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Année universitaire : 2020/
Filière Energies Renouvelables et Efficacité Energétique Sous le thème :
Réalisé par : Encadré par :
BOUKABBOUCHA Zaynab Pr.KRIRIM Said OUADA Fatima Zahra
Soutenu le 03/Juin/2020 devant la commission d’examen :
Pr.KRIRIM Said Enseignant-Chercheur, EST Guelmim
Examinateur
Pr.BOUMHAOUT Mustapha Enseignant-Chercheur, EST Guelmim
Examinateur
Nous dédions ce modeste travail A nos chers parents qui nous ont soutenus et encouragés durant ces années d’études, qu’ils trouvent ici le témoignage de notre profonde reconnaissance. A nos frères et sœurs et nos grands-parents et ceux qui ont partagé avec nous tous les moments d’émotion lors de la réalisation de ce travail. Ils nous ont chaleureusement supportés et encouragés tout au long de notre parcours. A nos familles, nos proches et à ceux qui nous donnent de l’amour et de la vivacité. A tous nos amis qui nous ont toujours encouragés. A tous ceux qu’on aime! Merci
Résumé Durant ces dernières années, il y a eu un intérêt considérable pour les énergies renouvelables et plus particulièrement l’énergie photovoltaïque. La consolidation de cette dernière avec le domaine d’automobile va créer une grande évolution dans le domaine des transports. Ce projet porte sur la réalisation d’un véhicule solaire, commandé à distance par Bluetooth, avec une analyse globale sur le principe de fonctionnement des panneaux photovoltaïques, et la conception détaillé du prototype réalisé. De plus, on a fait le dimensionnement et la réalisation d’un hacheur commandé par Arduino avec un système MPPT, afin de suivre le point de puissance optimale du module photovoltaïque, pour améliorer le rendement de notre système. Abstract During these years, there is an interest for the renewable energy, especially the solar energy. The consolidation of this field with the domain of automobile will create a big revolution in the forum of transports. This project comprises the realization of a solar vehicle controlled on distance by Bluetooth, with global analyses about the basic function of the solar panel, and a detailed conception about the prototype realized. Besides, the job realized in this project pivots around the optimal use of the solar energy for that reason we worked with the DC-DC converter, that’s why a study detailed was necessary of the structure of the converter, which is an intrinsic system depend a lot of parameter. ملخص مع ميدان السيارات في السنوات األخيرة أصبح االهتمام متزايدا بالطاقات المتجددة و خاصة الطاقة الشمسية. و دمج هذه األخيرة سيحدث تطورا كبيرا في مجال المواصالت. المشروع يدور حول تصميم وصنع سيارة شمسية يتحكم فيها عن بعد، و دراسة شاملة عن مبدا اشتغال األلواح الشمسية، إضافة إلى طرح تصور مفصل عن النموذج الذي قمنا بإنجازه. زيادة إلى اننا قمة بدراسة منظم سيالقصوى التي يمنحها اللوح الشمأجل البحت المتواصل عن الطاقة كهربائي من
PV Photovoltaïque
MPPT Dispositif de poursuite du point de puissance (Maximum Power Point Tracking)
P&O Perturbation et Observation
DC Courant continu (Direct current)
Isat Le courant de saturation
Ipv Le courant fourni par le panneau photovoltaïque
T La température
Rs La résistance série
Iph Le photo-courant de la cellule
Rsh La résistance shunt
Vpv La tension aux bornes du^ panneau photovoltaïque
- Figure 1:Premier véhicule solaire de l'histoire
- Figure 2:Le premier véhicule solaire pouvant transporter un être humain
- Figure 3:La structure de la voiture solaire
- Figure 4:Panneau photovoltaïque de la voiture solaire
- Figure 5:Le moteur électrique...............................................................................................
- Figure 6:Schéma de principe des panneaux photovoltaïques
- Figure 7:La cellule photovoltaïque
- Figure 8:Cellule au silicium mono cristallin
- Figure 9:Cellule au silicium poly cristallin
- Figure 10:Cellule au silicium amorphe
- Figure 11:Caractéristique résultante d'un groupement en série de ns cellules identiques
- Figure 12:Caractéristique résultante d'un groupement en parallèle de p cellules identiques
- Figure 13:Groupement mixte des cellules photovoltaïques
- Figure 14:La diode anti-parallèle (by-pass)............................................................................
