électrique fournie.

Remarques particulières : changement de position effectué en cours de journée en raison

d’obstacles cachant le soleil. Conditions météorologiques : soleil avec passages nuageux brefs

(quelques rares cumulus).

Principe : Un calcul est effectué pour déterminer la position angulaire du soleil (azimut et

altitude) à l’aide de formules fournies par l’IMCCE (14)

.

Fig. IV.12 : aperçu de l’interface de calcul des coordonnées solaires (calculatrice graphique)

Le panneau est alors orienté à l’aide d’un « compas » soumis à la gravité. On corrige si besoin

l’orientation à l’aide d’une cible fonctionnant sur le principe des cadrans solaires. Une première mesure est

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alors effectuée. On repositionne alors le panneau en orientation Sud et avec une inclinaison de 60° par

rapport à l’horizontale (position fixe de référence, voir plus haut). Tracé d’une courbe permettant de

comparer les résultats.

Fig. IV.13 : le panneau expérimental en action

Pendant la mesure, le panneau solaire charge une batterie avec un limiteur de tension : conditions

normales d’utilisation d’un tel panneau.

Fig. IV.14 : photographie de l’interface de mesure

Les résultats obtenus sont plutôt prometteurs :

Fig. IV.15 : courbes de la puissance fournie en fonction de l’heure de la journée, pour deux configurations différentes

« Cible » de correction

Panneau solaire

« Compas »

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En effet, les premières conclusions sont les suivantes :

Moyennes sur la durée de l’expérience :

<Pfixe> = 2,37 W

<Psuiveur> = 4,08 W

Gain moyen obtenu :

Il est donc décidé de créer un montage suivant automatiquement le soleil afin d’automatiser les

mesures et de comparer plus précisément les deux configurations. Les résultats qui suivent ont été obtenus

grâce à ce montage.

4.4.2 CONDITIONS DES MESURES Renvoi n°5

Deux séries de mesures ont été effectuées. Celles-ci se sont déroulées dans la commune de Saint-

Genest-Malifaux, voisine de Saint-Etienne, et dont les coordonnées géographiques sont les suivantes :

Latitude : 45° 20′ 27″ Nord

Longitude : 4° 25′ 14″ Est

Altitude : 1000 m

Pour le déroulement des mesures, nous avons utilisé le montage dans 3 situations successives :

- Position fixe

- Position calculée

- Positionnement automatique avec les résistances photoélectriques

Chaque mesure dure environ 2 minutes (le moteur de réglage d’inclinaison étant fortement

démultiplié par la vis sans fin) au cours de laquelle le panneau est soumis aux trois « asservissements »

décrits précédemment. Une mesure est effectuée toutes les 4 minutes.

Au cours de chaque mesure, on prélève l’intensité générée dans le circuit {panneau solaire –

batterie} ainsi que la tension aux bornes de la batterie, grâce aux entrées analogiques du PICBASIC-3B (par

l’intermédiaire d’une liaison série de type RS-232). Grâce à ce dernier, on peut alors calculer la puissance

électrique générée par le panneau. Les résultats sont communiqués à l’ordinateur grâce à une interface.

Fig. IV.16 – Ordinateur utilisé au cours de la mesure et installation du panneau

Héliotropisme et

panneau solaire

Epreuve de TIPE /31



Un programme fourni par Mr Chambon convertit alors ces données en fichier csv, directement

utilisable par un tableur informatique.

Fig. IV.17 – Capture d’écran de l’interface informatique de communication ordinateur – PICBASIC

Fig. IV.18 – Aperçu du fichier .csv récapitulant les résultats des mesures

Un second tableur permet d’obtenir les courbes et de calculer l’énergie fournie par le panneau au

cours de l’expérience.

Voici en détail le déroulement des deux séries de mesures qui ont été effectuées :

a) Première expérience : Mercredi 19 Mai 2010

Durée : environ 9 heures, de 6h30 GMT (soit 8h30 locale) à 15h20 GMT (17h20)

On considèrera l’heure GMT dans la suite.

