Rapport Jalon 4 Final (2)(1)

Projet mécatronique intégrée 5A : Réalisation d’un tracker

Salem AKKARI Flavien LUCAS Etienne GRENIER Nicolas LUCAS Yinchao LI Yihuan SUN Anthony CARRATALA

5A MCS

Année scolaire 2011 – 2012

Réalisation d’un tracker solaire

Projet mécatronique intégrée 5A : Réalisation d’un tracker

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Réalisation d’un tracker solaire

Remerciements Mes vifs remerciements s’adressent dans un premier temps à toute l’équipe pédagogique de l’école Polytechnique de l’université d’Orléans et les intervenants professionnels responsables de la formation Mécatronique et Conception des Systèmes, pour avoir assuré le suivi du projet du tracker solaire. Je remercie également Monsieur Gilles Hivet pour l’aide et les conseils concernant les missions évoquées dans ce rapport qu’il a apporté à toute l’équipe lors des différents suivis. Je tiens à remercier tout particulièrement et à témoigner toute ma reconnaissance aux différents membres de mon équipe de projet pour leur, soutien, solidarité, professionnalisme et engagement à la réussite du projet : Messieurs Lucas Flavien, Carratala Anthony, Sun Yihuan,Li yinchao,Grennier Etienne et Lucas Nicolas.

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Table des matières Table des matières ................................................................................................... 4 Table des illustrations .............................................................................................. 8 Liste des tableaux ................................................................................................. 11 Glossaire ................................................................................................................. 12 Introduction............................................................................................................. 14 1 Le business plan ................................................................................................. 15 1.1

Les coûts ............................................................................................................15 1.1.1 1.1.2

1.2 1.3 1.4

Les coûts fixes ........................................................................................................... 15 Les coûts variables .................................................................................................... 15

Les revenus ........................................................................................................16 Le coût de production .........................................................................................16 Le retour sur investissement ...............................................................................17

2 Comment collecter, convertir et renvoyer l’énergie au réseau ........................ 19 2.1 2.2

Principe ..............................................................................................................19 Les modules .......................................................................................................19 2.2.1 2.2.2 2.2.3

2.3 2.4

Le choix des onduleurs .......................................................................................25 La protection électrique de la ferme ....................................................................27 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4

2.5

Le choix ..................................................................................................................... 19 La technologie ........................................................................................................... 22 Effet de la température .............................................................................................. 24

Dimensionnement des sectionneurs porte-fusibles ................................................... 29 Dimensionnement des parafoudres ........................................................................... 29 Dimensionnement des diodes de protection ............................................................. 29 Dimensionnement des disjoncteurs ........................................................................... 30

Câblage électrique ..............................................................................................31

3 Architecture du tracker ....................................................................................... 32 3.1

Choix de l’architecture ........................................................................................32 3.1.1 3.1.2 3.1.3

3.2 3.3

Architecture choisie ............................................................................................35 Calcul du Beta_min.............................................................................................35 3.3.1 3.3.2

3.4 3.5 3.6

Détermination du Beta_min théorique ....................................................................... 35 Détermination du Beta-min pratique .......................................................................... 37

Schéma cinématique ..........................................................................................38 Repères utilisés ..................................................................................................39 Dimensionnement de l’architecture .....................................................................40 3.6.1 3.6.1 3.6.2 3.6.3

3.7

Type d’architecture .................................................................................................... 32 Type de support ......................................................................................................... 33 Type de panneau ....................................................................................................... 34

Conception Assistée par Ordinateur .......................................................................... 40 Mat du tracker ............................................................................................................ 41 Support de modules................................................................................................... 41 Résultats .................................................................................................................... 42

Dimensionnement d’un sous panneau ................................................................43

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Réalisation d’un tracker solaire 3.8 3.9 3.10 3.11

Influence des défauts ..........................................................................................48 Etude dynamique ................................................................................................52 Loi entrée-sortie ..................................................................................................61 Etude par éléments finis .....................................................................................62

4 Position de sécurité ............................................................................................. 65 4.1 4.2

Panneau horizontal .............................................................................................65 Panneau vertical .................................................................................................65

5 Motorisation ......................................................................................................... 67 5.1

Motorisation de l’élévation ..................................................................................67 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4

5.2

Motorisation de l’azimut ......................................................................................77 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5