- Figure 15:Diode anti-retour
- Figure 16:Les étapes de la fabrication d'un panneau photovoltaïque
- Figure 17:Constitution d'un atome
- Figure 18:Principe de dopage du silicium
- Figure 19:Schéma électrique équivalent de la cellule photovoltaïque
- Figure 20:Courbe I=f(V) d'un module photovoltaïque
- Figure 21:L'influence de l'éclairement sur la caractéristique I=f(V)
- Figure 22:L'influence de l'éclairement sur la caractéristique P=f(V)
- Figure 23:L'influence de la température sur la caractéristique I=f(V)
- Figure 24:L'influence de la température sur la caractéristique P=f(V)
- Figure 25:L'influence de la résistance série sur la caractéristique I=f(V)
- Figure 26:L'influence de la résistance shunt sur la caractéristique I=f(V)
- Figure 27:Schéma synoptique d'un système photovoltaïque avec MPPT
- Figure 28:Diagramme Bête à cornes de la voiture solaire
- Figure 29:Diagramme pieuvre de la voiture solaire
- Figure 30:Diagramme F.A.S.T de la voiture solaire
- Figure 31:Architecture du corps de la voiture solaire
- Figure 32:Emplacement du panneau solaire sur la voiture
- Figure 33:Schéma de commande par Bluetooth
- Figure 34:Simulation du montage de contrôle dans Proteus
- Figure 35:Programme de la commande par Bluetooth..........................................................
- Figure 36:Image de couverture du logiciel Proteus version 8.0
- Figure 37:Logo de l'application APP INVENTOR
- Figure 38:Les applications android de contrôle
- Figure 39:Application Android utilisée
- Figure 40:Symbole du hacheur
- Figure 41:Schéma équivalent à un hacheur série
- Figure 42:Schéma de principe du hacheur parallèle
- Figure 43:Dimensionnement de l'inductance
- Figure 44:Caractéristique de la puissance d'un module PV
- Figure 45:Algorithme Pet O de la commande MPPT..............................................................
- Figure 46:Simulation d'un hacheur élévateur commandé par MPPT dans Proteus
- Figure 47:Diviseur de tension
- Figure 48:Capteur de courant
- Figure 49:Panneau photovoltaïque utilisé.............................................................................
- Figure 50:Motoréducteur utilisé
- Figure 51:Pilote moteur L298N
- Figure 52:Batterie utilisé.......................................................................................................
- Figure 53:Carte Arduino UNO R3
- Figure 54:Module Bluetooth HC-
- Figure 55:Interrupteur 2 broches utilisé
- Figure 56:Hacheur boost utilisé
- Figure 57: Batterie utilisée
- Figure 58:Collage des moteurs avec les roues
- Figure 59:Montage du contrôle de la voiture
- Figure 60: Montage du hacheur élévateur avec le panneau solaire.......................................
- Figure 61: Résultat final de la voiture solaire
- Tableau 1:Les caractéristiques des types des panneaux photovoltaiques
- Tableau 2:Les défauts et les conséquences des panneaux photovoltaïques
- Tableau 3:Table du diagramme de pieuvre
- Tableau 4:Dimensions de la voiture solaire
- Tableau 5:Données techniques de la voiture
Conclusion………………………………………………………………………………………………………………………… 65 CHAPITRE 4 : Le prototypage de la voitures solaire Introduction……………………………………………………………………………………………………………………… 67 I. Le montage et la réalisation du corps de la voiture……………………………………………….. 67 II. Les difficultés rencontrés………………………………………………………………………………………. 69 III. Fiche technique……………………………………………………………………………………………………………… 70 Conclusion……………………………………………………………………………………………………………………….. 70 Conclusion générale Bibliographie Table des matières
La formation de technicien supérieure en énergies renouvelables et efficacité énergétique de l’Ecole Supérieure de Technologie Guelmim donne à l’étudiant l’opportunité de faire un projet de fin d’études, où il apprend à chercher et collecter les informations innovantes, et même faire une réalisation à un projet, sous la direction des professeurs encadrants. Et dans le cadre d’un projet de fin d’études, on a eu un projet de réalisation d’une voiture solaire sous la direction de monsieur le professeur KRIRIM. De nos jours, ils existent plusieurs sources d’énergies ; et pour le domaine d’automobiles, les carburants restent les premiers et les principales sources. D’une autre part, au courant du développement technologique, on peut compter sur l’électricité pour se déplacer avec les voitures d’une façon économique et sans import environnemental, mais ça reste une solution qui n’est pas trop efficace pour plusieurs raisons. Et pour faire face la plupart des problèmes de ces voitures électriques, on peut compter sur l’énergie solaire comme source principale d’énergie, et qui sera converti en électricité pour alimenter la voiture. Le projet est alors c’est construire un prototype d’une voiture solaire, de faire l’étude théorique globale de cette voiture, sa conception et son fonctionnement, ainsi le fonctionnement et l’étude de toutes les composants de cette dernière. De plus, ce n’est pas une voiture solaire vierge, c’est une voiture programmée pour être commandée à distance par Bluetooth. Durant ce projet, notre objectif principal était d’apprendre et de savoir la méthode de chercher et réaliser notre propre projet, et pour s’assurer que la conception et le prototypage des voitures solaires est maitrisable. Ainsi de tester nos capacités et notre sens de défi.
