Énergie Solaire

microcontroller 16F84A to control the solar system for dual-axis called ‘AureSolar’. First, we present the mechanical system where we give the mechanism choice for training in low power of the two axes for a system of energy self-sufficiency. In the second section, we present a command approach based on a program using a closed circuit programmable PIC. It also uses a new optical sensor cost reduced built with photodiodes placed in parallel shaped cross. Finally, we give the results of testing in-situ in two modes: fixed mode oriented south with an inclination of 45 degrees and the mode of pursuit following the elevation and azimuth movements with two decoupled. The results show a gain in terms of solar energy collected measured about 50%. Mots clés: Commande automatique - Système de poursuite - Energie solaire - PIC Microcontrôleur.

1. INTRODUCTION

La puissance électrique produite par un système solaire photovoltaïque dépend de l’intensité du flux lumineux selon la position du soleil qui varie le long de la journée.

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Afin de collecter le maximum d’énergie, on utilise des dispositifs dits systèmes de poursuite solaire ‘sun tracking systems’. Le système de poursuite solaire doit être ajusté de sorte qu’il soit toujours visé avec précision face au soleil. Les systèmes de poursuite solaire à un seul axe sont moins coûteux et leur commande est facile à mettre en œuvre, par contre leur efficacité est inférieure à celle des systèmes de poursuite solaire à deux axes [1]. Ces derniers nécessitent une commande appropriée des deux mouvements découplés et sont utilisés dans les centrales thermiques à concentration pour le guidage des héliostats [2], ainsi que pour les installations photovoltaïques pour augmenter leur efficacité qui peut atteindre des valeurs de 30 % par rapport aux systèmes fixes [3]. Peu d’études théoriques et expérimentales sont citées dans la littérature, qui étudie divers types de systèmes de poursuite solaire. S. Abdallah et S. Nijmeh, 2002 [4], ont réalisé une étude expérimentale qui montre l’effet de l’utilisation du système de poursuite à deux axes sur l’énergie solaire collectée. Ils ont utilisé une méthode de programmation avec un système de boucle ouverte où un contrôleur logique programmable PLC est utilisé pour contrôler l’orientation du système suivant la position du soleil. Ils ont atteint à un rendement de 41.43 % par rapport au système fixe. S. Abdallah, A. El-Qadan et V. Hamudeh, 2004 [5], ont conçu un système de poursuite solaire à deux axes. Pour la commande, ils ont utilisé une méthode de programmation à base d’un circuit intégré programmable PIC 16F877. Ils ont constaté que la puissance délivrée par le système à deux axes augmente jusqu’à 37.24 % par rapport au système fixe. G.C. Bakos, 2005 [6], a présenté une étude comparative de l’énergie solaire collectée entre un système de poursuite à deux axes et celui d’un système fixe où la poursuite solaire a été réalisée en se basant sur la comparaison des valeurs des résistances de deux photo résistances. Dans ce travail, il a été montré que l’énergie solaire collectée par le système à deux axes augmente jusqu’à 46.46 % par rapport au système fixe. Dans notre étude, nous présentons un système de poursuite solaire à deux axes dit ‘AureSolar’ conçu par l’équipe mécanisme et robotique du Laboratoire de Recherche en Productique (LRP), où la partie mécanique a été minutieusement calculée et vérifiée pour assurer une transmission d’une faible puissance motrice via des mécanismes de réduction appropriés. Pour contrôler les deux mouvements du système en cohérence avec le mouvement du soleil le long de la journée, nous avons utilisé une commande à boucle fermée utilisant un circuit intégré programmable PIC 16F84A. Pour valider notre commande, une étude expérimentale a été réalisée pour identifier le comportement de notre dispositif mécanique avec ce type de commande et calculer le gain en terme d’énergie collectée par le système par rapport à un système fixe et incliné de 45° et sa comparaison par rapport à ceux cités dans la littérature la plus récente.