5.3

Hypothèses ................................................................................................................ 69 Paramètres de vérin .................................................................................................. 71 Matrice de choix ......................................................................................................... 73 Avantages d’utiliser un vérin pour motorisation de l’axe d’élévation ......................... 75 Hypothèses ................................................................................................................ 77 Paramètres du moteur de l’azimut............................................................................. 79 Matrice de choix du moteur ....................................................................................... 83 Le moteur, réducteur choisis ..................................................................................... 83 Un réducteur supplémentaire de roue et vis sans fin ................................................ 85

L’énergie consomme annuel ...............................................................................87 5.3.1 5.3.2 5.3.3

L’énergie consommé par motorisation de l’axe d’élévation....................................... 87 L’énergie consommé par motorisation de l’axe d’azimut .......................................... 87 L’énergie consommé annuel totalement (150 trackers) ............................................ 87

6 GEMMA de la stratégie ........................................................................................ 88 6.1 6.2

Gemma général ..................................................................................................88 Spécifications GEMMA ......................................................................................88 6.2.1 6.2.2 6.2.3

6.3 6.4 6.5

Cycles importants ...................................................................................................... 88 Les conditions ............................................................................................................ 88 Les étapes ................................................................................................................. 89

GEMMA sur le cycle de production normale .......................................................89 GEMMA sur le cycle d’arrêt d’urgence ................................................................91 FAST et AMDEC sur contraintes liées au vent ....................................................91 6.5.1 6.5.2

Diagramme Fast ........................................................................................................ 91 AMDEC sur les 3 solutions : ...................................................................................... 92

7 Comment assurer la fonction : Suivre le soleil ? .............................................. 94 7.1 7.2 7.3

Définition des angles d’azimut et élévation .........................................................94 Diagramme Fast .................................................................................................94 Connaître la position du soleil .............................................................................96 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4

7.4

Connaître la position des modules ....................................................................101 7.4.1 7.4.2 7.4.3 7.4.4

7.5

Diagramme FAST .................................................................................................... 101 Matrice de choix pour l’élévation ............................................................................ 101 Matrice de choix pour l’azimut ................................................................................ 102 Solutions retenues ................................................................................................... 102

Connaître le Nord géographique .......................................................................105 7.5.1 7.5.2

7.6

Diagramme FAST ...................................................................................................... 96 Matrice de choix ......................................................................................................... 96 Solution retenue......................................................................................................... 97 Domaine de fonctionnement ...................................................................................... 98

Diagramme FAST .................................................................................................... 105 Solution retenue....................................................................................................... 105

Connaître l’horizon ............................................................................................105

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Réalisation d’un tracker solaire 7.6.1 7.6.2

7.7

Diagramme FAST .................................................................................................... 105 Solution retenue....................................................................................................... 106

Stratégie de suivi ..............................................................................................106 7.7.1 7.7.2

7.8

Diagramme FAST .................................................................................................... 106 Solution retenue....................................................................................................... 106

Stratégie sur les angles à commander ..............................................................107 7.8.1

Stratégies angulaires ............................................................................................... 107

8 Stratégie de commande des angles ................................................................. 109 8.1 8.2

Commande pas à pas .......................................................................................110 Passage de la position de sécurité à la position de travail ................................110 8.2.1 8.2.2

8.3

Vision globale d’un cycle complet sur la journée ..................................................... 112 Zoom sur le passage de la position de sécurité à la position de travail .................. 113

Visualisation de la stratégie ..............................................................................113 8.3.1 8.3.2

8.4

Vision globale .......................................................................................................... 113 Zoom de la stratégie ................................................................................................ 114

Lois « semi » idéales ........................................................................................115 8.4.1 8.4.2 8.4.3

8.5 8.6 8.7

Vitesse ..................................................................................................................... 115 Accélération ............................................................................................................. 116 Position .................................................................................................................... 117

Optimisation : le matin ......................................................................................118 Optimisation lorsque le soleil est au zénith .......................................................119 Modélisation sous Matlab/Simulink de notre système .......................................119 8.7.1 8.7.2 8.7.3 8.7.4 8.7.5 8.7.6 8.7.7

Visualisation du schéma bloc de commande .......................................................... 120 Modèle inverse et direct de notre système .............................................................. 120 Modélisation du vérin électromécanique ainsi que sa boucle bas-niveau .............. 121 Bloc variateur + PI ................................................................................................... 123 Modélisation de notre système complet sans correcteur ........................................ 126 Application d’un correcteur ...................................................................................... 127 Passage du modèle au terrain ................................................................................. 133

