Suiveur Solaire [PDF]

Zitiervorschau

REPUBLIQUE DU CAMEROUN *********************** Paix – Travail – Patrie **************** MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR UNIVERSITE DE DOUALA

REPUBLIC OF CAMEROON ************************ Peace – Work – Fatherland **************** MINISTRY OF HIGHER EDUCATION UNIVERSITY OF DOUALA

ENSET

OPTION : ELECTRONIQUE. Option : ELECTRONICS

THEME/TOPIC

THEME : ETUDE, CONCEPTION ET réalIsaTION D’UN SUIVEUR SOLAIRE BI-AXES. FILIERE : GENIE ELECTRIQUE (G.EL). OPTION: ELECTRONIQUE.

Projet de fin d’Etudes du 2e cycle présenté en complément pour l’obtention du Diplôme

THEME : ETUDE, CONCEPTION ET réalisation D’UN SUIVEUR de Professeur d’Enseignement Technique grade II (DIPET II) SOLAIRE BI-AXES. Rédigé et soutenu par : NOMS ET PRENOMS

MATRICULES

DOUMPARédigé Cyril et soutenu par 15NENB04I : FEKOUA Armand

15NENB01I

MEMBRES DU JURY MEMBRES

Sous la direction et l’encadrement de : Dr GAMOM NGOUNOU EWO Roland C.

NOMS ET PRENOMS

Président du juryMEMBRES DU JURY Encadreur académique

Enseignant à l’ENSET de l’Université de Douala Examinateur

Encadreur académique. Dr GAMOM NGOUNOU EWO RolandAnnée C. académique 2017 / 2018

Dr GAMOM NGOUNOU EWO Roland C.

DEDICACE.

Je dédie ce modeste travail à ma très chère tante Mme ELDJOUMA Yvonne.

DOUMPA Cyril Je dédie ce modeste travail à ma maman NLETA HELENE.

FEKOUA Armand

Rédigé par DOUMPA Cyril et FEKOUA Armand

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REMERCIEMENTS Nous ne saurions débuter la rédaction de ce mémoire de fin d’études en vue d’obtention du Diplôme de Professeur d’Enseignement Technique deuxième grade (DIPET II) sans toutefois dire un «Merci! » sincère à tous ceux qui nous entourent et qui ne cessent de nous encourager tous les jours. Ainsi, nous exprimons notre profonde gratitude à toutes les personnes qui, de près ou de loin ont contribué à la réalisation de ce document. Notre attention est précisément portée à :  Dr. MBOUENDA Martin, pour les connaissances qu’il n’a cessé de nous transmettre et pour avoir accepté de présider ce jury ;  Les membres du dit jury : Dr MANDENG et M. BADING Alain pour avoir accepté de nous examiner ;  Dr GAMOM NGOUNOU EWO Roland C. pour ses conseils et son encadrement minutieux ;  L’administration de l’Ecole Normale d’Enseignement Technique de Douala pour sa formation et son suivi particulier ;  Pr Léandre NNEME NNEME, Directeur de l’ENSET de Douala pour son suivi ;

 Dr SOSSO MAYI Olivier, chef de département de Génie Electrique pour son suivi et son soutien ;  Aux enseignants du département pour les connaissances théoriques et pratiques qu’ils nous ont transmises et qui ont permis à la réalisation de la maquette et du document ;  Mon cousin NDIMADJIM Roland, MBAÏDJIGUIM Gislain pour avoir leur soutien financier ;  Nos frères et sœurs pour leur encouragement : Syriane, Cristelle, Joël, Berotte, Célestin, massinéal, Djidéré, Sylvain et jésus et bien d’autre ;  Nos camarades de classe de l’Ecole Normale de l’Enseignement Technique de Douala qui nous ont débloqué ;  M. Mathieu, pour avoir accepté de nous aider à la réalisation de la partie mécanique de cette maquette ;

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AVANT PROPOS

L’Ecole Normale Supérieur de l’Enseignement Technique (ENSET) est une institution de l’université de Douala crée par l’arrêté N°260/CAB/PR du 16 Aout 1976 est un établissement d’enseignement supérieur relevant de l’université de Douala et a pour mission :  La formation des professeurs des lycées et collèges l’enseignement technique,  Le recyclage du personnel enseignant dans le cadre de la formation continue,  L’amélioration de la recherche appliquée en pédagogique. La formation dans cette école est divisée en deux cycles sanctionnée chacun par un diplôme de fin de cycle, il s’agit respectivement de :  DIPET I : Diplôme de Professeur d’Enseignement Technique Premier grade  DIPET II : Diplôme de Professeur d’Enseignement Technique Deuxième Grade. C’est donc en vue de l’obtention du DIPET II, puisque parvenue en cinquième année, nous devons conformément à l’arrêté ministérielle N 03/PU du 26 Novembre 1985, présenté un mémoire de fin de cycle sensé concrétisé notre second cycle à l’ENSET. Pour y répondre à ces exigences académiques, il nous a été proposé un thème intitulé ETUDE, CONCEPTION ET REALISATION D’UN SUIVEUR SOLAIRE BIAXES.

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RESUME Notre travail ayant comme objectif l’amélioration du gain en énergie électrique du panneau solaire mobile par rapport au panneau fixe ; car après un constat fait, les installations photovoltaïques ne fournissent de l’énergie que pendant une partie du temps. Pendant la nuit et par temps couvert, la fourniture d’énergie est nulle ou insignifiante. Les batteries sont donc nécessaires pour stocker une partie de l’énergie produite pour pouvoir l’utiliser lorsque la production photovoltaïque est insuffisante afin de couvrir les besoins énergétiques des consommateurs. La connexion directe entre la batterie et le panneau solaire fixe ne permet pas de tirer le maximum de puissance disponible. Dans ce cas, quelle technique mettre en œuvre pour suivre le parcours du soleil afin d'en augmenter la productivité d’un Panneau Photovoltaïque impliquant ainsi une période réduite de charge de la batterie ? Ce document présente, Sous le thème d’« étude, conception et réalisation d’un suiveur solaire bi-axes.». Un dispositif que nous avons réalisé à base de deux moteurs à courant continu avec leurs circuits d’interface qui permettent ainsi la rotation du panneau selon les directions horizontale et verticale qui sont fonction de la position du soleil. Tout ceci sous la commande de la carte Arduino Uno. La technique utilisée pour cette étude repose sur la différence d’éclairement incident sur les capteurs de lumière photorésistance ou LDR (Light-DependentResistor) séparés par des parois opaques et qui ne sont pas placés sur le panneau PV. Le circuit de contrôle et de commande assure la fonction de comparaison des signaux émis par les capteurs en calculant leurs différences, puis renvoie des impulsions au moteur pour repositionner le panneau perpendiculairement aux rayons solaires. On peut ainsi affirmer que sur le plan de la perquisition, après une série de tests effectués. Lorsque le panneau est fixe et lorsqu’il poursuit la trajectoire du soleil ; une étude comparative en terme de rendement montre que notre dispositif une fois mis en marche est meilleur par rapport à un même panneau ayant les caractéristiques identiques, dans les mêmes conditions (température, ensoleillement). Une fois ce dispositif mis en marche suivi des prélèvements nous avons obtenus un rendement 64.93%. Nous les avons Comparés aux données du panneau photovoltaïque fixé avec un angle de 30° qui nous a donné une puissance moyenne de 18.58W avec un rendement de 23.23%.

Pour

finir, nous avons pu évaluer un devis estimatif d’achat du matériel qui est 175250 (Cent soixante-quinze mille deux cent cinquante) francs CFA. Mots Clés : Suiveur solaire, PV, LDR, Arduino, Moteur à courant continu.

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ABSTRACT

Our work is having as objective the improvement of profit in electrical energy of a mobile solar panel compared to a fixed system. because after a fact, the photovoltaic installations only provide energy for part of the time. During the night and on cloudy days, the supply of energy is nil or insignificant. Batteries are therefore necessary to store some of the energy produced to be able to use it when the photovoltaic production is insufficient to cover the energy needs of consumers. The direct connection between the battery and the fixed solar panel does not make it possible to get the most power available. The solar tracking technique for optimizing the efficiency of the solar panel thus implying a reduced period of charge of the battery is still a hot topic. This document presents, Under the theme of "study, design and realization of a dual-axis solar tracker. ". A device that we made based on two DC motors with their interface circuits that allow rotation of the panel in the horizontal and vertical directions that are a function of the position of the sun. All this under the control of the Arduino Uno board. The technique used for this study is based on the difference in incident illumination on photoresistor or LDR (Light-Dependent-Resistor) sensors separated by opaque walls and not placed on the PV panel. The control and control circuit performs the function of comparing the signals emitted by the sensors by calculating their differences, and then sends impulses back to the motor to reposition the panel perpendicular to the solar rays. It can be said that in terms of the search, after a series of tests. When the panel is fixed and when it continues the path of the sun; a comparative study in terms of efficiency shows that our device once started is better compared to the same panel having the same characteristics, under the same conditions (temperature, sunshine). Finally, we were able to evaluate an estimate for the purchase of equipment that is 175250 (one hundred and seventy-five thousand two hundred and fifty) CFA francs.

Key words: Solar tracker, PV, LDR, Arduino, DC motor.

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LISTE DE FIGURES Figure 1.1 : spectre du rayonnement solaire [4]. ........................................................................ 5 Figure1.2 : Image d'une cellule photovoltaïque [5].................................................................... 6 Figure1.3 : Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque [5]. ................................ 7 Figure 1.4 : Configuration des cellules photovoltaïques [8]. ..................................................... 8 Figure 1.5 : Effet de la température sur la caractéristique I-V [8]. ............................................ 9 Figure 1.6 : Evolution de la caractéristique courant-tension avec l’énergie reçue [8]. .............. 9 Figure 1.7 : Effet de l'angle d'incidence sur la cellule photovoltaïque [10]. ............................ 10 Figure 1. 8 : Rendement pour différents types de technologies au cours des années [11]. ...... 11 Figure 1. 9 : Dépendance des performances d’un panneau PV de l’angle β [12]. ................... 11 Figure1. 10 : Rendement en puissance solaire exploitée en fonction de l’angle β des rayons solaires [12]. ...................................................................................................................... 12 Figure 1. 11 : Représentation de l’angle d’inclinaison θ [12]. ................................................. 12 Figure 1.12 : Représentation des équinoxes et solstices et l’inclinaison de l’axe de rotation de la terre par rapport à son plan de translation autour du soleil [9]. ................................... 13 Figure 1.13 : Représentation latitude et longitude [5]. ............................................................. 15 Figure 1.14 : Variation annuelle de la déclinaison solaire [5].................................................. 16 Figure 1.15 : Variation de l’angle horaire en fonction de T_S [5]. .......................................... 17 Figure 1.16 : Représentation des angles Zénith, Azimut et altitude solaires [13]. ................... 17 Figure 1.17 : modèle d’un héliostat dans ses premières applications [14]. .............................. 18 Figure 1.18 : champ d’héliostat-centrale solaire Thémis France [15]...................................... 18 Figure 1.19 : Types de suiveurs solaires [15]........................................................................... 19 Figure 1.20 : Exemple et fonctionnement du tracker passif [15]. ............................................ 19 Figure 1.21 : principe général de la commande du tracking [15]............................................. 20 Figure 1.22 : Schéma synoptique de la technique du tracking [15]. ........................................ 21 Figure 1.23 : Représentation des plans 1 et 2 séparant les LDR [15]. ..................................... 21 Figure1. 24 : Circuit équivalent du capteur LDR utilise [15]. ................................................. 22 Figure 1.25 : Organigramme de la méthode de suiveur mono-axe [15]................................... 23 Figure 1.26 : Vue d’en haut de la disposition des quatre capteurs LDR [15]. ......................... 24 Figure 1.27 : Organigramme de la méthode de suiveur double-axe [15]. ................................ 25