Conditions météorologiques et remarques :

Héliotropisme et

panneau solaire

Epreuve de TIPE /31



Globalement, les conditions météorologiques ont été assez irrégulières (en raison du vent) avec

passages nuageux fréquents (nature des nuages : cumulus), ce qui explique les fortes variations de puissance

fournie observées. Ces conditions restent cependant des conditions d’utilisation tout à fait envisageables

pour un panneau solaire.

Heure de début Heure de fin Conditions météorologiques

6h30 7h30 Ciel bleu

7h30 8h Légers passages nuageux (cumulus)

8h 8h20 Passages nuageux (cumulus), ensoleillement irrégulier

8h20 9h Nuageux

9h 12h30 Ensoleillé avec passages nuageux

12h30 13h40 Nuageux

13h40 13h40 Déplacement du support panneau pour éviter les ombres

dues aux constructions alentour

13h40 15h20 Nuageux Fig. IV.19 – Tableau récapitulatif des conditions météorologiques (heure GMT)

Fig. IV.20 – Images des conditions météorologiques

b) Deuxième expérience : Samedi 22 Mai 2010

Durée : environ 10 heures, de 6h20 GMT (soit 8h20 locale) à 16h30 GMT (18h30)

Conditions météorologiques et remarques :

Vent quasiment absent, ce qui explique un temps plus stable avec ensoleillement et passages

nuageux de plus grande durée.

Heure de début Heure de fin Conditions météorologiques

6h20 6h30 Léger brouillard à l’horizon, ensoleillement moyen avec

passages nuageux

6h30 6h50 Ensoleillé (légèrement couvert à l’horizon)

6h50 7h20 Légère couverture nuageuse

7h20 9h50 Ensoleillé

9h50 10h30 Légèrement couvert

10h30 12h30 Nuageux

Héliotropisme et

panneau solaire

Epreuve de TIPE /31



12h30 14h Légers passages nuageux

14h 16h30 Ensoleillé Fig. IV.21 – Tableau récapitulatif des conditions météorologiques (heure GMT)

Fig. IV.22 : conditions météorologiques à différents instants de la journée

4.4.3 CE QUE L’ON MESURE

Comme expliqué ci-dessous, le PICBASIC mesure l’intensité circulant dans le circuit relié au

panneau, ainsi que la tension aux bornes de la batterie faisant partie du module (et l’alimentant par le même

temps). Ainsi, le PICBASIC renvoie la puissance électrique fournie à la batterie (par le panneau), dans les

trois modes de fonctionnement envisagés. Il renvoie aussi l’azimut et la hauteur du soleil calculés (donc

théoriques) ainsi que l’azimut et l’inclinaison du panneau obtenus lors du réglage grâce aux résistances

photoélectriques.

Fig. IV.23 – Détail du fichier .csv obtenu après communication avec l’ordinateur

Légende : voir ci-dessous

Une fois ces résultats obtenus, on calcule l’énergie apportée au système en considérant que pour

chaque intervalle de 4 minutes, l’énergie apportée est constante.

4.4.4 RECAPITULATIF DES RESULTATS Renvoi n°6

Avant tout, voici la légende utilisée dans la suite du paragraphe :

Héliotropisme et

panneau solaire

Epreuve de TIPE /31



AZI : azimut calculé au moyen des équations fournies par l’IMCCE (en °)

azi : azimut obtenu en utilisant les photorésistances (en °)

HAU : hauteur du soleil calculée (en °)

hau : inclinaison obtenue en utilisant les photorésistances (en °)

Volt : tension aux bornes de la batterie (12V) (en Volt)

Wfixe : puissance fournie en position fixe (rappel : orientation sud, inclinaison : latitude + 10°) (en W)

Wpos : puissance fournie en position calculée (formules de l’IMCCE) (en W)

Wphoto : puissance fournie en position obtenue grâce aux photorésistances (en W)

Whfix/2 : énergie fournie en position fixe (divisée par deux pour cause d’échelle) (en Wattheure)

Whpos/2 : énergie fournie en position calculée (idem) (en Wattheure)

Whphoto/2 : énergie fournie en position obtenue grâce aux photorésistances (idem) (en Wattheure)

(origine des temps précisée pour chaque expérience).

a) Première expérience

Voici donc les courbes obtenues pour la première expérience (origine des temps à t=6h31).