9 Superviser la ferme............................................................................................ 134 9.1.1 Diagramme FAST .................................................................................................... 134 9.1.2 Matrice de choix ....................................................................................................... 134 Malgré que la solution de la commande centralisée ressorte, nous allons effectuer une Analyse des modes de défaillances, de leurs effets et de leur criticité................................. 134 9.1.3 AMDEC sur les deux solutions ................................................................................ 134 9.1.4 Solution retenue....................................................................................................... 136

9.2

Comment assurer la supervision de la ferme? ..................................................136 9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.2.4 9.2.5

9.3

L’objectif de la conception de la supervision ........................................................... 136 L’architecture de la supervision sur toute le système .............................................. 137 L’architecture principal du système de la supervision ............................................. 139 Choix du bus de terrain ........................................................................................... 140 L’architecture de la supervision en détail ................................................................ 142

Modélisation du réseau .....................................................................................143

10 Organisation de la ferme ................................................................................. 146 11 Sécurité de la ferme ......................................................................................... 147 12 Cycle de vie de la ferme .................................................................................. 149 12.1 12.2 12.3 12.4

Importation des pièces et matières premières ...................................................149 Transport ..........................................................................................................149 Montage ...........................................................................................................150 Fin de vie ..........................................................................................................151

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Réalisation d’un tracker solaire 12.5

Rapport .............................................................................................................151

Conclusion ............................................................................................................ 155 Annexe A : Analyse de l’existant ........................................................................ 156 12.1

Analyse de l’existant .........................................................................................156

12.1.1 12.1.2

Technologie de Tracker ....................................................................................... 156 Actionneurs .......................................................................................................... 157

Annexe B : Analyse du besoin ............................................................................ 158 12.2

Analyse du marché ...........................................................................................158

12.2.1 12.2.2 12.2.3

12.3

Les avantages et inconvénients du photovoltaïque ............................................ 158 Les marchés potentiels ........................................................................................ 159 Les concurrents dans le milieu de la cellule à concentration .............................. 160

Etude des revenus potentiels ............................................................................161

Annexe C : Analyse fonctionnelle ....................................................................... 163 12.3.1 12.3.2 12.3.3 12.3.4

12.4

Ferme ...............................................................................................................185

12.4.1 12.4.2 12.4.3

12.5

Tracker ................................................................................................................. 163 Cycle de vie du tracker ........................................................................................ 164 Caractérisation des interacteurs .......................................................................... 164 Diagramme des inter-acteurs .............................................................................. 167 Bête à cornes ....................................................................................................... 185 Cycle de vie de la ferme ...................................................................................... 186 Caractérisation des intéracteurs .......................................................................... 186

Tracker de démonstration .................................................................................196

12.5.1 12.5.2 12.5.3 12.5.4

Bête à cornes ....................................................................................................... 196 Cycle de vie du tracker de démonstration ........................................................... 196 Caractérisation des inter acteurs ......................................................................... 197 Diagramme des inter acteurs .............................................................................. 199

Annexe D : Simulations par éléments finis du support de modules…………..211 12.6 12.7 12.8 12.9 12.10 12.11

-1 contact avec le mât, au centre : ....................................................................211 -2 contacts avec le mat, proches du milieu : .....................................................212 -2 contacts avec le mat, éloignés : ....................................................................212 -3 contacts avec le mat, un au centre et 2 proches du centre : .........................213 -3 contacts avec le mat, un au centre et 2 éloignés : ........................................213 -5 contacts avec le mat, sur tous les points de contact : ...................................214

Annexe E : Inventaire matériaux ......................................................................... 215 Annexe F : Document SKF pour choix du roulement ........................................ 217 Bibliographie......................................................................................................... 218

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Réalisation d’un tracker solaire

