Rapport Final Mini Projet [PDF]

Zitiervorschau

Table des matières Chapitre 1 : présentation du suiveur solaire 1. Cellule photovoltaïque :  1.1 1.2 1.3 1.4

5

Définition et principe : 5 Positionnement  5 Nécessité du suiveur solaire  Types de suiveur solaire 6

2. Conclusion: 

4

6

6

Chapitre 2 : Etude matérielle et fonctionnelle du projet 7 1. Introduction  8 2. Cahier des charges  8 3. Principe de fonctionnement : 

8

a. Tracker mono axe : 8 b. Disposition des capteurs LDR 9 c. Conception et dimensionnement 10 4. Contexte MATERIEL : 11 a. b. c. d. e.

Plaque photovoltaïque  11 Capteur LDR NSL-19M51 11 Circuit de puissance L293D 12 Présentation du Microcontrôleur 68HC11E2  Présentation Du langage VHDL  14

5. Conclusion

13

14

Chapitre 3: Programmation et simulation

15

1. Introduction 16 2. Tests et simulation du programme

16

a. Simulation avec le microcontrôleur 68hc11 16 b. Simulation avec le langage VHDL 19 3. Conclusion

23

Résumé :

Parmi les constituants d’une station photovoltaïque, on trouve le trackeur ou suiveur du soleil. En effet l’énergie fournie par les panneaux photovoltaïques dépend fortement de la quantité d’éclairement solaire qu’ils absorbent. Pour obtenir un rendement maximal, le panneau photovoltaïque doit être constamment orienté perpendiculairement aux rayons solaires. Or, la position du soleil varie d’une manière continue durant la journée de l’Est vers l’Ouest selon l’axe azimutal (Est-Ouest), et aussi pendant les saisons selon un axe zénithal (Nord-Sud). Afin d’augmenter sa production en énergie électrique, un système photovoltaïque doit donc être muni d'un suiveur ou trackeur solaire. Cette structure permet le suivi en temps réel du mouvement apparent du soleil. Si cette solution ne semblait pas forcément nécessaire pour les panneaux solaires classiques à base de silicium sous toutes ses formes, elle s’avère nécessaire pour le panneau solaire à concentrateurs -qui compte parmi les nouvelles technologies envisagées pour la réalisation des stations du plan solaire marocain- où le nombre de cellules est fortement réduit et où le rayonnement solaire est focalisé sur la cellule. L'objectif du présent travail est la programmation de fonctionnement de suiveur solaire mono-axes en langage assembleur et VHDL afin de l’implantera par la suite sur une carte microcontrôleur ou une carte FPGA.

2

Liste des figures : Figure I.1 : Cellule photovoltaïque 5 Figure I.2 : Angle formé entre le plan du panneau et les rayons lumineux incidents 5 Figure II.1 : Principe de poursuite de suiveur solaire

8

Figure II.2 Organigramme de fonctionnement du système

9

Figure II.3: disposition des capteurs LDR pour un tracker mono-axe 10 Figure II.4 : Capteur LDR 11 Figure II.5 : Circuit équivalent du capteur LDR utilisé 12 Figure II.6 : Circuit de puissance L293D 12 Figure II.7 : Représentation du circuit intégré L293D à double pont en H Figure III.1 : Programme de poursuite dans le logiciel THRSIM Figure III.2 : Cas de la tension V1 supérieure à V2

17

18

Figure III.3 : Cas des deux tensions inf à tension seuil (Vs=1000mv) 18 Figure III.4 : Cas des deux tensions sont égales 18 Figure III.5 : Cas de la tension V2 supérieure à V1

18

Figure III.6 : Schéma bloc du programme en VHDL

19

Figure III.7 : Programme du comparateur 1

20

Figure III.8 : Programme du comparateur 2

20

Figure III.9 : Programme du comparateur 3

21

Figure III.10 : Simulation du programme21 Figure III.11 : Tension V1 < V2

22

Figure III.12 : Tension V1>V2

22

Figure III.13 : Tension V1 égale à V2

22

Figure III.14 : Tension V1 et V2 inférieur à Vs 23

3

13

CHAPITRE I Présentation du suiveur solaire

L’objectif de ce chapitre est de présenter le panneau photovoltaïque, l’intérêt du suiveur solaire par rapport aux performances de ce dernier.