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Figure 1.28 : diagramme de comparaison entre la production avec suiveur et la production avec système fixe [16]....................................................................................................... 26 Figure 2.1 : Symbole d’une photorésistance (LDR). ............................................................... 27 Figure 2.2 : Résistance d’une photorésistance en .................................................................... 28 Figure 2.3 : Sensibilité spectrale d’une .................................................................................... 28 Figure 2.4 : Principe d’une photorésistance [17]. .................................................................... 29 Figure 2.5 : Schéma électronique – carte Arduino Uno [18]. ................................................. 30 Figure 2. 6 : Typon de la carte Arduino Uno [18].................................................................... 31 Figure 2.7 : La carte Arduino Uno [18]. .................................................................................. 31 Figure 2.8 : Câble USB type A/B (Arduino UNO). ................................................................. 32 Figure 2. 9 : Fils de pin d’Arduino. .......................................................................................... 32 Figure 2.10 : microcontrôleur ATMega328 [18]. .................................................................... 33 Figure 2.11 : Interface de commande du dispositif. ................................................................. 34 Figure 2. 12 : Symbole de la machine à courant continu [19]. ................................................ 35 Figure 2. 13 : Vue d’ensemble d’une machine à courant continu [20]. ................................... 36 Figure 2.14 : Schéma de principe d’une génératrice à courant continu [19]............................ 36 Figure 2. 15 : Schéma de principe d’un moteur à courant continu [19]. .................................. 36 Figure 2.16 : Modèle de l’inducteur [19]. ................................................................................ 37 Figure 2. 17 : Cas d’une génératrice [19]. ................................................................................ 37 Figure 2.18 : Cas d’un moteur [19]. ......................................................................................... 37 Figure 2. 19 : Courbe d’EV (V) à Ω constant [19]................................................................... 37 Figure 2. 20 : Courbe d’EV (Ω) à Φ constant [19]. ................................................................. 38 Figure 2. 21 : Courbe Pour un moteur [19]. ............................................................................. 38 Figure 2.22 : Courbe Pour une génératrice [19]. ...................................................................... 38 Figure 3. 1 : Diagramme de la bête à corne [20]. ..................................................................... 40 Figure 3. 2 : Graphe d’interaction [20]. ................................................................................... 41 Figure 3.3 : Schéma synoptique global. ................................................................................... 42 Figure 3.4 : localisation de la ville de Douala. ......................................................................... 43 Figure 3.5 : l'image du panneau photovoltaïque. ..................................................................... 45 Figure 3.6 : Vue éclaté du moteur mcc [21]. ............................................................................ 46 Figure 3.7 : Moteur à courant continu [21]. ............................................................................. 46 Figure 3.8 : le circuit d'interface............................................................................................... 46 Figure 3.9 : image du relais électromagnétique. ...................................................................... 47 Figure 3.10 : Image de la carte Arduino Uno [22]. .................................................................. 48 Rédigé par DOUMPA Cyril et FEKOUA Armand

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Figure 3.11 : image de la LDR ∅ 5 [23]. .................................................................................. 49 Figure 3.12 : Schéma de l'alimentation. ................................................................................... 49 Figure 4.1 : Interface du logiciel Proteus version 8.1. ............................................................. 51 Figure 4.2 : Interface d’ISIS (logiciel de dessin et de simulation) sur Proteus [24]. ............... 53 Figure 4.3 : Interface d’ARES (logiciel de réalisation du typon) sur Proteus [24]. ................. 54 Figure 4.4 : Présentation des parties principales du logiciel [25]. ........................................... 55 Figure 4. 5: Organigramme du programme du prototype. ....................................................... 57 Figure 4.6 : Schéma global du système électronique. ............................................................. 58 Figure 4.7 : Simulation du prototype. ...................................................................................... 58 Figure 4.8: circuit électronique du suiveur. .............................................................................. 59 Figure 4. 9 : Moteur de contrôle d’élévation. .......................................................................... 60 Figure 4. 10 : Moteur de contrôle d’azimut.. ........................................................................... 60 Figure 4.11 : Le support mécanique du panneau...................................................................... 60

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LISTE DE TABLEAUX. Tableau 2. 1 : Résumé des avantages, inconvénients et application des machines à courant continu [8]. ........................................................................................................................ 39 Tableau 3. 1: Description des fonctions du graphe d’interaction. ............................................ 41 Tableau 3.2: Caractéristiques du module photovoltaïque. ....................................................... 45 Tableau 3. 3 : Caractéristiques de l'opto-coupleur. ................................................................. 47 Tableau 3.4 : Caractéristiques du relais électromagnétique. .................................................... 47 Tableau 3. 5: Caractéristiques du microcontrôleur ATMEGA 328. ........................................ 48 Tableau 3. 6: Caractéristiques du capteur (photorésistance). ................................................... 49 Tableau 3. 7: Caractéristiques du régulateur de tension 78L05. .............................................. 49 Tableau 3.8: Caractéristiques de la batterie de stockage solaire. ............................................. 50 Tableau 3. 9 : Caractéristiques des condensateurs. .................................................................. 50

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GLOSSAIRE PV : photovoltaïque GPV : générateur photovoltaïque STC : (Standard Test Conditions) condition d’essai standard. EVA : éthylène-acétate de vinyle Watt-crête (Wc) : la puissance électrique maximum que peut fournir le module dans les conditions standards DC : courant continu AC : courant alternatif SC : semiconducteur Eg : énergie de la bande de gap (eV) h : constante de Planck v : fréquence de la lumière C : vitesse de la lumière l : longueur d’onde de la lumière I : courant fournie par une cellule(Ampère) V : tension aux borne de la cellule (volt) Iph : courant photo généré par le générateur photovoltaïque sous éclairement (A). ID : courant qui traverse la diode (A). Is : courant de saturation de la diode (A). Icc : courant de court-circuit (A). Voc : tension de circuit ouvert (v) Pc : puissance crête (W). IRsh : courant qui traverse Rsh (A). Rs : résistance série du générateur (_). Rsh: résistance parallèle du générateur (_). q : charge de l’électron (1.6 10-19 Coulomb). K : constante de Boltzmann (1.38* 10-23J/0K). T : température (absolue) effective de la cellule en Kelvin (°K). A : facteur de non idéalité de la jonction (13) Rédigé par DOUMPA Cyril et FEKOUA Armand

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S : la surface de module en (m2). E : l’éclairement en W/m R : est la résistance de la LDR en Ω

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SOMMAIRE DEDICACE. ................................................................................................................................ i REMERCIEMENTS .................................................................................................................. ii AVANT PROPOS ..................................................................................................................... iii RESUME................................................................................................................................... iv ABSTRACT ............................................................................................................................... v LISTE DE FIGURES ................................................................................................................ vi LISTE DE TABLEAUX. .......................................................................................................... ix GLOSSAIRE .............................................................................................................................. x INTRODUCTION GENERALE................................................................................................ 1 CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES PANNEAUX PHOTOVOLTAIQUES ET TECHNIQUES DE POURSUITE SOLAIRE INTRODUCTION ...................................................................................................................... 4 I.1 L’énergie solaire.................................................................................................................. 4 I.2 La cellule photovoltaïque. ................................................................................................... 6 I.3 Géométrie solaire-trajectoire solaire. ................................................................................. 15 I.4 Etat de l’art du suiveur solaire. ......................................................................................... 18 I.5 Les techniques de poursuite solaire. ................................................................................. 20 I.6 Comparaison entre le panneau fixe et mobile. .................................................................. 25 CONCLUSION ........................................................................................................................ 26 CHAPITRE II : MATERIALISATION DU SUIVEUR SOLAIRE. INTRODUCTION .................................................................................................................... 27 II.1 Les capteurs de lumière. .................................................................................................... 27 II.2 Le circuit de commande. ................................................................................................... 29 II.3 Circuit d’interfaçage.......................................................................................................... 34 II.4 Les machines à courant continu. ....................................................................................... 35 Conclusion................................................................................................................................ 39 Rédigé par DOUMPA Cyril et FEKOUA Armand

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CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT ET CHOIX DES COMPOSANTS. INTRODUCTION .................................................................................................................... 40 III.1 Analyse fonctionnelle........................................................................................................ 40 III.2 Schéma synoptique............................................................................................................ 42 III.3 Dimensionnement et choix de chaque bloc. ...................................................................... 42 CONCLUSION ........................................................................................................................ 50 CHAPITRE IV : SIMULATION, REALISATION ET TEST. INTRODUCTION .................................................................................................................... 51 IV.1Présentation du logiciel de simulation proteus et du compilateur du programme. ........... 51 IV.2 Organigramme du programme du système. .................................................................... 56 IV.3 Implémentation sur Proteus. ........................................................................................... 58 IV.4 Simulation du système. ................................................................................................... 58 IV.5 Réalisation du système. ................................................................................................... 59 IV.6 Test du système réalisé. .................................................................................................. 60 CONCLUSION ........................................................................................................................ 64 CONCLUSION GENERALE .................................................................................................. 65

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INTRODUCTION GENERALE L’énergie électrique est un facteur essentiel de l’évolution et de développement des sociétés sur le plan de l’amélioration des conditions de vie, et sur le plan de développement des secteurs industriels. Elle est devenue indispensable par la multiplicité des domaines d’activité où elle est demandée. Donc, elle doit être produite, transportée, et distribuée d’une façon permanente. Selon « The Office of Technology Assessment» du Congrès Américain, les réserves mondiales connues du pétrole seront épuisées en 2037 (même si d’autre prétendent que le pétrole durera 60 ans , le gaz 120 ans , le problème reste inchangé) ,et parallèlement, la forte croissance de la population prévue dans les années à venir qui devrait encore augmenter les besoins en électricité et le soucis de pollution , toutes ces perspectives ont encouragé le grand public à s’orienter vers les énergies renouvelables qui englobent entre autre l’énergie éolienne, l’énergie solaire et la biomasse . Si on compare les avantages de ces types de sources d’énergie, on peut dire que l’énergie photovoltaïque est privilégiée par rapport aux autres, car sa production journalière est quasi-régulière. L’énergie solaire est une source d’énergie inépuisable à l’échelle humaine du temps et propre car elle ne provoque pas d’émissions de gaz nocifs pour notre environnement. Elle se propage dans l’espace sous forme des photons, donc, elle est disponible partout et sans cesse renouvelable. Les pays du tiers monde, particulièrement les zones rurales de certains d’entre eux et qui rencontrent des problèmes de maintenance, de manque de combustible et de pièces de rechange, verront dans le procédé photovoltaïque une possibilité de développement efficace. À titre d’exemple pour donner un ordre de grandeur des énergies mises en jeu, des études dont les résultats sont repris dans le Plan Énergétique National (PEN), indiquaient que le Cameroun dispose d’une insolation moyenne de 4,9KWh/m2/j, soit 4KWh/m2/j pour la partie sud du pays et 5,8KWh/m2/j pour la partie septentrionale. Ainsi, nous pouvons imaginer que même si nous disposons d’un capteur ayant un rendement de 10 %, nous pouvons récupérer une énergie importante en dépit de son coût qui est relativement important. L’énergie solaire reçue au Cameroun est estimée à 89,25 TWh/an et elle est exploitable sous deux formes : thermique et photovoltaïque. L’intensité de l’énergie solaire reçue à la terre est variable et très souvent les besoins en électricité ne correspondent pas aux heures d’ensoleillement. Conséquemment, il est nécessaire d’équiper le système par des batteries d’accumulateurs qui permettent de stocker l’électricité et de la restituer en temps voulu. Or, dans une installation photovoltaïque autonome, les recherches ont montré que le couplage direct d’un générateur photovoltaïque et d’une batterie est le plus simple à réaliser, mais ne permet pas de tirer le maximum de puissance disponible et ne peut également pas offrir Rédigé par DOUMPA Cyril et FEKOUA Armand