Courbes :

Fig. IV.24 : graphe des résultats de la journée

Interprétation :

Héliotropisme et

panneau solaire

Epreuve de TIPE /31



En considérant l’énergie apportée par le système, il apparaît clairement que les méthodes de suivi du

soleil sont bénéfiques. Ainsi, en fin d’expérience, le système suiveur a fourni une puissance de 2,84 W

(pour le système avec calcul), 2,8 W pour le système monté avec les photorésistances, et « seulement » 2,24

W pour le système fixe.

Récapitulatif des résultats :

Durée de l’expérience : 9h

Méthode Puissance apportée (en W) Gain

Fixe 2,24 -

Suivi par calcul 2,84 27%

Suivi automatique 2,80 25%

Indéniablement, le gain en puissance est important, et quasiment identique pour les deux méthodes

de suivi. L’avantage du suivi automatique se joue donc essentiellement sur la rapidité et la simplicité de

mise en œuvre et d’entretien. De plus, il est probable que les mesures aient été légèrement faussées lors de

passages nuageux. Pour remédier à cela, nous avons décidé d’apporter quelques corrections à ces mesures

en supprimant les dernières heures d’enregistrement (le temps était alors vraiment trop instable) ainsi que

des valeurs aberrantes (qui expliquent les variations importantes de puissances instantanées observées sur la

courbe précédente). On obtient une sorte de « simulation de beau temps » dont voici les résultats :

Courbes :

Fig. IV.25 – graphe des résultats simulés pour une journée ensoleillée


Durée de l’expérience : 6h30


Fixe 3,50 -



Héliotropisme et

panneau solaire

Epreuve de TIPE /31



Interprétation :

L’utilité du système de suivi avec les résistances photoélectriques apparaît surtout lors d’un temps

plus dégagé car le panneau se dirige vers le point le plus lumineux donc vers le soleil. En présence d’un

nuage, la puissance émise par le soleil est diffusée et la précision du positionnement intervient peu.

En utilisant la figure IV.22, il est d’ailleurs intéressant de noter les variations importantes de

l’azimut (et de la hauteur) pour la méthode de suivi avec résistances photoélectriques. En effet, lors du

passage d’un nuage devant le soleil, le point de plus grande luminosité se situe sur le bord du nuage et non

en l’endroit où se situe le soleil. Cette méthode de suivi semble donc constituer un moyen efficace

d’augmenter le rendement énergétique du panneau.

b) Deuxième expérience

Courbes :

(Les énergies fournies sont ici divisées par 3 par souci de lecture).

Courbes du 22/05/2010

0

45

90

135

180

225

270

315

6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00

de

gré

s (A

Zim

ut,

HA

ute

ur)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Wat

ts, V

olt

s

AZI azi HAU hau

Volt Wfix Wpos Wphoto

Whfix/3 Whpos/3 Whphoto/3

Fig. IV.26 – graphe des résultats pour la deuxième journée d’expériences

Interprétation :


Durée de l’expérience : 10h


Fixe 3,38 -



Héliotropisme et

panneau solaire

Epreuve de TIPE /31



Comme nous l’avons déjà mentionné dans les parties qui précèdent, on remarque que l’intérêt d’un

système suiveur demeure dans la possibilité d’emmagasiner de l’énergie à tout moment de la journée. Ainsi,

les courbes des énergies fournies évoluent de la même manière à proximité de midi solaire mais les deux

systèmes de suivi permettent d’emmagasiner davantage d’énergie, lorsque le soleil est éloigné de cette

position. Ce phénomène doit être accentué lorsque le soleil reste bas sur l’horizon (en hiver par exemple).