Table des illustrations Figure 1 : Schéma du paramétrage et du cône d’incertitude correspondant à l’exigence de 0,5°de précision entre les normales aux modules et les rayons solaires ..............................12 Figure 2 : Schéma de l’Azimuth ............................................................................................13 Figure 3 : Schéma de l’Elévation ..........................................................................................13 Figure 4 : ROI .......................................................................................................................18 Figure 5 : Matrice de choix ...................................................................................................21 Figure 6 : Avantages des cellules multicouches ...................................................................23 Figure 7 : Technologie CPV..................................................................................................24 Figure 8 : Effet de la température sur la caractéristique d’un module ...................................24 Figure 9 : Fonctionnement du MPPT ....................................................................................26 Figure 10 : Zones kérauniques du monde ............................................................................28 Figure 11 : Type de protection suivant le niveau kéraunique ................................................28 Figure 12 : Mise en évidence du courant inverse..................................................................30 Figure 13 : Schéma de câblage pour un tracker ...................................................................31 Figure 14 Comparaison de l'élévation avec l'éclairement .....................................................36 Figure 15 : Schéma de l’optimisation des dimensions du tracker ..........................................38 Figure 16 : Schéma cinématique du système .......................................................................39 Figure 17 : Figures de rotation de base ................................................................................39 Figure 18 : Graphe des liaisons de l’architecture ..................................................................40 Figure 19 : Représentation du Tracker en position de sécurité .............................................40 Figure 20 : Une des poutres composant le mat ....................................................................41 Figure 21 : Un double caisson à modules .............................................................................42 Figure 22 Position de sécurité et min ..................................................................................43 Figure 23 Longueur tige, c et e en fonction de min .............................................................44 Figure 24 Eléments finis de la bielle .....................................................................................46 Figure 25 : Double compartiment du support de modules .....................................................62 Figure 26 : Positionnement possible des appuis entre le support de module et le mat .........63 Figure 27 :Schéma d’analyse de motorisation ......................................................................67 Figure 28 :Schéma des efforts..............................................................................................68 Figure 29 :Schéma d’effort uniforme de vent ........................................................................69 Figure 30 : Carte des vents du Maroc...................................................................................70 Figure 31 : Dimensions du panneau .....................................................................................71 Figure 32 : Schéma mécanique ............................................................................................71 Figure 33 : Schéma des paramètres de calcul ......................................................................72 Figure 34 : Vérin choisi et son variateur ...............................................................................74 Projet Mécatronique intégrée

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Réalisation d’un tracker solaire Figure 35 : Graphe de modèle du tracker sous CATIA .........................................................75 Figure 36 : Emplacement du vérin dans le tracker ................................................................75 Figure 37 : Vitesse de rotation du panneau par rapport à l’élevation ....................................76 Figure 38 : Direction du vent (azimut) ...................................................................................77 Figure 39 : Inertie du panneau (azimut) ................................................................................78 Figure 40 : Courbe de vitesse du moteur (azimut) ................................................................80 Figure 41 : Courbe du couple du moteur (10 km/h) ..............................................................81 Figure 42 : Courbe du couple du moteur (100 km/h) ............................................................81 Figure 43 : Courbe de puissance du moteur (azimut) pour vent 10km/h ...............................82 Figure 44 : Courbe de puissance du moteur (azimut)pour vent 100km/h ..............................82 Figure 45 : Variateur + moteur + réducteur ..........................................................................84 Figure 46 : Vitesse moteur en fonction du temps ..................................................................85 Figure 47 : Réducteur de roue et vis.....................................................................................86 Figure 48 : GEMMA général .................................................................................................88 Figure 49 : GEMMA-Cycle de production normale................................................................90 Figure 50 : GEMMA-Cycle d’arrêt d’urgence ........................................................................91 Figure 51 : Diagramme Fast sur la détection ........................................................................92 Figure 52 Azimut / Jour .......................................................................................................98 Figure 53 Elévation/jour.......................................................................................................99 Figure 54 FAST Position des modules ...............................................................................101 Figure 55 Elévation mesurée avec notre inclinomètre .......................................................102 Figure 56 : Inclinomètre POSITAL ACS CANopen .............................................................103 Figure 57 : Codeur incrémental « Leine Linde » .................................................................104 Figure 58 : Diagramme Fast Angles ...................................................................................107 Figure 59 : Plans solaires – Un par mois ............................................................................108 Figure 60 : Représentation schématique de la position de sécurité ....................................111 Figure 61 : Vision globale de notre commande ...................................................................112 Figure 62 : Visualisation de la position de sécurité à la position de travail ..........................113 Figure 63 : Visualisation de la commande ..........................................................................114 Figure 64 : Zoom de la stratégie .........................................................................................114 Figure 65 : =f(temps) ........................................................................................................116 Figure 66 : =f(temps) ........................................................................................................117 Figure 67 : β=f(temps) ........................................................................................................117 Figure 68 : Optimisation de la commande le matin .............................................................118 Figure 69 : Optimisation de la commande au zénith ...........................................................119 Figure 70 : Schéma bloc de principe de notre commande ..................................................120 Figure 71 : Définition des paramètres .................................................................................121 Projet Mécatronique intégrée