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de bonnes performances vu la batterie qui est un élément très critique, elle ne doit pas être trop chargée ou trop déchargée, cela aura comme résultat son vieillissement très rapide. Pour assurer la meilleure autonomie du système photovoltaïque avec une batterie en un temps réduit, un système de poursuite solaire est indispensable. Pour cela, il faut intercaler dans le système un "suiveur solaire", dont le rôle est de maximiser le rendement du module utilisé et garder la batterie saine par l’intermédiaires d’un régulateur. Ces raisons, jour pour jour, poussent les chercheurs scientifiques à développer, à améliorer et à optimiser l’exploitation des systèmes photovoltaïques. C’est dans le même ordre d’idée que le thème : « ETUDE, CONCEPTION ET REALISATION D’UN SUIVEUR SOLAIRE BIAXES » a été choisi. Plusieurs travaux ont porté sur les systèmes photovoltaïques. Les premières applications des suiveurs solaires remontent vers les années 1750 où le principe repose sur l’utilisation de l’héliostat. La rotation du miroir de l’héliostat est assurée par un mécanisme d’horlogerie dont la plus ancienne mention du système se trouve dans des publications datant de 1742 du physicien néerlandais Willem Jacob ’s Gravesande [13]. Dans ce contexte, notre motivation dans ce travail développé en quatre chapitres est de construire un système permettant d’optimiser l’énergie fournie par les modules photovoltaïques dans le but de maximiser la quantité d’éclairement absorbé par les modules photovoltaïques en suivant le mouvement du soleil pendant la journée dans la ville de Douala ; pour cela, une fois assemblé la partie mécanique et celle simuler sur Proteus et réalisée tester l’ensemble puis relever les données et comparer aux données quand ce module sera orienté plein sud par une graphe et bien sûr comparer à une référence. Afin d’atteindre le but fixé, nous avons organisé notre mémoire de la manière qui suit : - Le chapitre premier comporte une revue de la littérature sur l’énergie solaire, la cellule et le panneau photovoltaïque, la géométrie et la trajectoire solaire et en fin le suiveur et les techniques de poursuite solaire. - Le second chapitre est axé sur la matérialisation du suiveur solaire. - Le chapitre trois, chapitre dans lequel nous ferons ressortir tous les dimensionnements et le choix des composants constituant les différents blocs de notre système. - Le quatrième chapitre sera consacré à la réalisation et aux tests du système de poursuite. Pour la validation de notre travail, nous ferons des tests lorsque le module sera en plein sud durant toute une journée et faire fonctionner ce dernier et faire une comparaison expérimentale. Les résultats obtenus seront présentés dans le dernier chapitre. Rédigé par DOUMPA Cyril et FEKOUA Armand

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Enfin, on terminera ce projet par une conclusion générale et des perspectives pour des études ou des projets avenir.

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INTRODUCTION Au cours de la journée, le soleil se déplace continuellement. Dans une installation photovoltaïque (PV) fixe, l’énergie fournie par les panneaux est maximale seulement à midi. Si les panneaux PV sont toujours orientés vers le soleil, c’est comme s’il y avait constamment la condition correspondant à midi, la puissance générée est toujours maximale, et pour les panneaux PV classiques et pour ceux à concentrateurs où les rayons doivent être perpendiculaires. Dans ce chapitre nous allons faire une revue de la littérature sur l’énergie solaire, la cellule et le panneau photovoltaïque, la géométrie et la trajectoire solaire et en fin le suiveur et les techniques de poursuite solaire.

I.1 L’énergie solaire. Le soleil est une source d’énergie qui envoie à la surface de la terre un rayonnement qui représente chaque année environ 8400 fois la consommation énergétique. Cela correspond à une puissance instantanée reçue de 1 kilowatt crête par mètre carré 𝐾𝑊𝑐/𝑚2 répartie sur tout le spectre, de l’ultraviolet à l’infrarouge. Les déserts de notre planète reçoivent en 6 heures plus d’énergie du soleil que n’en consomme l’humanité en une année. L'énergie solaire est produite et utilisée selon plusieurs procédés :  L'énergie solaire thermique : qui consiste tout simplement à produire de la Chaleur grâce à des panneaux sombres. On peut aussi produire avec de la vapeur à partir de la Chaleur du soleil puis convertir la vapeur en électricité.  L'énergie solaire photovoltaïque : qui consiste à produire directement de L’électricité à Partir de la lumière à l'aide de panneaux solaires. Cette forme d'énergie est Déjà exploitée dans de nombreux pays, surtout dans les pays ou les régions ne Disposant pas de ressources énergétiques conventionnelles tels que les hydrocarbures ou le charbon.

I.1.1

Rayonnement solaire.

Le rayonnement solaire est la matière première de l’énergie solaire. C’est une propagation d’une onde de longueur qui varie entre 0.2 et 4.10-6m, sans la nécessite d’un support physique pour se déplacer, il arrive au sol après la perte d’une grande partie de son intensité, à cause d’une partie de l’ultraviolet, qui s’absorbe. 

Le rayonnement direct est reçu directement du soleil, sans diffusion par l'atmosphère.

Ses rayons sont parallèles entre eux, il forme donc des ombres et peut être concentré par des miroirs. Il peut être mesuré par un pyrhéliomètre. Rédigé par DOUMPA Cyril et FEKOUA Armand

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

Le rayonnement diffus est constitué par la lumière diffusée par l'atmosphère

(Air, nébulosité, aérosols). La diffusion est le phénomène qui répartit un faisceau parallèle en une multitude de faisceaux partant dans toutes les directions. Dans le ciel, ce sont à la fois les molécules d'air, les gouttelettes d'eau (nuages) et les poussières qui produisent (éclatement) des rayons du soleil. Cela dépend donc avant tout des conditions météorologiques. 

Le rayonnement solaire réfléchi ou l’albédo du sol est le rayonnement qui est réfléchi

par le sol ou par des objets se trouvant à sa surface. Cet albédo peut être important lorsque le sol est particulièrement réfléchissant (eau, neige). 

Le rayonnement global : est la somme de tous les rayonnements reçus, y compris le

Rayonnement réfléchi par le sol et les objets qui se trouvent à sa surface. Il est mesuré par un Pyranomètre ou un solarimètre sans écran.

I.1.2

Spectre du rayonnement. Le rayonnement électromagnétique est composé de « grains » de lumière appelés

photons. L’énergie de chaque photon est directement liée à la longueur d’onde 𝜆 . Le spectre du rayonnement extraterrestre correspond environ à l’émission d’un système dont l’on ne connait pas ses paramètres internes porté à 5800° 𝑘. Une courbe standard, compilée selon les données recueillies par les satellites, est désignée sous le nom d’AM0. Sa

distribution

d’énergie

est

repartie

ainsi

qu’il

0.38mm 6.4% Visible 0.38 < 1 < 0.78mm 48.0%

suit : Ultraviolet UV 0.20 < 1 < Infrarouge IR 0.78 < 1
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 VLDR ouest > VLDR est

Mode nuit, système en veille. Mode jour, rotation du panneau PV vers l’Ouest.

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VLDR ouest < VLDR est

Mode jour, rotation du panneau PV vers l’Est.

VLDR ouest = VLDR est

Condition d’arrêt, le panneau est dans une position

optimale. I.5.3 Suiveur double-axe. Pour assurer un suivi complet de la course solaire (en azimut et en zénith), on additionne, à l’architecture précédente figure ci-dessous, deux autres capteurs LDR pour couvrir les changements (Nord-Sud) de la déclinaison solaire « 𝛿» qui varie de +23.45° à -23.45° durant l’année.

Figure 1.26 : Vue d’en haut de la disposition des quatre capteurs LDR [15]. Le principe est le même pour le suiveur double axe, il est basé sur la différence d’éclairement des quatre LDR. La figure ci-dessous représente l’organigramme de l’algorithme de poursuite en double axe. En plus des cas étudiés ci-dessus pour le mono-axe, on rajoute les trois autres cas suivant : VLDR Nord > VLDR Sud

rotation du panneau PV vers le Nord.

VLDR Nord < VLDR Sud

rotation du panneau PV vers le Sud.

VLDR ouest = VLDR Est & VLDR Nord= VLDR Sud Condition d’arrêt, le panneau est dans une position optimale.

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Figure 1.27 : Organigramme de la méthode de suiveur double-axe [15]. I.1 Comparaison entre le panneau fixe et mobile. Dans une installation fixe, qui pour en optimiser le rendement est exposé au sud, l’énergie rendue par les modules PV est maximale seulement l’après-midi comme indiqué sur la figure ci-dessous Pour cela si les modules PV sont toujours orientés vers le soleil, c’est comme s’il y avait constamment la condition correspondante à l’après-midi, la puissance générée est donc toujours celle maximale. Donc, les modules photovoltaïques placés sur des suiveurs soleil ont un rendement énergétique qui augmente de manière appréciable par rapport aux installations fixes.

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Figure 1.28 : diagramme de comparaison entre la production avec suiveur et la production avec système fixe [16].

CONCLUSION Dans cette partie, nous avons donné un aperçu général sur le domaine photovoltaïque. On a commencé par donner l'essentiel sur les cellules solaires. Nous avons présenté les deux algorithmes de poursuite mono-axe et double-axe qui permettent d’optimiser les performances d’un panneau PV classique et d’assurer le bon fonctionnement de celui, en faisant en sorte que les rayons solaires y soient perpendiculaires. De même, nous avons donné un bref aperçu sur l’intérêt de panneau photovoltaïque mobile par rapport au panneau photovoltaïque fixe, et la différence du rendement de l’énergie entre les deux panneaux. Dans le chapitre qui suit nous présenterons de manière succincte les matériels qui constituent notre dispositif.

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INTRODUCTION Dans ce chapitre, nous présenterons d’une manière détaillée le dispositif que nous réaliserons à savoir : le « Suiveur Solaire Bi-axial à Base de la photorésistance ». Ce système suiveur est constitué d’une partie mécanique qui sert à supporter le panneau et le diriger vers les rayons du soleil et une partie électronique constituée des capteurs solaires, une carte microcontrôleur « Arduino » et des moteurs électriques qui autre fois avaient pour rôle de lève vitre dans un véhicule.

II.1 Les capteurs de lumière. II.1.1 Définitions : Un capteur : est un dispositif qui permet de convertir une grandeur physique en un signal électrique (tension / courant) ou pneumatique normé. Il existe plusieurs capteurs de lumière tels que : la photodiode, phototransistor, la photorésistance,

Capteur CCD (coupled charge device – dispositif à transfert de charge), etc…. Le capteur que l’on va utiliser est la photorésistance encore appelé LDR (Light Dependant Resistor, résistance dont la valeur ohmique dépend de son niveau d'éclairement). En effet, sa résistance varie en fonction du flux lumineux incident, elle est inversement proportionnelle à la lumière reçue.

Une photorésistance : est une couche mince de semi-conducteur constitué généralement de sulfure de cadmium (CdS). En l’éclairant, le nombre de porteurs et donc la conductivité augmente. II.1.2 Symbole et caractéristiques. a) Symbole.

Figure 2.1 : Symbole d’une photorésistance (LDR). b) Caractéristiques de la photorésistance. Plusieurs caractéristiques métrologiques sont intéressantes à déterminer :  La sensibilité, rapport entre la grandeur électrique (résistance, courant inverse) et la grandeur photométrique (généralement le flux lumineux) ; Rédigé par DOUMPA Cyril et FEKOUA Armand

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 La réponse spectrale donnant la variation de la sensibilité en fonction de la longueur d’onde ;  Les temps de réponse donnant le temps d’évolution du signal électrique pour une variation brusque du flux incident (obscurité – lumière et lumière – obscurité). Très médiocre par rapport à la photodiode, surtout lors du passage de la lumière à l’obscurité (dizaines de ms). Comme application la photorésistance sert essentiellement pour des détections en tout ou rien de lumière (commande automatique).