4.5 CONCLUSIONS

Pour conclure, nous pouvons donc affirmer qu’un système suiveur du soleil permet d’augmenter la

puissance fournie par le panneau de manière significative (gain de l’ordre de 30% pour une journée

ensoleillé).

Le système avec résistances photoélectriques constitue une solution entièrement

autonome, facile à mettre en œuvre (nous n’avons eu besoin d’aucun réglage particulier) et

qui apporte un gain en énergie intéressant, notamment aux heures de la journée les moins

ensoleillées.

5. APPLICATIONS PRATIQUES

5.1 APPLICATIONS DE LA SOLUTION ENVISAGEE

Il est peu probable qu’un particulier trouve dans ce système un moyen véritablement efficace

d’augmenter sa production. Notre solution nécessite en effet une place non négligeable en raison de la

rotation du panneau, de plus, l’environnement extérieur (jardin, mur de maison) peut, même avec une

rotation du panneau, limiter grandement la production. Le toit reste donc, pour un particulier, le meilleur

endroit pour installer un panneau : il reste en hauteur, en sécurité et selon une pente bien adaptée.

En revanche, pour une entreprise disposant d’un toit horizontal et de grande surface, cette solution

ne peut qu’être bénéfique (voir nos conclusions quant aux résultats obtenus). Bien entendu, une centrale

solaire se doit de présenter un tel mécanisme, bien que la façon de générer l’énergie soit quelque peu

différente : un fluide entraîne une turbine, comme dans les centrales électriques plus « conventionnelles » :

centrales thermiques ou nucléaires.

Dans ce cas, la solution des résistances photoélectriques est une bonne solution car elle rend le

système totalement indépendant, elle augmente la puissance récupérable de manière significative et elle

prend même en compte les diffusions lumineuses à cause de nuages par exemple. La solution de suivi grâce

aux équations du Soleil est elle aussi intéressante du point de vue de la puissance récupérée mais elle

nécessite des moyens de calculs suffisants (donc onéreux et nécessitant plus d’entretien), ce qui n’était pas

le cas pour notre module.

Héliotropisme et

panneau solaire

Epreuve de TIPE /31



Fig. V.1 : montage final de notre système suiveur du soleil

5.2 EXEMPLES D’APPLICATIONS DE L’HELIOTROPISME

5.2.1 LA CENTRALE SOLAIRE A CONCENTRATION D’ALMERIA

A la base, le principe de fonctionnement d’une centrale solaire à concentration est le même qu’une

centrale nucléaire : il repose sur la circulation d’un fluide caloporteur (sels fondus) qui, chauffé en un point

de la centrale, entraîne une turbine qui génère de l’électricité.

Dans le cas d’une centrale solaire à concentration, des héliostats (miroirs suivant le soleil, comme

dans notre expérience) réfléchissent les rayons du soleil vers le haut d’une tour. Cette tour est constituée

d’un matériau absorbeur de chaleur qui chauffe le fluide caloporteur. Celui cède ensuite sa chaleur à un

autre circuit contenant de l’eau qui se vaporise et entraîne une turbine.

Fig. V.2 : Schéma des transferts d’énergie dans une centrale à concentration

Le principe est donc très proche de celui d’une centrale conventionnelle, c’est la source de l’énergie

qui change.

Un exemple de centrale solaire à concentration (à tour) est celui de la centrale d’Almeria, en

Espagne :

Energie solaire

Héliostat

Tour et absorbeur

Fluide caloporteur

Eau

Turbine

Héliotropisme et

panneau solaire

Epreuve de TIPE /31



Fig. V.3 : La centrale solaire d’Almeria

Le désavantage majeur de ce type de centrale est qu’il ne peut fonctionner en continu pendant la

nuit. La recherche se penche aujourd’hui sur les moyens de stocker une partie de l’énergie produite pendant

le jour afin de la restituer pendant la nuit. Elle s’oriente vers des techniques à base de sels caloporteurs

capables de conserver de la chaleur et de la restituer une fois la nuit venue.