4

CHAPITRE I : Pré sentation de suiveur solaire 1. CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE : 1.1 Définition et principe : La cellule photovoltaïque est le composant électronique à la base des installations produisant l’énergie électrique à partir du rayonnement solaire. Elle fonctionne selon le principe de l'effet photoélectrique. Plusieurs cellules sont reliées entre elles pour former ce qu’on appelle un module solaire photovoltaïque, par la suite, plusieurs modules sont regroupés pour former une installation ou même une centrale solaire photovoltaïque. La conversion directe de l'énergie solaire en électricité se fait par l'intermédiaire d'un matériau semi-conducteur -généralement le silicium que l’on trouve en abondance sur Terre (extrait de la silice compris dans le sable). Lorsque les photons sont absorbés par un matériau semiconducteur, ils cèdent toute leur énergie aux atomes appartenant à la jonction PN, ceci donne naissance à plusieurs paires électrons/trous. Le nombre de paires électrons/trous formées dépend de l’énergie des photons incidents et du matériau utilisé.

Figure I.3 : Cellule photovoltaïque

1.1 Définition et principe : 1.2 Positionnement :

L’énergie fournie par le panneau PV dépend fortement de la quantité d’éclairement solaire absorbée par ce dernier. Cette quantité dépend de l'orientation du panneau par rapport au soleil. Pour collecter le maximum d'énergie, le panneau PV doit être constamment orienté perpendiculairement aux rayons solaires.

Figure I.4 : Angle formé entre le plan du panneau et les rayons lumineux incidents

5

Chaque fois que cet angle diminue ou augmente, la surface (m²) du panneau exposée aux rayons diminue et donc en partant de la puissance produite, le rendement diminue aussi, d’où l’importance de l'orientation des panneaux par rapport à la position du Soleil. 1.3 Nécessité du suiveur solaire : Comme mentionné auparavant, pour maximiser la puissance générée par un panneau PV et avoir un rendement optimal, il faut tenir compte des paramètres liés à l’orientation du module ainsi que la position du soleil. Ceci peut être assurée par un système de poursuite solaire (suiveur soleil ou encore dit tracker solaire (appellation courante)) permettant de suivre le soleil tout au long de la journée. Ce système permet ainsi, aux panneaux photovoltaïques de suivre continuellement et en temps réel la trajectoire du soleil pour assurer une production électrique maximale, d’où la nécessité de définir avec exactitude les trajectoires empruntées par le soleil, de manière à définir la meilleure façon avec laquelle sera effectué le suivi automatique. 1.4 Types du suiveur solaire : On distingue principalement deux grandes familles de suiveurs solaires: les passifs et les actifs qui comportent les suiveurs mono-axe et double axe. Suiveur passif : est constitué dans son architecture de deux tubes en cuivre montés sur les côtés Est et Ouest du panneau PV. Le tube de matière cuivre est rempli de fluides chimiques capable de se vaporiser à basse température. En effet, lors de l’augmentation d’un côté du panneau PV le composé dans le tube en cuivre se vaporise et alors pour avoir un équilibre entre la partie gazeuse et la partie liquide il faut tourner le panneau. Ce type de suiveur ne consomme aucune énergie pour le repositionnement du panneau. Suiveur actif : utilise le principe de la détection de lumière, suivant la trajectoire solaire en cherchant à optimiser au maximum l’angle d’incidence du rayonnement solaire sur leur surface. Il existe deux types dans cette famille : les suiveurs mono-axe et double axe. L’avantage de ces derniers par rapports aux suiveurs passifs c’est qu’ils représentent une meilleure précision de suivi et ne nécessitent aucune intervention manuelle pour les ajuster.

2. CONCLUSION: Dans ce chapitre nous avons démontré la nécessité d’un suiveur solaire dans une installation photovoltaïque ainsi que ses types .Un intérêt particulier a été porté à la technique de suivi active ou asservi reposant sur le principe du repérage via des capteurs de lumière. C’est cette technique qu’on a adoptée et qui va être étudiée en vue d'une réalisation matérielle.