𝑅 = 𝐾𝐸 −𝛾

Figure 2.3 : Sensibilité spectrale d’une Photorésistance [17].

Figure 2.2 : Résistance d’une photorésistance en fonction du flux lumineux [17].

II.1.3 Principe de fonctionnement. Un cristal de semi-conducteur à température basse contient peu d'électrons libres. La conductivité du cristal est très faible, proche de celle d'un isolant. Lorsque la température du cristal augmente, de plus en plus d'électrons qui étaient immobilisés dans les liaisons covalentes s'échappent et peuvent participer à la conduction. A température constante si le même cristal semi-conducteur est soumis à une radiation lumineuse, l'énergie apportée par les photons peut suffire à libérer certains électrons utilisés dans les liaisons covalentes entre atomes du cristal. Plus le flux lumineux sera intense, plus le nombre d'électrons disponibles pour assurer la conduction sera grand, ainsi la résistance de la LDR est inversement proportionnelle à la lumière reçue. La sensibilité dépend de la fréquence de la radiation lumineuse.

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Figure 2.4 : Principe d’une photorésistance [17].

II.2 Le circuit de commande. Le circuit de commande de notre système est basé complètement sur un circuit programmable dit « Arduino UNO », l’avantage de ce dernier est de minimiser la surface des cartes électriques donc on minimise l’utilisation des quantités des composants électroniques. II.2.1 Définition. La carte Arduino Uno : est une carte de dimension 5,33 x 6,85 cm programmable intégrant un microcontrôleur. C'est une interface programmable. Qui initialement ne sait rien faire ou presque. Il se connecte via un câble USB. Pour lui apprendre à réaliser des tâches utiles, il va falloir le programmer. La carte peut recevoir sur ses entrées des signaux numériques ou analogiques. Ensuite le microcontrôleur traite les informations et les transmet sur ses sorties numériques ou analogiques. II.2.2 Présentation de la carte Arduino Uno. Arduino Uno est une carte électronique obtenue après avoir fait une étude minutieuse, conçue et simulé dans un logiciel électronique. Après simulation, le groupe Arduino a réalisé le typon dans le même logiciel et a suivi la procédure de réalisation d’une carte électronique sur une plaque pré-sensibilisée double faces. Comme nous l’avons décrit ci-haut nous vous présenterons le schéma électronique dans un premier temps, son typon et ensuite ladite carte que nous donnerons la description. Le câblage des composants suit un plan spécifique à chaque carte électronique, qui se nomme le schéma électronique.

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a) Schéma électronique – carte Arduino Uno.

Figure 2.5 : Schéma électronique – carte Arduino Uno [18]. Enfin, avant de passer à la réalisation d’une carte électronique, il est nécessaire de transformer le schéma électronique en un schéma de câblage, appelé typon.

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b) Schéma de câblage ou typon de la carte Uno.

Figure 2. 6 : Typon de la carte Arduino Uno [18]. Enfin pour l’obtention de ladite carte le groupe Arduino a eu à respecter aux détailles toutes les procédures de réalisation de carte électronique que nous voyons à l’image qui suit. a) La carte Arduino Uno et sa description.

Figure 2.7 : La carte Arduino Uno [18]. Rédigé par DOUMPA Cyril et FEKOUA Armand

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Voici quelques accessoires d’Arduino utilisées dans ce projet.  Câble USB A mâle/B mâle.

Figure 2.8 : Câble USB type A/B (Arduino UNO). Le câble USB permet à la fois d’alimenter un projet Arduino, de programmer la carte (via Arduino IDE) mais aussi d'utiliser le Moniteur Série.  Fils de pin d’Arduino.

Figure 2. 9 : Fils de pin d’Arduino. Ces fils males sont utilisés pour brancher et connecter l’Arduino avec d’autre pièce et pour les tests. II.2.4 Microcontrôleur ATMEL ATMega328. Le microcontrôleur de la carte Arduino UNO est un ATMega328. C'est un microcontrôleur ATMEL de la famille AVR 8bits. Les principales caractéristiques sont :  FLASH= mémoire programme de 32Ko  SRAM= données (volatiles) 2Ko  EEPROM= données (non volatiles) 1Ko

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 Digital I/O (entrées-sorties Tout Ou Rien) = 3 ports PortB, PortC, PortD (soit 23 broches en tout I/O) Timers/Counters: Timer0 et Timer2 (comptage 8 bits), Timer1 (comptage 16bits) Chaque timer peut être utilisé pour générer deux signaux PWM. (6 broches OCxA/OCxB).

Figure 2.10 : microcontrôleur ATMega328 [18]. Plusieurs broches multifonctions : certaines broches peuvent avoir plusieurs fonctions différentes, choisies par programmation. Elles ont alors plusieurs noms sur le brochage (voir ci-avant) Par exemple, les broches PB1, PB2, PB3, PD3, PD5, PD6 peuvent servir de sortie PWM (Pulse Width Modulation), c'est-à-dire des sorties qui joueront le rôle de sorties analogiques. Elles correspondent aux broches des connecteurs 3, 5, 6, 9, 10 et 11. Cet autre rôle possible est lié aux timers et ces broches sont alors appelées OCxA ou OcxB dans la documentation. Ce sont les mêmes broches, mais pour une autre fonction. Si vous regardez à nouveau le brochage, vous constaterez que toutes les broches sont multifonctions. PWM= 6 broches OC0A(PD6), OC0B(PD5), 0C1A(PB1), OC1B(PB2), OC2A(PB3), OC2B(PD3) Les broches du PORTC peuvent être converties par un convertisseur Analog to Digital. Analog to Digital Converter (résolution 10bits) = 6 entrées multiplexées ADC0(PC0) à ADC5(PC5) Gestion bus I2C (TWI Two Wire Interface) = le bus est exploité via les broches SDA(PC5) /SCL(PC4). Port série (USART)= émission/réception série via les broches TXD(PD1) /RXD(PD0) Comparateur Analogique= broches AIN0(PD6) et AIN1 (PD7) peut déclencher interruption Watchdog Timer programmable. Gestion d'interruptions (24 sources possibles (cf interrupt vectors)) : en résumé Rédigé par DOUMPA Cyril et FEKOUA Armand

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 Interruptions liées aux entrées INT0 (PD2) et INT1 (PD3)  Interruptions sur changement d'état des broches PCINT0à PCINT23  Interruptions liées aux Timers 0, 1 et 2 (plusieurs causes configurables)  Interruption liée au comparateur analogique  Interruption de fin de conversion ADC  Interruptions du port série USART  Interruption du bus TWI(I2C)

II.3 Circuit d’interfaçage. Comme son nom l’indique le circuit que nous illustrerons ci-dessous joue le rôle d’interface entre la carte Arduino et le moteur qui est un dispositif de forte puissance. Ceci dans le but d’éviter l’interférence, le fonctionnement instable de la commande etc…. Pour ce projet, nous disposons de deux moteurs à courant continu qui doivent être alimentés à 12 volts et tourner dans deux sens. Pour cela, nous avons fait appel aux relais électromagnétiques de 12 volts. Or pour exciter et désexciter la bobine du relais, nous avons choisi les transistors bipolaires que nous allons conditionner pour fonctionner en commutation et dans le but de protéger le transistor contre l’énergie emmagasiner sous forme magnétique l’on utilise les diodes de commutation ou signale. Tout ceci associé nous donne le schéma suivant :

Figure 2.11 : Interface de commande du dispositif. La manière la plus simple de relayer les commandes émergeant de ce circuit de commande pour les transmettre au circuit de puissance est d’utiliser des transistors ou encore des relais comme nous avons mentionné ci-haut. Lorsque les tensions d'alimentation des deux circuits sont plus importantes ou si l’on veut protéger la commande de retours accidentels de courant provenant de la puissance, des optocoupleurs (plutôt que des transistors) assurent une isolation galvanique : l'information est transmise sous forme de lumière. Ainsi, les deux circuits sont complètement isolés électriquement. Vue les avantages de ces derniers nous allons embrasser Rédigé par DOUMPA Cyril et FEKOUA Armand

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la dernière idée qui est d’utiliser les optocoupleurs à la place des transistors pour plus de sécurité.

II.4 Les machines à courant continu. II.4.1

Définition.

Machine à courant continu encore appelée machine réversible : est un convertisseur dynamique capable de transformer l’énergie mécanique en une énergie électrique sous forme continue et inversement. II.4.2 Symbole et constitution de la machine à courant continu.

a) Symbole de la machine à courant continu. Voici les différents symboles employés pour représenter la machine à courant continu, selon qu’elle fonctionne en génératrice (dynamo) ou en moteur et selon le type d’excitation employée.

ou

Figure 2. 12 : Symbole de la machine à courant continu [19]. Le symbole M signifie qu’il s’agit d’un moteur et le trait en dessous indique la nature du courant électrique d’où la dénomination du moteur à courant continu. Pour une génératrice le symbole M serait remplacé par la lettre G Note : Les machines à courant continu peuvent être réversibles. C'est-à-dire qu’elles peuvent fonctionner soit en génératrice soit en moteur

b) Constitution de la machine à courant continu. Ces machines sont généralement constituées de trois parties essentielles à savoir :  Le circuit magnétique ;  Le circuit électrique ;  Le circuit mécanique. Vue d’ensemble (d’après LEROY SOMMER).

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Figure 2. 13 : Vue d’ensemble d’une machine à courant continu [20].

II.4.3

Principe de fonctionnement de la machine à courant continu.

C’est une machine tournante, elle est basée sur les lois de l’induction électromagnétique (Lenz et Faraday). Par conséquent, elle est réversible et elle peut fonctionner soit en : a) Génératrice. On alimente l’inducteur par une tension continue et il produit un champ magnétique constant. Lorsque l’induit est entrainé en rotation, il devient le siège de variation du flux à travers les spires qui le constituent il en résulte la création d’une f.é.m. Qui est redressée et transmise au circuit extérieur par l’ensemble collecteur plus balais. Pm = 𝚪𝛀

G

Pe = UI

Pertes = Pf + Pm+ Pj Pf : Pertes fer ; Pm : pertes mécaniques et PJ : pertes joule Figure 2.14 : Schéma de principe d’une génératrice à courant continu [19]. b) Moteur. On alimente l’inducteur par une tension continue et il produit un champ magnétique constant. Si l’induit est alimenté par une source de courant continue, le champ inducteur agit sur les conducteurs en leur appliquant les fém. ; ces forces produisent un couple moteur qui entraine l’induit en rotation.

Pe = UI

M

Pm = 𝚪𝛀 Pertes = Pf + Pm+ Pj

Figure 2. 15 : Schéma de principe d’un moteur à courant continu [19]. II.4.4

Modèle électrique d’une machine à courant continu. a) Modèle de l’inducteur.

L’inducteur étant constitué d’enroulement il sera simplement modélisé par Rédigé par DOUMPA Cyril et FEKOUA Armand

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une résistance que l’on appellera dorénavant r.

ie

r

Ue

Avec Ue

= r×ie

Figure 2.16 : Modèle de l’inducteur [19]. Note : Ce modèle n’est valable que si l’inducteur est bobiné ; dans le cas contraire, l’inducteur n’a pas de modèle électrique. b) Modèle de l’induit. L’induit quant à lui sera modélisé par une résistance R en série avec une source de tension continue de f.é.m. E. La résistance R étant celle de l’induit vue des balais.