Depuis son apparition, l’automobile devient de plus en plus une nécessité principale à l’être humain qui lui permet de faciliter la vie et de minimiser le temps de déplacement, mais dans les dernières années le secteur automobile pose certains problèmes, comme les émissions des gaz à effet de serre, la dépendance au pétrole qui continue à se raréfier, et beaucoup d’autres problèmes. Ce qui impose une orientation vers des nouvelles technologies pour surmonter ces défis. Dans les décennies à venir, les véhicules électriques seront la solution qui pourrait jouer un rôle important dans l’évolution vers des moyens transports durables. Si ces véhicules fonctionnent avec une énergie renouvelable, ils pourraient contribuer à une réduction significative des émissions de CO2 et à améliorer localement la qualité de l’air. La lumière du Soleil peut être utilisée pour produire de l’électricité. On utilise pour cela des panneaux composés de cellules électroniques qui réagissent aux rayons du Soleil. On parle alors d’énergie solaire photovoltaïque. Ces installations sont de plus en plus répandues dans le monde. I. L’énergie solaire : L'énergie solaire est la fraction de l'énergie électromagnétique provenant du Soleil, traversant l’atmosphère qui en absorbe une partie, et parvenant à la surface de la Terre. Sur Terre, l'énergie solaire est à l'origine du cycle de l'eau, du vent et de la photosynthèse réalisée par le règne végétal, dont dépend le règne animal via les chaînes alimentaires. Le Soleil est à l'origine de la plupart des énergies sur Terre, à l'exception de l'énergie nucléaire et de la géothermie profonde. Les sources d'énergie issues indirectement de l'énergie solaire sont notamment : l'énergie hydraulique, dérivée de l'énergie cinétique de l'eau dont le cycle dépend du Soleil ; l'énergie éolienne, provenant de l'énergie cinétique du vent lié à l'échauffement et à l'évaporation de l'eau, générés par le Soleil, la rotation de la Terre et l'effet Coriolis ; l'énergie hydrolienne et l'énergie des vagues, liées aux mouvements des océans et des cours d'eau ; le bois énergie et l'énergie de la biomasse ainsi que la géothermie de très basse température, provenant des couches superficielles du sol réchauffées par le Soleil. On peut ajouter les énergies fossiles, provenant de matières organiques créées par photosynthèse (charbon, pétrole, gaz naturel…) auxquelles s'ajoute l'énergie biochimique de la matière organique vivante.
1. Les différents types de l’énergie solaire :
L’énergie du soleil peut être utilisée essentiellement de quatre façons, quand on parle alors d’énergie solaire, il convient donc de faire la différence entre :
a. L’énergie passive :
C'est une énergie non polluante et qui est disponible en grande quantité. Ce type d'énergie va être utilisé pour le chauffage, pour l'éclairage naturel et la climatisation des locaux.
b. L’énergie solaire thermique :
Cette énergie est la transformation des rayons du soleil en énergie thermique c'est-à-dire en chaleur. Cette énergie peut être utilisée directement soit pour le chauffage mais aussi pour obtenir de l'eau chaude. Le principe général est de concentrer les rayons solaires en un seul endroit. Ceux-ci sont alors piégés par des capteurs solaires thermiques vitrés qui transmettent l'énergie solaire à des absorbeurs métalliques. Ces mêmes absorbeurs réchauffent alors un réseau de tuyaux où circule un fluide caloporteur (c’est-à-dire un fluide qui reçoit de la chaleur en un point de son circuit et qui la cède en un autre point). Cet échangeur va ensuite chauffer à son tour de l’eau stockée dans un cumulus, cette même eau ira alimenter chauffe-eau (pour l’eau sanitaire) et systèmes de chauffages solaires.