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Réalisation d’un tracker solaire Figure 72 : Modélisation du moteur avec la commande bas niveau ....................................122 Figure 73 : Le système mécanique .....................................................................................123 Figure 74 : Commande bas niveau .....................................................................................123 Figure 75 : Réponse à une consigne de 1,5mm sans perturbations ...................................124 Figure 76 : Visualisation du courant pour une consigne de 1,5mm sans perturbations .......125 Figure 77 : Visualisation de la tension pour une consigne de 1,5mm sans perturbations....125 Figure 78 : Système complet sans correcteur .....................................................................126 Figure 79 : Visualisation de la sortie en fonction de β=0.4° ................................................127 Figure 80: Visualisation de l'intensité sans correcteur ........................................................127 Figure 81 : Système avec correcteur ..................................................................................128 Figure 82 : Visualisation de la sortie avec le correcteur pour une consigne β=0.4°.............128 Figure 83 : Tension moteur avec le correcteur ...................................................................129 Figure 84 : Visualisation du courant moteur avec le correcteur...........................................129 Figure 85 : Wmot (tr/min)=f(temps) .....................................................................................130 Figure 86 : Réponse à une consigne β=0.4° avec une perturbation à 5V ...........................131 Figure 87 : Tension du moteur à une consigne β=0.4° avec une perturbation ...................131 Figure 88 : Courant du moteur à une consigne β=0.4° avec une perturbation ...................132 Figure 89 : La hiérarchie du système..................................................................................137 Figure 90 : Architecture des connexions .............................................................................138 Figure 91 : L’architecture principal .....................................................................................139 Figure 92 : L’architecture de la supervision en détaille .......................................................143 Figure 93 : Zones de la ferme et l’armoire de PC industriel ................................................144 Figure 94 : Topologie de la zone 3 .....................................................................................145 Figure 95 : Positionnement des trackers dans la ferme ......................................................146 Figure 96 : Mat situé au niveau du centre de gravité du panneau .......................................156 Figure 97 : Mat au centre de gravité avec vérin mécanique ................................................156 Figure 98 : Mouvement « azimut » effectué au sol .............................................................157 Figure 99 : Carte d’ensoleillement de l’Europe et du Nord de l’Afrique ...............................161

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Liste des tableaux

Tableau 1 : Les coûts fixes ...................................................................................................15 Tableau 2 : coûts variables ...................................................................................................16 Tableau 3 : Revenus annuels ...............................................................................................16 Tableau 4 : Bilan Coûts/revenus ...........................................................................................17 Tableau 5 : Recherche d’onduleurs ......................................................................................25 Tableau 6 : Matrice de choix.................................................................................................26 Tableau 7 :Tableau des caractéristiques du patin/mono rail MRS45 ....................................46 Tableau 8 Classe de précision du rail ...................................................................................47 Tableau 9 : Performance de vérin et ses critères..................................................................75 Tableau 10 : Performances et critères du vérin [L4] ............................................................84 Tableau 11 : AMDEC sur les solutions de la détection .........................................................93 Tableau 12 : Domaines de fonctionnement des angles ......................................................100

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Glossaire  Cellules photovoltaïques : ce sont des cellules qui captent l’énergie solaire et la transforment en énergie électrique.  Modules photovoltaïques : il s’agit de l’ensemble de cellules photovoltaïques  Panneaux photovoltaïques : Il s’agit d’un ensemble de modules placé sur le tracker.  Tracker : Structure indépendante orientant les panneaux perpendiculairement aux rayons du soleil avec une précision de ±0,5°.  Ferme: Ensemble de plusieurs trackers indépendants. Elle assure la supervision des trackers.

Figure 1 : Schéma du paramétrage et du cône d’incertitude correspondant à l’exigence de 0,5°de précision entre les normales aux modules et les rayons solaires

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Figure 2 : Schéma de l’Azimuth

Figure 3 : Schéma de l’Elévation

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Introduction

Le projet de mécatronique et conception intégrée consiste à concevoir une ferme solaire composée de tracker. Le cahier des charges étant fourni et l’objectif était de proposer un projet viable économiquement avec les meilleures solutions retenues. Ce rapport présentera l’analyse du besoin, l’analyse de l’existant, les choix effectués et les critères choisis pour aboutir à la solution. Seront exposées également la conception préliminaire du tracker aussi bien sur la partie mécanique, électrique qu’automatique.