U = E’ + RI

E = U + RI Figure 2. 17 : Cas d’une génératrice [19].

Figure 2.18 : Cas d’un moteur [19].

II.4.5

Equations caractéristiques. a) Caractéristique à vide Ev = f (𝜱) à Ω constante.

 De O à A, la caractéristique est linéaire, E=K’Φ (avec K’=KΩ).  De A à B le matériau ferromagnétique dont est constitué le moteur commence à saturer. (µR n’est plus constant).  Après B, le matériau est saturé, la f.é.m. n’augmente plus.  La zone utile de fonctionnement de la machine se situe au voisinage du point A. Sous le point A, la machine est sous utilisée, et après le point B les possibilités de la machine n’augmentent plus (mais les pertes augmentent puisque Ie augmente)  Dans la réalité, du fait du matériau ferromagnétique, on

O

relève une caractéristique avec une faible hystérésis. Figure 2. 19 : Courbe d’EV (V) à Ω constant [19].

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b) Caractéristique Ev = f (Ω) à 𝜱 constant. v

(V)

E=K’Ω

Ie = Cte

Remarque : la caractéristique est linéaire tant que la saturation n’est pas atteinte.

Figure 2. 20 : Courbe d’EV (Ω) à Φ constant [19]. c) Caractéristique en charge U=f(I).  La résistance du bobinage provoque une légère chute de tension ohmique dans l’induit : R.I. 

Le courant qui circule dans l’induit créé un flux indésirable de sorte que le flux total

en charge Charge (Ie, I) <  Vide(Ie). Cela se traduit par une chute

de

tension

supplémentaire : c’est la réaction magnétique d’induit. 

Pour l‘annuler, la machine possède sur le stator des enroulements de compensation

parcourus par le courant d’induit : on dit que la machine est compensée. C’est souvent le cas. 

La di st ri buti on du c ourant d’i ndui t p ar l es balais et le collecteur provoque

également une légère chute de tension (souvent négligée).

U  E  RI   U

Figure 2.22 : Courbe Pour une génératrice [19].

E  U  RI  U

Figure 2. 21 : Courbe Pour un moteur [19].

d) Les différentes pertes.  Pertes constantes. Les pertes dites « constantes » ou « collectives ». C’est à dire que si le moteur travaille à vitesse et flux constants, les pertes fer et mécaniques sont approximativement constantes.

PC  Pfer  Pméca Remarque : Toute relation entre des puissances peut être ramenée à une relation entre des couples. Il suffit de diviser cette première par la vitesse de rotation Ω (en rad.s-1).

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Couple de pertes TP.



PC est proportionnel à Ω, donc PC = kΩ 𝑇𝑝 =

𝑃𝑐 Ω

𝑇𝑝 =

𝑃𝑐 𝐾Ω Ω

Ω

=𝐾

Le moment du couple de pertes est une caractéristique constante du moteur quelle que soit la vitesse.

e) Rendement. Du fait de ces différentes pertes, le rendement d’une machine à courant continu varie entre 80 et 95 %. II.4.6 Avantages, inconvénients et application des machines à courant continu. Tableau 2. 1 : Résumé des avantages, inconvénients et application des machines à courant continu [8].

Machine à courant continu•

Avantages Couple élevé au démarrage • Contrôle du couple et de la Vitesse indépendants • Vitesse de rotation stable et précise

Inconvénients • Dissipation d’énergie (Au rotor) difficile à évacuer • Collecteur : - Coût élevé - Complexité de fabrication - Entretien nécessaire - Durée de vie limitée

Applications • Haute précision (Robotique, etc.) • Besoin d’un couple élevé à l’arrêt (engins de levages, etc.) • Véhicules automobiles, traction ferroviaire

Conclusion Dans cette partie, nous avons présenté de manière succincte les différents éléments constitutifs du dispositif que nous sommes amenés à réaliser. Ces dispositifs interconnectés permettront de diriger le panneau photovoltaïque classique, en faisant en sorte que les rayons solaires y soient perpendiculaires. Dans le chapitre qui suit, nous allons dimensionner et choisir les composants qui permettront la réalisation de notre suiveur.

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INTRODUCTION La partie mécanique est le support du système, il est donc impératif de la concevoir correctement en fonction des pièces les plus optimales et moins chères. Pour cela on va faire une analyse fonctionnelle pour détailler les différentes fonctions. Dans ce troisième chapitre, nous allons ressortir le schéma de l’analyse fonctionnelle, le schéma synoptique dans un premier temps et dans un second temps dimensionner et choisir à l’aide des Datasheets les composants électroniques du dispositif final. III.1 Analyse fonctionnelle. III.1.1 Analyse externe. L’analyse fonctionnelle est une démarche qui consiste à rechercher et à caractériser les fonctions offertes par un produit pour satisfaire les besoins de son utilisateur. Elle se devise en deux étapes  Analyse externe  Interne III.1.1.1 Bête à corne. Du point de vue de l’utilisateur :

A qui rend-il service ? Utilisateur désirant se servir d’un suiveur solaire

Sur quoi agit-il ? Position relative du panneau solaire

Suiveur solaire Bi-axes Dans quel but ? Suivre le soleil afin d’augmenter le rendement du panneau Figure 3. 1 : Diagramme de la bête à corne [20].  Rechercher les fonctions contraintes et d'usage avec la « pieuvre » définir les éléments extérieurs à la maquette et en déduire les fonctions contraintes

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III.1.1.2 Diagramme des interactions. Le diagramme des interactions (appelé aussi diagramme de pieuvre) permet de chercher et ordonner les fonctions de service d'un produit. Système de récupération d’énergie

Soleil FC1 1 Milieu extérieur

FC6

FP

SUIVEUR SOLAIRE

FC2

Support

FC3

FC5 FC4 Maintenabilité

Alimentation

Maintenabilité Figure 3. 2 : Graphe d’interaction [20]. III.1.1.2 Description des fonctions. Tableau 3. 1: Description des fonctions du graphe d’interaction. Fonctions

Descriptions

FP1

Permettre l’orientation du panneau vers la position optimale afin d’avoir un rendement optimal.

FC1

S’adapter aux différents systèmes de récupération d’énergie

FC2

Maintenir le suiveur de soleil en position stable sur le système à orienter.

FC3

S’adapter aux sources d’alimentation disponibles.

FC4

Faciliter la maintenance et respecter les critères normaux.

FC5

Etre beau, présentable.

FC6

Résister aux effets destructifs de l’environnement. Rappel : FP = Fonction Principale, FC = Fonction Contrainte

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III.2

Schéma synoptique.

Interface de commande. Moteur à courant continu. Panneau solaire.

Contrôleur de charge.

ALIMENTATION.

Unité de commande et de traitement.

Figure 3.3 : Schéma synoptique global.

III.3 Dimensionnement et choix de chaque bloc. Pour le dimensionnement du système, nous procèderons comme suit :  Dans un premier temps nous dimensionnerons le panneau solaire qui sera à la fois la charge qui entraînée par les moteurs et la source d’alimentation du sous-système électronique et bien d’autres charges ;  En suite dimensionner les moteurs à courant continu et l’interface de commande ;  Par la suite dimensionner l’unité de commande (Unité de traitement) et de signalisation visuelle (L’afficheur) ;  En fin dimensionner l’alimentation du dispositif électronique.

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III.3.1 Panneau photovoltaïque. Pour choisir le module solaire, il nous faut connaître les paramètres de la localité qu’ici est la ville de douala. Pour cela, par manque des outils appropriés pour effectuer nous même les mesures sur le terrain, nous nous sommes servir des données fournies par deux logiciels à savoir : METEONORM un logiciel utilisé par une entreprise située à AKWA qui répond au nom de SUN SHOP AFRICA (SSA) SARL B.P 1359 Douala-Cameroun et un un autre qui est REScreen. Comme vous pouvez le constater la figure qui suit nous une vue de la ville de Douala après introduction de l’attitude qui est de 4.1°N et de la longitude qui est de 9.7° E

Figure 3.4 : localisation de la ville de Douala.  Les coordonnées climatiques de la ville de douala extraites du logiciel RETscreen.

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 Rayonnement et la température de la ville de Douala.

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Cellule photovoltaïque

Figure 3.5 : l'image du panneau photovoltaïque.  Composition d'un module solaire photovoltaïque. Un module solaire photovoltaïque est composé généralement de six éléments : Cadre en aluminium, Joint pour fixer le module, Verre : pour la protection du module, Couche de l'EVA (EVA : éthylène-acétate de vinyle) : pour résister aux intempéries et à l’humidité, Cellules photovoltaïque, Feuille de Tedlar blanc : pour plus de résistance mécanique des grands modules.  Caractéristiques Du Module Photovoltaïque Utilisé. Toutes les données dans les conditions de test standard sont regroupées dans le tableau qui suit :

Tableau 3.2: Caractéristiques du module photovoltaïque. AM E Température Puissance maximale Tolérance Courant maximal Tension maximale Courent de court-circuit Tension à vide Poids Dimension

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1.5 1000 W/m2 25°C 80W ±5% 4.57A 17.5V 5.12A 22.05V 5.8KG 1130*540*30

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III.3.2 Circuits de puissances. Dans notre projet nous avons utilisé des moteurs à courant continu, lève-vitre du fabricant BOSCH (équipementier automobile) ayant pour référence le n° 0 130 821 667 pour qu’ils puissent piloter le panneau, pour cela nous avons utilisé une batterie solaire et l’adaptation des puissances entre les deux est gérée par des relais.

Figure 3.7 : Moteur à courant continu [21].

Figure 3.6 : Vue éclaté du moteur mcc [21].

 Caractéristiques :

Tension nominale Régime de service Couple de serrage Courant nominal III.3.3 Interface de commande.

12 Volts 42 tr/min 0,06 Nm 3,125 A

En ce qui concerne notre circuit d’interface, dans le but d’éviter le courant de retour qui risquera de détériorer la carte de commande, nous avons choisi le circuit suivant :

Figure 3.8 : le circuit d'interface. a) Choix de l’opto-coupleur. Pour ce projet nous avons opté pour un opto-coupleur de référence PC817 dont les caractéristiques sont dans le tableau qui suit :

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Tableau 3. 3 : Caractéristiques de l'opto-coupleur. Référence

Taux de transfert

Tension d’isolement

Vf in Ir in Vce out Ic out (V) (mA) (V) (mA) PC817 5000V / 5 35 / > 50 b) Calcul de la valeur de la résistance de protection de l’opto-coupleur.

Boitier DIP4

Tension de sortie de la carte Arduino : 5 Volt /40𝑚𝐴.

𝑅10 = 𝑅11 = 𝑅12 = 𝑅13 =

𝑉11 − 𝑉𝑠𝑒𝑢𝑖𝑙 𝑙𝑒𝑑 𝐼

AN :𝑅10 = 𝑅11 = 𝑅12 = 𝑅13 =

5−0.6 0.005

= 880

𝑹𝟏𝟎 = c) Choix du relais électromagnétique. Pour pouvoir alimenter nos moteurs à courant continu à 12V, nous aurons besoin d’un dispositif qui jouera le rôle d’interface entre notre circuit de commande qui, alimenté à 5V et ces derniers. Pour cela, nous avons choisi de travailler avec le relais électromagnétique à deux positions (NO : normalement ouvert et NF : normalement fermé) dont l’image est la suivante :

Figure 3.9 : image du relais électromagnétique. Les caractéristiques sont les suivantes : Tableau 3.4 : Caractéristiques du relais électromagnétique. Référence JZC-20F (4088)

Tension (V) 12

Courant (A) 10

Résistance (Ω) 400

Nombre de contacts 02

III.3.3 Circuit de commande. Le circuit de traitement et de commande des informations sera autour de la carte Arduino Uno dont l’image est représentée à la figure suivante :

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Figure 3.10 : Image de la carte Arduino Uno [22].