6

CHAPITRE II Etude fonctionnelle et matérielle du projet

L’objectif de ce chapitre est de présenter le principe de fonctionnement du suiveur solaire ainsi que le matériel utilisé pour assurer la fonction du tracking du PV.

7

CHAPITRE II: Etude

fonctionnelle et matérielle du projet

1. INTRODUCTION : Les deux types de trackers solaires qui existent sont soit mono-axe soit double axe, qui s’appuient sur le même principe de poursuite. Dans notre projet, nous allons adopter la méthode active de poursuite, basée sur le suiveur mono axe et la différence d’éclairements des capteurs de lumières.

2. CAHIER DES CHARGES  : Parmi les constituants d’une station photovoltaïque, on trouve le tracker ou suiveur du soleil. Pour obtenir un rendement maximal, le panneau photovoltaïque doit être constamment orienté perpendiculairement aux rayons solaires. Or, la position du soleil varie d’une manière continue durant la journée de l’Est vers l’Ouest selon l’axe azimutal (Est-Ouest). Notre mini projet consiste à réaliser la commande de poursuite de suiveur solaire mono axe (Est-Ouest) basé sur des capteurs de lumière et un moteur à courant continu introduisant son fonctionnement dans le langage VHDL ainsi qu’avec un microcontrôleur 68HC11.

3. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT  : a. Tracker mono-axe En partant du principe général précédent, on retrouve le suiveur mono-axe qui permet une rotation selon l’axe d’azimut seulement, et qui est le plus souvent utilisé en raison de sa simplicité.

Figure II.1 : Principe de poursuite de suiveur solaire

Figure II.1 : Principe de poursuite de suiveur solaire

La figure ci-dessus démontre la méthode de suivi automatique et dont le système de suivi est composé par deux capteurs de lumière, une carte de traitement et un moteur comme unité d’action. Les deux capteurs convertissent les rayons solaires incidents en un signal électrique proportionnel à leurs intensités. Par la suite le comparateur compare les signaux reçus et envoie un signal de sortie pour commander le moteur dans les deux sens de rotation de façon à réorienter le panneau solaire vers la direction où le rayonnement est plus intenses. Or, lorsque le rayonnement solaire est très faible, une photodiode IR envoie un signal à unité logique pour arrêter le moteur et donc limiter pertes et diminuer la consommation.

8

Le principe de fonctionnement repose sur l’algorithme de suivi décrit dans l’organigramme suivant :

Figure II.2 Organigramme de fonctionnement du système

Comme montré dans la figure II.2, on différencie d’abord entre le mode jour et le mode nuit via les tensions des deux capteurs de lumière LDR. Si la tension délivrée est inférieure à Vs (tension seuil en V) aucun changement n’est porté à la position du panneau, le système est en mode arrêt. Si on prend par exemple le cas où VLDR ouest > VLDR Est cela signifie que le capteur de lumière situé à l’Ouest est plus exposé au rayonnement solaire alors que l’autre capteur est ombragé, la sortie S1 est donc activée, le panneau s’oriente vers la source de lumière direction Ouest. On suit le même raisonnement dans le cas inverse. Globalement, on peut distinguer les 4 cas suivants:

VLDR ouest < Vs & VLDR Est < Vs Mode nuit, système en veille. VLDR ouest > VLDR Est Mode jour, rotation du panneau PV vers l’Ouest. VLDR ouest < VLDR Est Mode jour, rotation du panneau PV vers l’Est.

9

VLDR ouest = VLDR Est Condition d’arrêt, le panneau est dans une position optimale. b. Disposition des capteurs LDR Pour les deux cas cités précédemment, il est indispensable de prendre en considération trois paramètres lors de la disposition des capteurs LDR. L’angle «ε» de l’ombre solaire qui est en fonction de la hauteur «H» de la paroi, et la distance «d» qui la sépare du capteur comme représenté sur la figure II.3, en effet «ε» est l’angle seuil de déclenchement ou seuil de l’ombre solaire.