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1 Le business plan Le business plan permet de déterminer si le projet est viable et peut servir pour convaincre les investisseurs d’apporter des capitaux dans l’entreprise. C’est pour cela qu’il est tout particulièrement important de définir les coûts et les revenus que va générer la ferme solaire. Le choix a été fait d’investir au Maroc car ce pays offre des garanties sur l’installation de nouvelles entreprises comme une exonération d’impôts sur les sociétés pendant 5 ans. Par ailleurs, le solaire est en plein essor. Le Maroc souhaite installer une puissance de 2000MW en énergie solaire donc de nouveaux projets devraient naître et l’entreprise sera ainsi apte à construire de nouvelles fermes. Bien que le prix de rachat du kWh soit inférieur au Maroc qu’en Espagne, l’entreprise s’appuiera sur une main d’œuvre et un coût des terrains environ 10 fois moins cher [1]

1.1 Les coûts 1.1.1

Les coûts fixes

Ce sont les coûts définis au début de l’activité. Ils sont regroupés dans le tableau suivant : Coûts fixes Maind'œuvre Terrain Modules Onduleurs Moteurs Structure Centre de contrôle Automatique Total des coûts

9 000,00 € 5 912,94 € 5 896 800,00 € 877 500,00 € 1 170 000,00 € 150 000,00 € 100 000,00 € 93 600,00 € 8 302 812,94 €

Tableau 1 : Les coûts fixes

1.1.2

Les coûts variables

Ils concernent les frais de maintenance, les salaires et une marge de sécurité au cas où un problème surviendrait. Sachant que notre projet a une durée de vie de 20 ans, nous considèrerons les coûts variables à 3% des coûts fixes pendant les 10 premières années et 6% pour les 10 dernières années. Cela représente donc annuellement :

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Réalisation d’un tracker solaire Coûts variables 0-10 ans 10 ans - 20 ans

249 084,39 € 498 168,78 €

Tableau 2 : coûts variables

Il est important de considérer des frais variables plus importants dans la seconde moitié du projet car le matériel ne sera plus neuf et sera donc plus susceptible de se détériorer.

1.2 Les revenus Il s’agit de la production d’énergie renvoyée au réseau. D’après les informations recueillies, le prix de rachat serait de 160€/MWh. On obtient donc un revenu annuel de : Chiffre d'affaires Ensoleillement journalier moyen (kWh/m²) nb heures ensoleillement moyen journalier Prix rachat (€/MWh) Ensoleillement (kWh/m²/an) Puissance solaire locale en W/m² Puissance module en W Surface en m² Puissance par tracker en kW nombre de trackers P totale délivrée en kW Energie en MWh Energie en MWh/an Gain espéré / an (€)

Maroc 6,4 9,5 160 2336 673,68 180,31 80 14,42 150 2163,72 20,56 7502,68 1 200 429,18 €

Tableau 3 : Revenus annuels

1.3 Le coût de production La détermination du coût de production est très importante car elle fixe le prix de rachat minimal pour espérer un bénéfice brut. Il s’agit de calculer un coût de production moyen sur la durée de vie du projet.

Sachant que le prix de rachat est inférieur ou égal à 0.11€, il n’y aucune raison pour continuer à exploiter la ferme. Les prix de rachat actuels sont de l’ordre de 0.16€/kWh, avec un bénéfice avant impôts de 0.05€/kWh. Projet Mécatronique intégrée

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1.4 Le retour sur investissement Il s’agit de déterminer la viabilité du projet. Cet indicateur permettera de déterminer le temps à partir duquel l’entreprise gagnera de l’argent et nous permettra de convaincre les investisseurs pour le financer.