 Caractéristiques de la carte Arduino Uno. Tableau 3. 5: Caractéristiques du microcontrôleur ATMEGA 328. Microcontrôleur : ATmega328 Tension d'alimentation interne = 5V Tension d'alimentation (recommandée)= 7 à 12V, limites =6 à 20 V Entrées/sorties numériques : 14 dont 6 sorties PWM Entrées analogiques = 6 Courant max par broches E/S = 40 mA Courant max sur sortie 3,3V = 50mA Mémoire Flash 32 KB dont 0.5 KB utilisée par le boot loader Mémoire SRAM 2 KB Mémoire EEPROM 1 KB Fréquence horloge = 16 MHz Dimensions = 68.6mm x 53.3mm III.3.4 Capteurs de lumière. Soit le schéma ci-après :

a) Dimensionnement de la

LDR.

Pour orienter le panneau solaire, comme nous avons déjà mentionné ci-haut notre choix s’est porté sur la LDR ; dont les caractéristiques sont les suivantes :

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Tableau 3. 6: Caractéristiques du capteur (photorésistance). Pointe de réponse spectrale : 550 nm Résistance à 10 lux : 10 - 50 KΩ Résistance d’obscurité : 1 MΩ Tension max : 100 V Dimension : Ø 5 mm

Figure 3.11 : image de la LDR ∅ 5 [23].

b) Résistances de pont avec la LDR. Soit 𝑅𝑃 la résistance de pont. 𝑅𝑃 ∗𝑉

𝑉𝑆 =

𝑅𝑃 +𝑅𝐿𝐷𝑅

𝑅𝑃 =

−𝑉𝑆 ∗𝑅𝐿𝐷𝑅 (𝑉𝑆 −𝑉)

=> 𝑅𝑃 (𝑉𝑆 − 𝑉) = −𝑉𝑆 ∗ 𝑅𝐿𝐷𝑅

𝐴𝑁: 𝑅𝑃 =

−2.56∗10000 (2.56−5)

= 10,491𝐾Ω

𝑹𝑯 = 𝟏𝟎𝑲Ω ± 𝟓% III.3.5 Alimentation. Pour alimenter notre dispositif électronique, nous avons besoin d’une batterie solaire, d’un circuit intégré répondant au nom de régulateur de tension pour la carte de commande qui a besoin d’une tension de 5V, d’un courant maximal de 40 mA et de deux condensateurs un pour l’antiparasitage (C2) et l’autre pour le découplage (C1) ; comme la montre la figure ciaprès.

Figure 3.12 : Schéma de l'alimentation. Les caractéristiques des composants sont les suivantes :  Le régulateur de tension fixe : Tableau 3. 7: Caractéristiques du régulateur de tension 78L05. Référence 7805 Rédigé par DOUMPA Cyril et FEKOUA Armand

tension 05V

courant 1A Page 49

 La batterie solaire : Tableau 3.8: Caractéristiques de la batterie de stockage solaire. Référence CSB BATTERY CO. LTD.

Tension (V) 12

Puissance (W) 110

Capacité (AH) 24

 Les condensateurs d’antiparasitage et de stabilisation : Tableau 3. 9 : Caractéristiques des condensateurs. Condensateur de découplage

La valeur choisie est de 0.1𝜇𝐹 avec une tension de service 25V

Condensateur de stabilisation La valeur choisie est de 1𝜇𝐹 avec une tension de service 25V

CONCLUSION Arrivé au terme de ce chapitre, nous pouvons affirmer avoir atteint les objectifs que nous nous sommes fixés au départ qui était de concevoir autrement dire de dimensionner et de choisir les composants qui entrerons dans les sous systèmes électroniques, qui une fois interconnectés constituerons le système final. Après ces derniers, le chapitre qui suit sera consacré à la simulation, à la réalisation et en fin au test proprement du dispositif global.

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INTRODUCTION Dans cette partie qui porte sur la simulation et réalisation pratique destinée à mettre en évidence le suiveur solaire biaxes avec contrôleur de charge. Ce prototype peut être utilisé à des fins de travaux pratiques pour la matière d’installation électrique (énergie renouvelable). Dans ce chapitre, nous allons réaliser les différents blocs présentés dans le chapitre 3 et présenter les étapes suivies qui nous ont menés à finaliser ce prototype. Tous les circuits électriques réalisés et présentés dans ce document ont été testés par simulation sur « Isis » avant d’être concrétisés.

IV.1 Présentation du logiciel de simulation Proteus et du compilateur du programme. IV.1.1 Présentation du logiciel de conception PROTEUS. PROTEUS est un logiciel utilise en électronique, composer d’ISIS, d’ARES et d’une bibliothèque des composants. Ce sont des logiciels de conception assiste par ordinateur (CAO) ou computer aide design (CAD) en anglais ; ce qui signifie l’ordinateur nous assiste dans le travail que nous faisons.

Figure 4.1 : Interface du logiciel Proteus version 8.1. Rédigé par DOUMPA Cyril et FEKOUA Armand

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a) Présentation de l’interface Isis. ISIS (Intelligent Schematic Input System) : est un logiciel destiné à la saisie des schémas électronique et à la simulation. La simulation est une étape très importante dans la conception et le dépannage des circuits électronique. Elle permet de vérifier le fonctionnement d’un circuit sans avoir à le réaliser. Pour cela, le circuit est dessiné sur un ordinateur (On dit aussi saisi ou capture), qui se charge alors de faire les calculs et d’indiquer les valeurs trouvées. ISIS permet de travailler comme dans un laboratoire, car au lieu de fournir des valeurs numériques à interpréter, il utilise des outils que l’on trouve dans le laboratoire et qui sont affichées à l’écran. Ce sont entre autres : le voltmètre, l’oscilloscope, l’ampèremètre, le générateur de fonction, afficheur à cristaux liquide etc… La simulation vous aide dans votre travail, mais ne fera pas le travail à votre place. Votre travail, c’est de savoir où vous allez, elle vous y mènera rapidement. On apprend ce logiciel en pratiquant ; cette dernière est divisée en deux grandes étapes à savoir : le dessin du circuit et la simulation proprement dite. Mais ne vous fier pas toujours aux valeurs imposées par ISIS. Car il peut arriver que la simulation fonctionne, mais vous pouvez rencontrer des difficultés lors de la réalisation sur une plaque à essai ou sur une plaque imprimée et gravée. Voir son interface ci-après :

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Barre de menus Barre d’outils de commande Vue d’ensemble et de positionnement des composants

Sélecteur d’objet

Zone de travail ou d’édition des circuits Ouverture de bibliothèques

Barre d’outils de sélection de mode

Barre d’outils d’orientation Barre d’outils de simulation

Figure 4.2 : Interface d’ISIS (logiciel de dessin et de simulation) sur Proteus [24]. b) Présentation de l’interface d’ARES. Lorsqu’on est convaincu que la simulation a réussie, on passe à la réalisation du câblage appelé typon du circuit simulé. Pour cela cliqué sur la barre d’outils de commande ARES (généralement de couleur rouge) et vous verrez apparaitre l’interface suivant.

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Figure 4.3 : Interface d’ARES (logiciel de réalisation du typon) sur Proteus [24]. IV.1.2 Présentation du logiciel de programmation. La programmation des microcontrôleurs se fait par le langage bas niveau (Assembleur) ou le langage haut niveau (Pascal, Basic, C etc..) selon les motivations du programmeur. Les combinaisons de bits du langage machine sont représentées par des symboles dits « mnémoniques » (du grec mnêmonikos, relatif à la mémoire), c'est-à-dire faciles à retenir. Le programme assembleur convertit ces mnémoniques en langage machine en vue de créer par exemple un fichier exécutable. Le développement des environnements de programmation, nous a permis de voir naître de nouveaux compilateurs qui permettent de programmer avec les langages haut niveau tels que le C, PASCAL, BASIC etc… Ces environnements comportent aussi des bibliothèques qui permettent de faciliter le développement. Il existe plusieurs outils de développement, les uns sont gratuits, les autres sont payants. Dans notre cas nous avons optés pour le compilateur ARDUINO 1.6.9 donc le programme sera réalisé en langage C. Ce choix est à la fois un choix personnel et du point de vue technologique. D'une part le langage C est utilisé dans différents systèmes et domaines de développement, ce qui nous permettra une évolution future, d’autre part le langage C est l’un des langages les plus puissants.

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a) Avantages du langage c. Pour de la programmation de base, le C est intéressant. Il permet rapidement, sans gros effort, de développer des programmes fonctionnels.

Il permet aussi de s’affranchir de

connaissances complexes sur l’architecture des microcontrôleurs Atmega 328. Il a l’avantage de gérer facilement les boucles, les choix, ainsi que l'affichage. b) Inconvénients du langage C. Ledit langage n’est pas le langage naturel du microcontrôleur. Il permet de programmer plus intuitivement. Les logiciels de programmation en C transforment alors les lignes en C en lignes assembleurs directement compréhensibles par le microcontrôleur. Pour programmer efficacement, il est souvent nécessaire d’aller voir le code assembleur, il est donc conseillé d’avoir des bases solides en assembleur. Au jour d'aujourd'hui, l'électronique est de plus en plus remplacée par de l'électronique programmée. On parle aussi d'électronique embarquée ou d'informatique embarquée. Pour parvenir à notre fin, nous devons programmer la carte choisie. Pour cela nous avons fait le choix d'utiliser l'environnement de développement ARDUINO 1.6.9.

c) L'interface. L'interface du compilateur ARDUINO 1.6.9. se présente de la façon suivante : 1 2

3

4

Figure 4.4 : Présentation des parties principales du logiciel [25].  Le cadre numéro 1 : ce sont les options de configuration du logiciel. +9698

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 Le cadre numéro 2 : il contient les boutons qui vont nous servir lors que l’on va programmer nos cartes.  Le cadre numéro 3 : ce bloc va contenir le programme que nous allons créer.  Le cadre numéro 4 : celui-ci est important, car il va nous aider à corriger les fautes dans notre reprogramme. C’est le débogueur. Les boutons Bouton « Verify » (Vérifier) : il permet de compiler votre programme et de vérifier si des erreurs s'y trouvent. Cette procédure prend un certain temps d'exécution et lorsqu’elle est terminée, elle affiche un message de type « Binary sketch size : . . . » Indiquant la taille du sketch téléversé. Bouton « Stop » : arrête le moniteur sériel (certaines plates-formes seulement).

Bouton « New » (Nouveau) : ce bouton permet de créer un nouveau sketch. Bouton « Open » (Ouvrir) : il fait apparaître un menu qui permet d’ouvrir un sketch qui figure dans votre dossier de travail ou des exemples de sketchs intégrés au logiciel. Bouton « Save » (Sauvegarder) : il permet de sauvegarder votre sketch.

Le moniteur sériel est utilisé pour afficher l'information qui est envoyée par la carte Arduino vers l'application (habituellement par le câble USB). Il permet aussi d’envoyer de l'information à la carte Arduino. Pour ce faire, il suffit d’écrire du texte dans le champ situé en haut de la fenêtre et d’appuyer sur le bouton « Send ». Bien évidemment, avant de pouvoir faire ceci il vous faut coder un programme approprié, prêt à recevoir cette information. Il est également possible de régler le baudrate du moniteur sériel, qui précise à quelle vitesse le transfert des données s’effectueront. Il est également possible d'établir une communication sérielle entre la carte Arduino et d’autres périphériques ou logiciels. Nous verrons plus en détails cette fonction dans les projets « Texte brillant » et « Oscilloscope ».