Figure II.3: disposition des capteurs LDR pour un tracker mono-axe

Ces paramètres sont définis par les équations suivantes :

Où : H : Hauteur de la paroi en (cm). d : distante entre la paroi et la capteur de lumière LDR en (cm). ε : angle de l’ombre solaire en (°).

c. Conception et dimensionnement : L’objectif de l’étude est de concevoir une carte de commande et contrôle des trackers solaires pour panneaux PV quelque soient leurs dimensions et caractéristiques. Cette carte a 10

pour rôle de conditionner le signal provenant des capteurs de lumière, le traiter en calculant l’erreur et par la suite réorienter le panneau. Les caractéristiques d’un suiveur (tracker) solaire peuvent varier selon différents constructeurs et designers. Or, pour appliquer l’une des techniques de suivi et utiliser un type de motorisation précis et convenable, il est indispensable de spécifier les caractéristiques de chacun des éléments utilisés pour la conception du système de tracking.

4. CONTEXTE MATERIEL  : a. Plaque photovoltaïque : Un panneau solaire est un dispositif technologique énergétique solaire à base de capteurs solaires thermiques, ou photovoltaïques, destiné à convertir le rayonnement solaire en énergie électrique.  Description d'un panneau photovoltaïque Un panneau photovoltaïque est constitué d'une série de cellules photovoltaïques, formées d'un matériau semi-conducteur en deux couches, l'une dopée positivement (P) et l'autre négativement (N). C'est une jonction PN. Lorsqu'un électron est arraché, il se forme à la place un « trou », se comportant comme une charge positive. L'électron et le trou s'échappent de part et d'autre de cette jonction PN (les électrons vers N et les trous vers P), créant une différence de potentiel (ce que l'on mesure en volts). Une cellule photovoltaïque produit donc ainsi du courant électrique continu. 

Types des panneaux photovoltaïques

On distingue actuellement 3 principaux types de panneaux photovoltaïques, qui sont différenciés par le type de cellules qui les composent. Toutes les cellules sont produites à base de silicium, mais les méthodes de fabrication différentes leurs donnent des caractéristiques très différentes, notamment en termes de productivité : Les cellules amorphes : sont produites à partir d'un "gaz de silicium", qui est projeté sur du verre, du plastique souple ou du métal, par un procédé de vaporisation sous vide. La cellule est gris très foncé. C'est la cellule des calculatrices et des montres dites « solaires », car ce type de cellule est bon marché et la technologie est utilisable sur de nombreux supports, notamment des supports souples. Le problème c’est que son rendement est 2 à 3 fois plus faible que les cellules monocristallines Les cellules monocristallines : sont issues d'un seul bloc de silicium fondu, elles sont donc très "pures". Elles offrent le meilleur rendement (entre 13 et 17%), mais sont aussi plus chères à la production, donc à la vente. Ces cellules sont en général octogonales et d'une couleur uniforme foncée (bleu marine ou gris). Ces cellules sont les plus performantes, elles permettent donc de constituer des panneaux qui sont très performants : ceux qui produisent le plus d’énergie avec le moins de surface. Les cellules poly cristallines : sont élaborées à partir d'un bloc de silicium cristallisé en forme de cristaux multiples. Vues de près, on peut voir les orientations différentes des cristaux. Elles ont un rendement de 11 à 15%, mais leur coût de production est moins élevé

11

que les cellules monocristallines. Elles sont en général de forme rectangulaire et sont couleur bleu nuit avec des reflets. b. Capteur LDR NSL-19M51: La principale utilisation de la photorésistance LDR dans notre étude est la mesure de l'intensité lumineuse. En outre, des matériaux utilisés et qui sont généralement du sulfure ou du séléniure de cadmium qui se comportent comme des semi-conducteurs, ce capteur représente un temps de réponse de 120 millisecondes pour un Figure II.4 : Capteur LDR éclairement de 10 lux (valeur pour des conditions d’ensoleillent faible). Le tableau ci-dessous représente les valeurs typiques de fonctionnement de la photorésistance solaire utilisée. Paramètres

Min.