2. DESCRIPTION MECANIQUE DU SYSTEME ‘AURESOLAR’

Depuis 1996, nous avons travaillé sur la mise en place d’un prototype d’un système de poursuite solaire à deux axes, dont l’étude et la réalisation a été accomplie dans le cadre des Projets de Recherche CNEPRU sous les codes: J-0501-03-96 et J-05101-0299 [7-9]. Le système dit ‘AureSolar’ est composé de trois parties essentielles, une

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structure porteuse en matériaux légers, très résistante supportant 10 modules solaires de 50 Watts de marque PWX500 de Photowatt (Total Energie), double vitrage, d’une charge totale de 150 kg. Le guidage altazimutal du système est assuré par deux dispositifs mécaniques de réduction découplés. Le premier mécanisme est un réducteur mécanique pour l’entraînement vertical, comportant deux étages d’engrenage à dentures hélicoïdales combinées avec un mécanisme à vis écrou et biellette à longueur variable. Ce mécanisme possède un rapport de réduction de 1/400 et il est placé en bas du système (Fig. 1 et 2), l’actionneur utilisé est un moteur 12 volts à courant continu.

Fig. 1: Mécanisme de réduction du mouvement vertical

Fig. 2: Structure porteuse - vue de face avant et placement du réducteur

Le deuxième mécanisme utilisé pour l’entraînement en élévation est un vérin mécanique à base de vis écrou et buté double effet et combiné avec un mécanisme à biellettes articulées. Chaque biellette est liée à l’aide de rotules du coté vérin et du boîtier central (Fig. 3 et 4). L’actionneur utilisé est un moteur 12 volts courant continu.

Fig. 3: Mécanisme du mouvement horizontal

Fig. 4: Structure porteuse vue arrière et emplacement du vérin

Le dispositif est installé sur un site expérimental au sein du campus de l’université de Batna dans un lieu dégagé permettant une expérimentation plein soleil, pouvant aller jusqu’à 14 heures d’ensoleillement par jour, (Fig. 5).

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Fig. 5: Vue du dispositif de poursuite sur le site avec positionnement du capteur optique et des pyranomètres

3. DESCRIPTION DE LA COMMANDE AUTOMATIQUE DU SYSTEME ‘AURESOLAR’

La commande automatique du système de poursuite solaire ‘AureSolar’ comprend les parties suivantes: • L’unité de traitement des signaux des capteurs; • L’unité de contrôle et décision; • L’interface d’adaptation (circuit de puissance); • La partie software. 3.1 Unité de traitement des signaux des capteurs L’unité de traitement comprend le capteur optique et le circuit de conditionnement. Le capteur optique: Ce capteur est composé de quatre blocs. Chaque bloc est constitué de quatre photodiodes (BPW34) placées en parallèle C4 (5), C2 (6), C1 (7) et C3 (8) (Fig. 6) logées dans un boîtier parallélépipédique, dont les parois sont couvertes d’une couche noire mate (2), le coté supérieur de ce boîtier est recouvert d’une plaque de verre transparent (1) (Fig. 7).

Fig. 6: Position des photodiodes par rapport au système

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Le capteur est montré dans la partie inférieure de la structure porteuse du système (Fig. 5). Les dimensions du boîtier d, D, et H sont choisies d’une façon que le capteur soit sensible à la position du soleil. La distance d doit être supérieure à la distance D, du fait que l’angle de suivi du mouvement vertical est supérieur de l’angle de suivi du mouvement horizontal.

Fig. 7: Conception du capteur optique Les photodiodes sont en mode photovoltaïque (aucune source de polarisation externe n’est associée). Le courant qui les parcourt est pratiquement égal au courant d’origine photoélectrique, c’est le courant de court-circuit des photodiodes qui est proportionnel au flux incident. Dans le cas d’un éclairement total, les photodiodes fournissent le même courant pour chaque bloc. Si l’une des rangées de photodiodes est partiellement éclairée ou non éclairée à cause de l’ombre du boîtier, le courant fourni par cette rangée va diminuer ou s’annuler. De ce principe, on peut déterminer le sens d’orientation du système qui se fait automatiquement suivant l’angle d’incidence du flux lumineux. Si par exemple, on prend le cas de la figure 6, où l’ombre du boîtier couvre une partie du bloc C4, ce dernier va fournir un courant faible par rapport au courant fourni par le bloc opposé C1 (éclairé), le système doit être orienté vers le haut de telle