IV.2 Organigramme du programme du système. Avant de passer à la programmation, nous devons réaliser un organigramme qui expliquera le déroulement des différentes séquences, il comportera plusieurs boucles dont la fin d’exécution succède toujours à son commencement.

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Début

Vs, M1, M2, BP1, BP2, Dg, Dd, Fg, Fd, Vert, Horiz, Ph, Pb, Pg, Pd, Pt Dg, Dd, Fg, Fd,

Ph = (Dg + Dd) / 2

Pb = (Fg + Fd) / 2 Pg = (Dg + Fg) / 2 Pd = (Dd+ Fd) / 2 Pt = (Dg + Dd + Fg + Fd) / 4 Vert = Ph - Pb Horiz = Pg - Pd

Vs > Vert

Vs > Vert

M1= 0

M1= 0

B

A

Ph > Pb

Ph > Pb

M1=1 ; sens2 = 1

M1=1 ; sens2 = 1 M1=1 ; sens1 = 1

M1=1 ; sens1 = 1 A

B

Fin Figure 4. 5: Organigramme du programme du prototype.

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IV.3

Implémentation sur Proteus.

Après avoir dimensionné les différents blocs qui constituent notre dispositif, nous leur avons interconnectés et nous avons obtenus le schéma électronique qui suit : Figure 4.6 : Schéma global du système électronique.

IV.4

Simulation du système.

Figure 4.7 : Simulation du prototype.

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IV.5

Réalisation du système.

L’image ci-dessous est celle du circuit électronique constitué du module de l’alimentation, de la carte de contrôle commande et du module d’interface.

Interface

Contrôle, commande

Alimentation

Figure 4.8: circuit électronique du suiveur.

 Description de la structure Notre structure mécanique est constituée de deux parties mobiles. Une partie sur l’axe d’horizon pour la variation d’élévation du panneau par rapport au soleil et l’autre partie sur l’axe vertical pour la variation d’azimut du panneau.  Orientation de l’axe horizontal (élévation) et l’axe vertical (l’azimute). Les deux moteurs utilisés sont à courant continue bidirectionnelle, l’un nous servira pour le déplacement azimutal et l’autre pour l’élévation. Les moteurs sont réglables ce qui signifie qu’ils sont contrôlés par le programme d’Arduino après comparaison des tensions. Ce dernier leur ordonnera le sens, la direction du déplacement à effectuer pour trouver la position du rayonnement maximal et assurera la poursuite du point maximum. Une fois ce point est atteint les moteurs seront arrêtés.

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Figure 4. 10 : Moteur de contrôle d’élévation.

Figure 4. 10 : Moteur de contrôle d’azimut.. Figure 4.11 : Le support mécanique du panneau.

IV.6

Test du système réalisé.

 Test du panneau photovoltaïque en position fixe orienté plein sud avec un angle de déclinaison de 30°

Le test effectué le 27 mai 2018, lorsque le panneau photovoltaïque est fixe, nous a donné les valeurs moyennes que nous avons récapitulé dans le tableau qui suit : Nous nous sommes fixé une période d’échantillonnage de 15 minutes qui correspond à quatre mesures en une heure. temps 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

éclairement puissance 493,5 13,7 193,45 18,0265 481,25 18,7855 729,25 20,57925 910,75 18,0225 846 17,99525 660,25 18,37725 744,75 18,92325 381 17,0375 680 19,9825

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température 27 32,25 47 49,25 45,5 40,75 39,5 39,5 39 46,5 Page 60

16 431,25 17,593 40,75 17 148,225 17 34 18 255 16,616 31 Une fois que nous avons trouvé l’estimateur statistique qui est la moyenne pour une heure ; nous avons introduit ces données dans le logiciel Matlab afin d’obtenir les graphes ci-dessous.

 Le graphe de l’ensoleillement fonction de temps (Heure).

 Le graphe de la température et de la puissance fournie fonction du temps (Heure).

 Interprétations des graphes ci-dessus : Après étude et relevé des caractéristiques du taux d’ensoleillement, de la température et de la puissance lorsque la sortie est connectée à une machine à courant continu. Nous pouvons ainsi faire des remarques suivantes lorsque le panneau était en position fixe plein sud après l’intervalle de chaque 15minutes, il en ressort :  En plein 6h sous l’effet du ciel nuageux, nous constatons un faible taux d’ensoleillement

de 46.1w/m2, avec une température de 27°C ; ainsi qu’une puissance de 11.8W. Rédigé par DOUMPA Cyril et FEKOUA Armand

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 De 6h à 7h, le ciel toujours nuageux, nous constatons que le taux d’ensoleillement a eu une augmentation de 49,35w/m2 ainsi que la puissance qui est de 13,7 w et une température qui est restée constante durant cette heure.  De 7h à 8h, nous remarquons une augmentation de température de 32,25°C ainsi que le taux d’ensoleillement de 193,45 w/m2 de même que sa puissance qui est 18,0265w.  De 8h à 9h, nous constatons une augmentation de température de 47°C ainsi que le taux d’ensoleillement de 481,25w/m2 de même qu’une légère augmentation de sa puissance qui est 18,7855w.  De 9h à 10h, il y a eu augmentation de température de 49,25°C ainsi que le taux d’ensoleillement de 729,25w/m2 de même qu’une légère augmentation de sa puissance qui est 20,57925w.  De 10h à 11h, il y a eu augmentation du taux d’ensoleillement de 910,75w/m2 de même qu’une légère baisse de la température qui est 45,5°C et de sa puissance qui est 18,0225w.  De 11h à 12h, nous constatons que la température décroit ainsi que le taux d’ensoleillement avec une puissance qui augmente légèrement.  De 12h à 14h, il y a eu augmentation de 12h à 13h et une baisse considérable de 13h à 14h du taux d’ensoleillement ; la température et la puissance sont restées presque constantes.  De 12h à 14h, il y a eu augmentation de 12h à 13h et une baisse considérable de 13h à 14h du taux d’ensoleillement ; la température et la puissance sont restées presque constantes.  De 14h à 18h, le constat fait est que l’ensoleillement, la température ainsi la puissance augmentent de 14 h à 15h ; de 15h à 18h les trois décroisent et tombent respectivement à 25,5w/m2, 31°C et 16,616W. LES COURBES POUR LE PV MOBILE

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 Interprétation des graphes ci-dessus Après des prélèvements effectués et tracer les courbes avec le logiciel Matlab, il revient de faire quelques remarques sur quelques points clés tels que :  De 8h à 9h nous constatons un faible taux d’ensoleillement 273W/m2 mais une Puissance élevée de 54.0525W avec une faible température 35.25° 𝐶.  De 9h à 10h il y a également eu augmentation de l’éclairement 433.25W/m2 et une diminution de la puissance de 51.804W ainsi qu’une augmentation de la température de 41.5° 𝐶.  De 10h à 11h il y a eu augmentation de l’éclairement 562 W/m2 et une diminution de la puissance de 43.375W ainsi qu’une augmentation de la

température de 47.5° 𝐶.

 De 11h à 12h nous remarquons qu’il y a une baisse du taux d’éclairement 356.75 W/m2 Une augmentation de puissance de 52.795W et une chute de température de 44° 𝐶.  De 12h à 13h nous remarquons qu’il y a une croissance du taux d’éclairement 798.25 W/m2 et une baisse de puissance de 44.495W et une augmentation de température de 49° 𝐶.  De 13 h à 14h nous pouvons remarquer qu’il y a une chute du taux d’éclairement 466 W/m2 et une augmentation de puissance de 51.28W et une baisse de température de 41.75° 𝐶.  De 14h à 15h nous constatons qu’il y a une augmentation du taux d’éclairement 804 W/m2 et une augmentation de puissance de 61.795W et une chute de température de 39° 𝐶.  De 15h à 16h nous remarquons qu’il y a une chute du taux d’éclairement 574.5 W/m2 et une baisse de puissance de 55.95W et une baisse de température de 37.25° 𝐶. Rédigé par DOUMPA Cyril et FEKOUA Armand

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Nous pouvons conclure que la puissance moyenne de la journée du 12 juin 2018 durant 9 heures du temps est de 51.95W donc un rendement 64.93%. Comparer aux données du panneau photovoltaïque fixé avec un angle de 30° nous a donné une puissance moyenne de 18.58W avec un rendement de 23.23%.

CONCLUSION Arrivé à la fin de ce chapitre, intitulé simulation, réalisation et test du dispositif afin de poursuivre le soleil. Nous pouvons dire qu’il est nécessaire de faire un bon choix du composant électronique utilisé pour ne pas compliqué le principe de commande et réduire la consommation de l’énergie par le suiveur. Dans ce même chapitre on a effectué des tests du module fixe incliné de 30° orienté plein sud, le 27 mai 2018 et nous avons récapitulé les moyennes par heure allant de 6h05 à 18h 05 ; ainsi que ceux du module mobile le mardi 12 juin 2018 de 08h à 16h. Une fois récapitulé nous avons fait sortir les graphes qui ont été interprétés ci-haut. Nous pouvons apprécier les résultats des prélèvements faits lorsque ce dernier est mobile avec un pourcentage de 64.93 par rapport à 23.23 pour un PV fixe en terme de rendement.

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CONCLUSION GENERALE Le travail présenté dans ce mémoire de fin d’étude sous le thème : « Etude, Conception et Réalisation d’un Suiveur Solaire Bi-axes » à l’aide d’une carte Arduino Uno, avait pour but de poursuite solaire afin de collecter le maximum d'énergie. Pour les modules PV, les rayons solaires doivent être constamment perpendiculaires au panneau, pour cela un système de poursuite solaire est indispensable. L'objectif de notre travail était d’élaboration d’une technique active de suivi de la trajectoire solaire. Pour y arrivé ; Il était question de ressortir les schémas des différents étages qui forment le dispositif global puis d’écrire le programme d’exécution sur Arduino 1.6.9 puis simuler ce dernier sur le logiciel Proteus version 8.0 et de réaliser le prototype ; Faire les différents tests suivis des expériences sur le rendement du module lorsqu’il est fixe et lorsqu’il suit la trajectoire du soleil dans une seconde période ; apprécier les résultats obtenus des expériences tout en se référence à un autre prototype. Au terme de notre travail nous avons pu établir le schéma synoptique, établir l’organigramme ainsi que son programme d’exécution en langage C. Nous avons pu grâce au logiciel de conception ressortir les différents blocs de circuits électroniques qui rentrent dans la constitution finale de ce suiveur qui sont : le circuit électronique de l’alimentation du système ; le circuit électronique de commande, de traitement, le circuit d’isolement galvanique et en fin la partie mécanique. Une fois ce dispositif mis en marche suivi des prélèvements nous avons obtenus un rendement 64.93%. Nous les avons Comparés aux données du panneau photovoltaïque fixé avec un angle de 30° qui nous a donné une puissance moyenne de 18.58W avec un rendement de 23.23%. Pour finir, nous avons pu évaluer un devis estimatif d’achat du matériel qui est 175 250 (Cent soixante-quinze mille deux cent cinquante) francs CFA.