Dans tous les cas, cette solution s’appuie sur des techniques de suivi du soleil. Ici, le besoin de ce

suivi est encore plus grand car les miroirs participent directement dans la concentration des rayons sur une

petite surface, où ont lieu les échanges de chaleur.

5.2.2 LE FOUR SOLAIRE DE FONT-ROMEU

Ce four solaire est situé à Odeillo (près de Font-Romeu), dans le département des Pyrénées-

Orientales. Il fait partie d’un programme de recherche du CNRS qui a pour buts principaux :

- D’étudier la conversion de l’énergie solaire en chaleur ou électricité par exemple.

- D’élaborer des matériaux résistants aux très hautes températures et rechercher les manières de

protéger des matériaux naturellement peu résistants à la chaleur (domaine de recherche dans le

spatial par exemple avec les boucliers thermiques).

Fig. V.4 : Vue d’ensemble du site de Font-Romeu (11)

Cette expérience est basée sur le principe de l’héliostat : il s’agit de faire suivre la course du soleil à

des miroirs (il y en a 63 à Odeillo). Les rayons sont alors renvoyés sur un grand miroir en forme de parabole

(en raison des propriétés géométriques remarquables de cette forme), qui fait converger les rayons au niveau

du foyer.

Fig. V.5 : Schéma du principe du four solaire de Font-Romeu (11)

Les températures atteintes au foyer peuvent s’élever à plusieurs milliers de degrés Celsius (la

température maximale atteinte est de 3800°C).

Héliotropisme et

panneau solaire

Epreuve de TIPE /31



Fig. V.6 : Photo du foyer de la parabole (11)

Bien que le principe ne soit pas tout à fait le même que pour notre système, cette application montre

qu’il est possible de récupérer une bonne part de l’énergie fournie par les rayons du soleil. Ici, le rendement

est augmenté en utilisant les propriétés géométriques remarquables de la parabole. Une application

industrielle de cette méthode pourrait utiliser un système à base de vapeur entraînant une turbine.

6. REMERCIEMENTS

Je souhaiterais remercier tout spécialement les personnes suivantes, qui m’ont permis de m’aider

dans la réalisation de mon TIPE :

Monsieur Berthelot, professeur de SI au lycée « Aux Lazaristes » de Lyon, qui m’a très bien

conseillé tout au long de mes recherches.

Monsieur P. Rocher, Astronome à l’IMCCE (Institut de Mécanique Céleste et de Calcul des

Ephémérides) pour ses conseils précieux.

Monsieur L. Chambon, ingénieur, pour son aide à la réalisation du montage.

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panneau solaire

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BIBLIOGRAPHIE – REFERENCES

(1) INES, Institut national de l’énergie solaire.

(2) Energy conversion by photosynthetic organisms, FAO, 1997

(3) Ministère de l’économie, du développement et de l’aménagement durables, 2006

(4) Science et vie, Mai 2009, n°1100, P.48

(5) The present and future use of solar thermal energy as a primary source of energy, IEA (International Energy Agency), 2005.

(6) Cellules Solaires, les bases de l’énergie photovoltaïque, Anne Labouret, ETSF, 2005.

(7) ORMEE, Observatoire sur le relais médiatique des enjeux énergétiques.

(8) Site des élèves de classe MPI du lycée Michelet, Marseille.


(10) Site internet du radioamateur F5ZV.

(11) Photographie fournie par le CNRS.


(13) Site internet de Hervé Silve.

(14) Image récupérée depuis le site officiel de Lextronic.

(15) Le logiciel PICBASIC Studio est fourni avec le module PICBASIC-3B.

(16) IMCCE : institut de mécanique céleste et de calcul des éphémérides.

FIN DE DOCUMENT

optimisation du rendement d’unf1fwg.free.fr/document/heliotrope_v4.pdfmouvement diurne d'une...

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