Typique

Max.

Unités

Résistance

Conditions d’éclairement 1000 lux 10 lux Obscurité

1

400 9 -

-

Ω kΩ MΩ

Temps de montée Temps de descente

1000 lux 10 lux 1000 lux 10 lux

-

2.8 18 48 120

-

ms ms ms ms

La photorésistance ou LDR est un composant dont la valeur en Ohms dépend de la lumière à laquelle elle est exposée [14]. En effet, sa résistance varie en fonction du flux lumineux incident, elle est inversement proportionnelle à la lumière reçue. Le choix s’est porté sur cette dernière vu que son temps de réponse est beaucoup plus court par rapport à la photodiode La tension délivrée par le capteur est donnée par la relation:

Où : VB tension batterie (V) R_LDR résistance de la LDR (Ω)

Figure II.5 : Circuit équivalent du capteur LDR utilisé

C. Circuit de puissance L293D : Pour piloter le moteur, il suffit d’alimenter une à une de ses bobines. Il nous faut donc utiliser le bon composant pour alimenter les bobines puisqu’on ne peut pas les alimenter directement par le signal de (5V). On a proposé donc le composant L293D qui est un pont de puissance composé de plusieurs transistors et relais qui permet d’activer la rotation d’un moteur. 12 Figure II.6 : Circuit de puissance L293D

Le circuit de puissance est la partie intermédiaire qui relie le moteur et le microcontrôleur.

Figure II.7 : Représentation du circuit intégré L293D à double pont en H

c. 

Présentation du Microcontrôleur 68HC11E2 :

Présentation :

Le 68HC11E2 est un microcontrôleur 8bits fabriqué par Motorola, réalisé en technologie HCMOS. Il adresse jusqu’à 64Ko de mémoire et contient 48 broches.



 Caractéristiques générales du 68HC11E2 : CPU 68HC11



Quartz de 8 MHz



2 k octets Eprom



256 octets de Ram



Liaison série Synchrone et Asynchrone (port D)



Convertisseur Analogique Digital 8 bits sur 8 entrées (port E).

Les ports du microcontrôleur :

13

 Domaine d’application des microcontrôleurs :  Contrôle des processus industriels (régulation, pilotage)  Appareils de mesure (affichage, calcule statistique, mémorisation)  Multimédia (carte audio, carte vidéo, décodeur MP3, magnétoscope)  Téléphones  Electroménager (lave-vaisselle, lave-linge, four micro-onde)  Informatique d. Présentation Du langage VHDL : Le langage VHDL (Vhsic Hardwere Description Langage) est un sous-produit né du besoin d’un outil de spécification, il a pour but de décrire un fonctionnement global de haut niveau sans souci de détail d’implantation, pour servir de cahier des charges pour la réalisation des projets complexes .Il est devenu un véritable outil de conception des circuit numérique .il permet

d’autre part de concevoir et de vérifier un système électronique

complexe. De nombreux exemples permettent au lecteur de valider sa compréhension. Les environnements de développement intégrés sont nombreux, on peut distinguer quelque société:  Quartus II d’ALTERA (simulation et synthèse).  ISE Web pack de Xilinx (simulation et synthèse). Les entrées/sorties du système sont les ports de l'entité : 

Chaque composant interne du système sera un processus (Process) de l'architecture



Une architecture est un ensemble de processus



Les processus s'exécutent en parallèle



Les processus de l'architecture sont interconnectés par le biais des signaux (signal).

5. CONCLUSION : Après la présentation du cahier des charge et le fonctionnement du suiveur ainsi que le microcontrôleur qu’on va utiliser et le langage VHDL. La partie qui suit présente la programmation et la simulation des deux solutions.