c. L’énergie photovoltaïque :
L’énergie photovoltaïque (PV) est la conversion directe de l’énergie des rayons solaires en énergie électrique à l’aide de capteurs fabriqués avec des matériaux sensibles aux longueurs d’ondes du visible.
d. L’énergie thermodynamique :
L'énergie solaire thermodynamique est un moyen de produire de l'électricité et d'accumuler l'énergie thermique nécessaire à cette production pendant plusieurs heures après le coucher du soleil, dans des centrales solaires à concentration. Le principe est de concentrer la chaleur du soleil par des miroirs pour chauffer une fluide haute température (plusieurs centaines de degrés) afin de générer de la vapeur par échange thermique pour ensuite produire de l'électricité au moyen d'une turbine. Le fluide utilisé peut conserver sa chaleur pendant plusieurs heures après le coucher du soleil, cela permet de produire de l'électricité en début de soirée, au moment où la consommation est la plus importante.
b. Les inconvénients :
L’énergie solaire est une énergie intermittente. Il faut donc un système de chauffage d’appoint. La production d’énergie solaire n’est possible que lorsqu’il y a du soleil Un cycle de vie en question : la durée de vie d’une installation photovoltaïque n’est pas éternelle mais de l’ordre de 20 à 30 ans. Le rendement des cellules photovoltaïques diminue avec le temps qui passe. On parle en général pour les panneaux photovoltaïques, d’une perte de rendement de 1 % par an. De plus, les panneaux solaires contiennent des déchets toxiques : cuivre, chrome, silicium, cadmium et tellure. Les rendements des panneaux photovoltaïques sont encore faibles et de l’ordre de 20 % (pour les meilleurs). L’énergie photovoltaïque convient donc mieux pour des projets à faible besoins, comme une maison unifamiliale, par exemple. II. La voiture solaire : La voiture solaire est un véhicule alimenté par des cellules photovoltaïques utilisée pour évoluer sur le réseau routier, il s'agit d'une innovation technologique qui permettra dans un futur proche de se déplacer en récupérant et en stockant l’énergie solaire pour la transformer en énergie électrique. Les voitures solaires combinent des technologies typiquement utilisées dans les domaines de l'aérospatiale, des énergies alternatives et de la construction automobile. Le design d'un véhicule solaire est particulièrement contraint par la taille des capteurs solaires à cause de la quantité d'énergie dont la voiture a besoin. La plupart des véhicules solaires sont des prototypes expérimentaux construits dans le but de participer à des courses de voitures solaires.
1. L’historique des véhicules solaires :
Le premier véhicule solaire de l’histoire - la Sun mobile - est un modèle réduit de voiture inventé par William G. Cobb de General Motors (fig. 1). Elle est présentée la première fois à Chicago le 31 août 1955. Cette miniature est dotée de 12 cellules photovoltaïques en sélénium et d’un petit moteur électrique Pooley qui actionne une poulie faisant tourner les roues arrière. La Sun mobile, fabriquée en bois de balsa, mesure moins de 40 cm de longueur5. Elle prouve néanmoins pour la première fois que l’énergie solaire est capable de faire se mouvoir un véhicule.