Année Coûts fixes 0 8 302 812,94 € 1 - € 2 - € 3 - € 4 - € 5 - € 6 - € 7 - € 8 - € 9 - € 10 - € 11 - € 12 - € 13 - € 14 - € 15 - € 16 - € 17 - € 18 - € 19 - € 20 - €

Coûts variables Chiffre d'affaires Bénéfice brut Bénéfice net - € - € - 8 302 812,94 € - 8 302 812,94 € 249 084,39 € 1 200 429,18 € 951 344,79 € 951 344,79 € 249 084,39 € 1 200 429,18 € 951 344,79 € 951 344,79 € 249 084,39 € 1 200 429,18 € 951 344,79 € 951 344,79 € 249 084,39 € 1 200 429,18 € 951 344,79 € 951 344,79 € 249 084,39 € 1 200 429,18 € 951 344,79 € 951 344,79 € 249 084,39 € 1 200 429,18 € 951 344,79 € 761 075,83 € 249 084,39 € 1 200 429,18 € 951 344,79 € 761 075,83 € 249 084,39 € 1 200 429,18 € 951 344,79 € 761 075,83 € 249 084,39 € 1 200 429,18 € 951 344,79 € 761 075,83 € 249 084,39 € 1 200 429,18 € 951 344,79 € 761 075,83 € 498 168,78 € 1 200 429,18 € 702 260,40 € 561 808,32 € 498 168,78 € 1 200 429,18 € 702 260,40 € 561 808,32 € 498 168,78 € 1 200 429,18 € 702 260,40 € 561 808,32 € 498 168,78 € 1 200 429,18 € 702 260,40 € 561 808,32 € 498 168,78 € 1 200 429,18 € 702 260,40 € 561 808,32 € 498 168,78 € 1 200 429,18 € 702 260,40 € 561 808,32 € 498 168,78 € 1 200 429,18 € 702 260,40 € 561 808,32 € 498 168,78 € 1 200 429,18 € 702 260,40 € 561 808,32 € 498 168,78 € 1 200 429,18 € 702 260,40 € 561 808,32 € 498 168,78 € 1 200 429,18 € 702 260,40 € 561 808,32 €

ROI - 8 302 812,94 € - 7 351 468,15 € - 6 400 123,36 € - 5 448 778,58 € - 4 497 433,79 € - 3 546 089,00 € - 2 785 013,17 € - 2 023 937,34 € - 1 262 861,51 € - 501 785,68 € 259 290,15 € 821 098,47 € 1 382 906,79 € 1 944 715,11 € 2 506 523,43 € 3 068 331,75 € 3 630 140,07 € 4 191 948,39 € 4 753 756,71 € 5 315 565,03 € 5 877 373,36 €

Tableau 4 : Bilan Coûts/revenus

En considérant un impôt de 20% sur les bénéfices à partir de la 5ème année car le Maroc offre un avantage fiscal en exonérant les nouvelles entreprises d’impôts pendant les 5 premières années, il est possible de tracer le graphique pour déterminer le « payback time ».

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Réalisation d’un tracker solaire

ROI €8 000 000,00 €6 000 000,00

Bénéfice cumulé

€4 000 000,00 €2 000 000,00 €0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

€(2 000 000,00) €(4 000 000,00) €(6 000 000,00) €(8 000 000,00) €(10 000 000,00)

Temps en années

Figure 4 : ROI

On obtient donc un payback time de près de 10 ans. Il est maintenant possible de définir le seuil de rentabilité en énergie.

Il faudra donc produire toute cette énergie pour commencer à faire des bénéfices sur l’investissement. Les gains cumulés s’élèvent à près de 6M€. Cela représente un rendement annuel de 3.5%. Il faudra donc être très vigilant à contrôler les coûts pour conserver ce rendement annuel. Il faut noter que le business plan est susceptible de changer notamment avec le prix de rachat du kWh suivant la situation économique du Maroc et la politique énergétique du gouvernement.

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ROI

Réalisation d’un tracker solaire

2 Comment collecter, convertir et renvoyer l’énergie au réseau 2.1 Principe

Modules

Protections

Convertisseur DC/AC

Protections

Réseau triphasé 3X400V

Les modules devront récupérer l’énergie solaire pour la transformer en énergie électrique. Un onduleur sera placé pour convertir l’énergie continue en énergie alternative. Cette énergie sera ensuite renvoyée sur le réseau marocain. Sur le côté continu et alternatif, des protections seront placées pour se protéger des surtensions (parafoudres) et des surintensités (fusibles, sectionneurs, disjoncteurs). Voyons comment nous avons choisi les modules et les critères que nous avons adopté.

2.2 Les modules 2.2.1

Le choix

Par contrainte de temps et pour respecter les délais, le groupe a retenu 5 modules possédant la technologie CPV. Voici les principales caractéristiques de chacun d’eux.