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BIBLIOGRAPHIE [1] (2010) http://www.solarserver.de/gclid=CJWA1ruS-K4CFS4NtAodSzY7xw. [2] "BOUALEM DENDIB" Technique conventionnelles et avancée de poursuite MPPT pour des applications photovoltaïques : étude comparative." Université Ferhat Abbes-Sétif mémoire de magister, Département d'électronique TS4/6338, 2007. [3] S. NAOUAL, "modélisation et extraction automatique des Paramètres d’un générateur," université Ferhat Abbas de Sétif mémoire de magister, département d'électrotechnique 2010. [4] M. Dahbi « Etude et optimisation d’une installation Hibride PV-Eolienne », Thèse de Doctorat, Université de Bechar, 2007. [5] A. Labouret, M. Villoz « Energie Solaire Photovoltaïque ». 2eme édition, Dunod, Paris 2003/2005. [5] Mlle BENMOHAMMADI Zahra Mémoire de fin d’étude « master » « Etude, conception et réalisation d'une commande d'un tracker solaire (suiveur solaire) ». Université Sidi Mohammed Ben Abdellah 2013/214. [6] A. Labouret, M. Villoz « Energie Solaire Photovoltaïque ». 2eme édition, Dunod, Paris 2003/2005. [7] : http://www.egcf-rousseau.com/F. Antony, C. Dürschner–Karl, H. Remmers « Le Photovoltaïque pour tous » 2006. [8] Mr.GUESSOUMI FARID SAADI AMEL mémoire de fin d’études ≪ Ingenieur ≫ ≪commande de panneau solaire à l'aide d'une carte à pic≫ Université Mohammed khider Biskra 2010. [9] A.jelali, interconnexion d’un système photovoltaïque sur le réseau électrique, thèse Université de Québec, (2012). [10] National Renewable Energy Laboratory (NREL) 2013 International Renewable Energy Conférence [11] Mlle BENMOHAMMADI Zahra Mémoire de fin d’étude « master » « Etude, conception et réalisation d'une commande d'un tracker solaire (suiveur solaire) ». Université Sidi Mohammed Ben Abdellah 2013/214. [12] True Local Solar Time, chapter from Heluo’s Four Pillars of Destiny workbook (550 pages). [13] True Thomas B. Greenslade, Jr., « Heliostats », Jules-Célestin Jamin — « Cours de physique de l'École polytechnique. Tome 3 - Fasc. 2 » Gauthier-Villars et fils (Paris) - 18851906. Rédigé par DOUMPA Cyril et FEKOUA Armand

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[14] H. Ben Jaffel, A. Riahi « Etude de conception et de réalisation d’un suiveur de soleil » Projet de fin d’études, Institut Supérieur des Etudes Technologiques de Siliana, Département de Maintenance Industrielle. Tunis, 2008-2009. [15] Yusie Rizala, Sunu Hasta Wibowoa, Feriyadi. “Application of solar position algorithm for sun- tracking system”. International Conference on Sustainable Energy Engineering and Application ELSEVIER Energy Procedia (32) 2013; [16] www.lyc-emperi.ac-aix-marseille.fr : L’énergie solaire / Dossier Ressource. [17] Travail Expérimental-Etude d'un capteur de lumière La photorésistance, consulté le 12 mars 2018 à 17h 12 [18] Arduino_-_Premiers_pas_en_informatique_embarquee, consulté le 08 décembre 2016 à 14h 58. [19] Cours d’électrotechnique, consulté le 23 mars 2016, 21h 45min. [20] LEROY SOMMER, consulté le 25 mars 2016, 18h 15min. [21] Optimisation du rendement énergétique d’un panneau solaire par un support suiveur, DHARYF ILIAS, consulté le 28/12/2017 à 20h 18mn. [22] Fiche technique des machines à courant continu, consulté le 18 avril 2018 à 12h 27mn. [23] Description-de-la-Carte-Arduino-UNO, consulté le 23 mars 2018 à 22h 49. [24] PSM Composants 15, Rue du pré la Reine 63100 CLEMONT FERRAND. [25] Labcenter Electronique. « Logiciel Proteus ». http://LabcenterElectronique.com. [26] ArduinoCottenceau1112, consulté le 04 décembre 2016 à 13h 36mn.

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ANNEXE Annexe 1 : Evaluation du devis estimatif du dispositif de suiveur solaire biaxes. NB : L’évaluation estimative d’achat du matériel établie dans ce tableau est faite sur la base des prix appliqués à DBL Electronique et deux boutiques voisines. N°

DESIGNATIONS

1

Résistances

2

photorésistance

3

Condensateur

4

6

Relais électromagnétique Roue dentée + chaîne du vélo Barre de fer

QUANTITES (F CFA) 08

PRIX UNITAIRE (F CFA) 15

PRIX TOTAL (F CFA)

LDR1 à LDR4

04

300

1200

C1, C2

02

100

200

RL1 à RL4

04

1000

4000

/

02

5000

5000

/

01

2000

2000

7

Jante du véhicule

/

01

5000

5000

8

M1, M2

02

3500

7000

PV

01

44000

44000

10

Moteur à courant continu Module photovoltaïque Batterie solaire

BAT

01

25000

25000

11

Opto-coupleur

opto

04

300

1200

12

Contrôleur de charge

/

01

10000

10000

13

Carte Arduino Uno

ARD1

01

8000

8000

14

Régulateur de tension ETAIN

U1

01

500

500

/

01 Rouleau

1000

1000

/

02

1000

1000

5

9

15 16 18

Plaque Perforée un quart de format A4 DIVERS

REPERES R1 à R10

TOTAL

150

60000 175.250 FCFA

Annexe 2 : La déclinaison solaire : calcul du numéro du jour

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 Angle Horaire

Ts : Temps solaire Ts (Temps solaire) Calcul de l'heure qui est basé sur les déplacements du soleil par rapport à l'axe de la Terre durant une journée complète, Quand le soleil est à son zénith, le temps solaire indique qu'il est midi.

TU : Temps universel, décalage horaire par rapport au méridien de Greenwich. TL : Temps légal dt : correction de l’équation du temps L : Longitude du lieu Annexe 3 : Machine à courant continu. Vu de l’extérieur, la machine peut être représentée par la mise en série d’une résistance R, d'une inductance L et d’une f.e.m à vide 𝐸𝑣 donnée par la relation 𝐸𝑣 = 𝐾Ω, si Ω est la vitesse de

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rotation. Nous supposerons que l'ensemble fixé à l'arbre de la machine est de moment d'inertie J et que le moment du couple de frottement est C =𝑓Ω (frottement visqueux).

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TABLE DES MATIERES DEDICACE. ................................................................................................................................ i REMERCIEMENTS .................................................................................................................. ii AVANT PROPOS ..................................................................................................................... iii RESUME................................................................................................................................... iv ABSTRACT ............................................................................................................................... v LISTE DE FIGURES ................................................................................................................ vi LISTE DE TABLEAUX. .......................................................................................................... ix GLOSSAIRE .............................................................................................................................. x INTRODUCTION GENERALE................................................................................................ 1 Chapitre I : GENERALITES SUR LES PANNEAUX PHOTOVOLTAIQUES ET TECHNIQUES DE POURSUITE SOLAIRE. INTRODUCTION ...................................................................................................................... 4 I.1 L’énergie solaire.................................................................................................................. 4 I.1.1 Rayonnement solaire. ............................................................................................... 4 I.1.2 Spectre du rayonnement. .......................................................................................... 5 I.2 La cellule photovoltaïque. ................................................................................................... 6 I.2.1 Définition. ................................................................................................................ 6 I.2.2 Constitution et principe de fonctionnement. ............................................................ 6 I.2.3 Différentes technologies d’une cellule solaire. ........................................................ 7 I.2.4 Configuration d’une cellule. .................................................................................... 8 I.2.5 Effet de la variation de température sur la caractéristique courant-tension. ............ 8 I.2.6 Effet de la variation de l’éclairement sur la caractéristique courant-tension. .......... 9 I.2.7 Influence de l’angle d’incidence. ........................................................................... 10 I.2.8 Rendement d’un panneau photovoltaïque. ............................................................. 10 I.2.9 Avantages et inconvénients et applications de la technologie d’une cellule. ........ 13 Rédigé par DOUMPA Cyril et FEKOUA Armand

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I.3

Géométrie solaire-trajectoire solaire. ..................................................................... 15

I.3.1 Angle d’altitude ou l’élévation solaire ................................................................... 15 I.3.2 Angle d’azimut 𝐴𝑍 en (°). ..................................................................................... 17 I.3.3 Angle de Zénith 𝜃𝑍(°). .......................................................................................... 17 I.4 Etat de l’art du suiveur solaire. ......................................................................................... 18 I.4.1 Définition. .............................................................................................................. 18 I.4.2 Les premières utilisations. ..................................................................................... 18 I.4.3 Les types de suiveurs solaires. ............................................................................... 19 I.5 Les techniques de poursuite solaire. ................................................................................. 20 I.5.1 Principe général. .................................................................................................... 20 I.5.2 Suiveur mono-axe. ................................................................................................. 22 I.5.3 Suiveur double-axe. ............................................................................................... 24 I.6 Comparaison entre le panneau fixe et mobile. .................................................................. 25 CONCLUSION ........................................................................................................................ 26 CHAPITRE II : MATERIALISATION DU SUIVEUR SOLAIRE. INTRODUCTION .................................................................................................................... 27 II.6 Les capteurs de lumière. .................................................................................................... 27 II.1.1

Définitions : ............................................................................................................... 27

II.1.2

Symbole et caractéristiques. ............................................................................... 27

II.1.3

Principe de fonctionnement. ............................................................................... 28

II.2 Le circuit de commande. ................................................................................................... 29 II.2.1

Définition. .......................................................................................................... 29

II.2.2

Présentation de la carte Arduino Uno. ............................................................... 29

II.2.4

Microcontrôleur ATMEL ATMega328. ............................................................ 32

II.3 Circuit d’interfaçage.......................................................................................................... 34 II.4 Les machines à courant continu. ....................................................................................... 35 II.4.1

Définition. .......................................................................................................... 35

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II.4.2

Symbole et constitution de la machine à courant continu. ................................. 35

a)

Symbole de la machine à courant continu. ................................................................ 35

b)

Constitution de la machine à courant continu. .......................................................... 35

II.4.3

Principe de fonctionnement de la machine à courant continu. ........................... 36

II.4.4

Modèle électrique d’une machine à courant continu. ......................................... 36

II.4.5

Equations caractéristiques. ................................................................................. 37

II.4.6

Avantages, inconvénients et application des machines à courant continu. ........ 39

CONCLUSION ........................................................................................................................ 39 CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT ET CHOIX DES COMPOSANTS ....................... 40 INTRODUCTION .................................................................................................................... 40 III.1 Analyse fonctionnelle........................................................................................................ 40 III.1.1

Analyse externe. ................................................................................................. 40

III.1.1.1

Bête à corne. ................................................................................................... 40

III.1.1.2

Diagramme des interactions. .......................................................................... 41

III.1.1.2

Description des fonctions. .............................................................................. 41

III.2 Schéma synoptique............................................................................................................ 42 III.3 Dimensionnement et choix de chaque bloc. ...................................................................... 42 III.3.1

Panneau photovoltaïque ..................................................................................... 43

III.3.2

Circuits de puissances. ....................................................................................... 46

III.3.3

Interface de commande. ..................................................................................... 46

III.3.3

Circuit de commande. ........................................................................................ 47

III.3.4

Capteurs de lumière. ........................................................................................... 48

III.3.5

Alimentation. ...................................................................................................... 49

CONCLUSION ........................................................................................................................ 50 CHAPITRE IV : Simulation, réalisation et test ....................................................................... 51 INTRODUCTION .................................................................................................................... 51 IV.1Présentation du logiciel de simulation proteus et du compilateur du programme. ........... 51 Rédigé par DOUMPA Cyril et FEKOUA Armand

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IV.1.1

Présentation du logiciel de conception PROTEUS. ........................................... 51

IV.1.2

Présentation du logiciel de programmation. ....................................................... 54

IV.2 Organigramme du programme du système. .................................................................... 56 IV.3 Implémentation sur Proteus. ........................................................................................... 58 IV.4 Simulation du système. ................................................................................................... 58 IV.5 Réalisation du système. ................................................................................................... 59 IV.6 Test du système réalisé. .................................................................................................. 60 CONCLUSION ........................................................................................................................ 64 CONCLUSION GENERALE .................................................................................................. 65

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