Figure 1 :Premier véhicule solaire de l'histoire Après 5 ans de travail en Californie, le premier véhicule solaire pouvant transporté un être humain est mis au point et présenté en 1960 à Rome par le physicien et chimiste américain Charles Escoffery. Il s’agit d’une ancienne Baker, une voiture électrique datant de 1912, équipée sur son toit de 2,42 m2 de panneaux solaires amovibles comportant 10 640 cellules (fig. 2). Cette installation a une puissance de 200 W avec des conditions d’ensoleillement optimales mais, pratiquement, cette puissance dépasse rarement les 100 W pour un rendement des cellules atteignant seulement 5 %. Partant d’une charge complète d’électricité, elle peut rouler durant 3 heures à une vitesse maximum de 32 km/h6. Cette voiture solaire est présentée dans le monde entier par son concepteur afin de démontrer que l’énergie solaire permet une mobilité propre et économique7. Plus d’une décennie passe sans avancée notable documentée dans le domaine des véhicules terrestres solaires mais tout s’accélère dès la fin des années 1970. En 1977, le Prof. Ed Passerini de l’Université d’Alabama (USA) construit la Bluebird, un prototype de voiture solaire. Cette voiture est censée être la première à être propulsée uniquement grâce à l’énergie produite par ses panneaux solaires, sans l’aide de batteries. Le véhicule solaire est exposé en 1982 à l’Exposition internationale de Knoxville, dans leTennessee, exposition qui a pour thème «Energy turns the World ». Elle ne reste par contre qu’un prototype et ne fut jamais reproduite en masse8. Figure 2 :Le premier véhicule solaire pouvant transporter un être humain
a. Panneau photovoltaïque :
Les panneaux solaires sont destinés à récupérer l'énergie du rayonnement solaire pour la transformer en électricité. Dans une voiture solaire, il est destiné principalement au chargement des batteries. Ce qui nécessite que le panneau solaire doit être puissant, flexible et d’un type convenable aux voitures solaires (rendement, résistance à l’environnement). En effet, il doit être monté dans un emplacement idéal pour capter le maximum d’énergie solaire, généralement, il est mis sur le toit ou le capot de la voiture. Figure 4 :Panneau photovoltaïque de la voiture solaire
b. Moteur électrique :
Un moteur électrique est composé principalement d’un stator (fixe), et d’un rotor (qui tourne). Le stator, qui entoure le rotor, génère un champ magnétique. Ce champ peut être généré par induction, ou par des aimants permanents. Le rotor est constitué de bobines, dont le fil est recouvert d’une couche isolante, et de connecteurs. Il est solidaire de l’axe central du moteur. Figure 5 :Le moteur électrique
La motorisation électrique peut être implantée sur l’essieu avant, l’essieu arrière ou les deux. Elle est alors composée d’un moteur équipé d’un réducteur, généralement épicycloïdal, accouplé à un différentiel. L’ensemble est relié aux roues par l’intermédiaire de transmissions.
c. La batterie :
Le stockage de l’énergie électrique à bord d’un véhicule reste le problème majeur actuellement. Ce stockage est caractérisé par deux paramètres principaux : La puissance utilisable (en kW) : Il s’agit du produit de la tension batterie par l’intensité maximale qu’elle peut débiter (P=U*I). La puissance utilisable doit être au moins égale à la puissance de pointe du moteur électrique afin de permettre son alimentation sur toute sa plage de fonctionnement. L’énergie stockée (en kWh) : Cette énergie peut être comparable au volume d’un réservoir de carburant d’un véhicule thermique. C’est l’énergie stockée qui va déterminer l’autonomie d’un véhicule électrique. Il existe plusieurs types de batteries utilisées dans le secteur automobile, comme la batterie plomb (Pb), la batterie cadmium nickel (Cd-Ni), la batterie nickel métal hydrure (Ni-Mh), la batterie lithium. Mais la batterie lithium reste le meilleur choix car les accumulateurs lithium offrent aujourd’hui les plus importantes densités d’énergies massiques et volumiques (environ 160 Wh/kg et 400 Wh/l). Ils sont aussi les plus délicats dans leur utilisation, et un BMS (Battery Management System) est indispensable pour s’assurer de la meilleure longévité.
4. Les avantages et les inconvénients de la voiture solaire :
A. Les avantages :
Les avantages de ces véhicules ne sont autres que de pouvoir se déplacer sans émettre une once de pollution. En effet, le véhicule s'auto-suffit. Lors des journées ensoleillées, les capteurs jouent pleinement leur rôle, permettant ainsi d'actionner le moteur. Lorsque les nuages arrivent, un système de batterie, dont la recharge est assurée par les cellules photovoltaïques elles-mêmes, ou bien par secteur comme les véhicules électriques actuels, prend le relais afin d'éviter la panne. Question recyclage, une fois les panneaux trop usés, le silicium qui constitue les cellules photovoltaïques est recyclable. Le coût de fabrication de ces cellules devrait donc très vite chuter. Pas de rejet de CO2 ou autre gaz et particules nocives. Pas de consommation de carburant et donc un coût de fonctionnement stable.
B. Les inconvénients :
Il y a cependant de nombreux désavantages : Les batteries pour les véhicules électriques permettent de limiter les émanations de pollution durant la circulation, mais la production de ces batteries est elle-même polluante,