14

CHAPITRE III Programmation et Simulation du projet à l’aide du microcontrôleur et le langage VHDL

L’objectif de ce chapitre est de présenter les différents algorithmes et les résultats des tests et de la simulation faite au niveau du microcontrôleur et le langage VHDL. 15

CHAPITRE III : Programmation et simulation du projet à l’aide du microcontrô leur et du langage VHDL 1. INTRODUCTION  : Ce dernier chapitre est consacré à l’implémentation des programmes tests et simulations de la technique adoptée dans cette étude, c’est la partie électronique qui va assurer la commande de tout le système. Notre choix s’est porté sur l’utilisation du microcontrôleur 68HC11E2 comme circuit intégré pour l’exécution du programme. Le schéma suivant représente la structure du travail du système suiveur solaire.

LDR NSL 19M51

Microcontrôleur L293D 68HC11E2

MOTEUR C.C

2. TESTS ET SIMULATION DU SYSTEME : Dans cette partie, nous allons utiliser le logiciel de compilation THR SIM qui nous a permis de traduire et vérifier l’algorithme de poursuite ainsi que le logiciel QUARTUS II 9.1 ou nous pouvons introduire le programme en langage VHDL. a. Simulation avec le microcontrôleur 68hc11: Dans notre étude, nous avons optés pour une simulation dans le simulateur THRSIM, alors dans un premier temps nous avons écrit le programme correspond à l’algorithme de poursuite en langage assembleur, et la figure suivante présente le programme :

16

PV

Figure III.1 : Programme de poursuite dans le logiciel THRSIM 17



Simulation du programme :

Led lié au PB7 (sens2)

Led lié au PB6 (sens1)

Tension V1

Tension V2 Figure III.2 : Cas de la tension V1 supérieure à V2

Si la tension V1 est supérieure à V2, le moteur tourne dans le sens 1, sinon il doit tourner dans l’autre sens : sens 2. Mais si les deux tensions sont inférieures à la tension seuil Vs (càd inférieur à 1000mv), le moteur doit s’arrêter comme il est montré dans les trois figures cidessous :

Figure III.3 : Cas des deux tensions inf à tension seuil (Vs=1000mv)

Figure III.4 : Cas des deux tensions sont égales

Figure III.5 : Cas de la tension V2 supérieure à V1

18

Et pour vérifier le fonctionnement, nous avons utilisé le logiciel ISIS Proteus 8 où nous avons tracé le schéma :

LDR 1

MC68hc11

LDR 2

M.CC

b. Simulation avec le language VHDL:

L293D

Dans cette partie, nous avons utilisé le logiciel QUARTUS II 9.1 pour vérifier le fonctionnement du système en langage VHDL, alors dans un premier temps nous avons écrit le programme correspond à l’algorithme de poursuite, et la figure suivante présente le bloc du programme :

Figure III.6 : Schéma bloc du programme en VHDL

19

Nous avons utilisé trois comparateurs, le premier est pour comparer les tensions des deux capteurs (V1 et V2) et la tension seuil Vs : pour activer le mode nuit si les deux tensions sont inférieures à la tension seuil et aussi vérifier les deux tensions s’elles sont égales.  si les deux tensions sont inférieures à la tension seuil Vs  Si les deux tensions du capteur sont égales.

Arrêt du moteur

Figure III.7 : Programme du comparateur 1

Le deuxième comparateur est pour comparer les deux tensions V1 et V2 :  Si V1 est inférieur à V2 le moteur tourne dans le sens 1.

Figure III.8 : Programme du comparateur 2

20

Le troisième comparateur est pour comparer les deux tensions V1 et V2 :  Si V2 est inférieur à V1 le moteur tourne dans le sens 2.

Figure III.9 : Programme du comparateur 3



Simulation du Programme :

Figure III.10 : Simulation du programme

21

Figure III.11 : Tension V1 < V2

Figure III.12 : Tension V1>V2

Figure III.13 : Tension V1 égale à V2

22

Figure III.14: Tension V1 et V2 inférieur à Vs

3. CONCLUSION : Ce mini projet a bien répondu à nos attentes et s’est avéré complet et complexe. Nous avons réussir à programmer la fonction du suiveur solaire mono-axe d’une façon simple et efficace. Sur le plan personnel, nous avons beaucoup appris de ce projet, d’une part en se perfectionnant dans le logiciel QuartusII et THRSim11, en apprenant le langage Assembleur et le langage VHD L.

23