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Réalisation d’un tracker solaire

Modèle Longueur Largeur

Opel solar USA 1,576 0,279

Hauteur

0,307

0,64

0,075

0,315

0,21

Surface du module

0,439704

1,7

0,8064

1

1,0404

Masse en kg Tolérance d'angle

11,3

57 +-0,7

Matériaux Efficacité en % Durée de vie (garantie) Voc en V Icc en A Vmp en V Imp en A Température en °C

aluminium 25 25 17,4 6,4 15,6 5,8 -40

17,4 +-4 aluminium et plastique

47,7 11,9 40,4 11,4 -40

50

45

USA

USA

Italie

Chine

Espagne

2056,6 204,6831505

2736 267,6470588

1740 148,8095238

0 220

2079 144,1753172

90

455

120

220

150

16,38 182 7,96460177

21,84 48 7,98245614

12 100 6,896551724

17,6 80

11,55 77 5,555555556

Localisation de l'entreprise

Masse totale en kg Puissance/m² Puissance par modules en W Puissance par tracker en kW Nombre de modules Puissance/masse

Emcore USA Rondine Italie 1,71 1,15 1,05 0,753

28 45,7 3,77 36,6 3,3

HCM 220 Chine Zytech Espagne 1 1,02 1 1,02

27

composite 37 20 48,5 5,5 42,3 5,2

aluminium

29,39 7,18 23,22 6,62 -25

55

A priori, le choix des modules n’était pas évident. Il donc fallu retenir des critères afin de définir le module convenant le plus aux besoins du groupe auxquels nous avons affecté des pondérations. Parmi ces critères, on retrouve : 

La masse, pondération 2



La puissance, pondération 4



La position géographique du fournisseur, pondération 1

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Page 20

Réalisation d’un tracker solaire 

Le nombre de modules nécessaires pour un tracker, pondération 3



La tolérance d’angle, pondération 3 Etant donné que la surface est définie par le cahier des charges, nous avons souhai-

té utiliser des modules fournissant un maximum de puissance. La tolérance d’angle est également importante puisque l’on doit rester dans le cône des +/- 0.5° défini par le cahier des charges. Nous avons considéré le nombre de modules pour éviter un câblage trop complexe. La position géographique du fournisseur est intéressante car nous avons trouvé des modules plus ou moins éloignés du lieu d’installation. Le rapport puissance/masse aurait pu être intéressant si nous accordions autant d’importance à la puissance délivrée par les modules qu’à la masse de ceux-ci. Critères\Modèle Opel solar USA Emcore USA Rondine Italie HCM 220 Chine Zytech Espagne puissance moyen très bien moyen bien bien masse très bien moyen très bien sans données sans données position géographique du fournisseur

moyen

moyen

très bien

moyen

très bien

Nb modules nécessaires

moyen

très bien

bien

bien

bien

sans données

Bien

très bien

sans données

sans données

23 2,875

25 3,125

Tolérance d'angle Total Moyenne

24 2,4

43 41 3,307692308 3,153846154 Figure 5 : Matrice de choix

Les notes ont été établies par des commentaires allant de très bien à mauvais. L’avantage de cette technique est qu’il est plus facile de faire une différence entre ces 2 annotations plutôt que 2 chiffres. Les résultats indiquent que les modules de la société Emcore et ceux de la société Rondine correspondent le mieux à nos attentes. D’après le business plan, nous avons vu qu’il était préférable de fournir un maximum de puissance en ayant une masse importante plutôt qu’une plus faible puissance avec une moindre masse car le coût en énergie pour mouvoir le tracker est plus faible. C’est donc pour cette raison que nous avons choisie le module de la société Emcore aux Etats-Unis.

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Réalisation d’un tracker solaire Ainsi les caractéristiques courant-tension de ce module sont :

Il offre une acceptance d’angle de +/- 0.7° en conservant 90% de ses performances. Cette performance correspond parfaitement à notre cahier des charges

Ainsi, on peut d’ores et déjà dire qu’il faudra 48 modules par tracker et que la masse totale des modules sera de 2736kg. Maintenant que les modules ont été choisis, il faut procéder au choix des onduleurs pour transformer la tension continue en tension alternative. 2.2.2

La technologie Les modules seront de technologie multi-jonction Ge/Ga/As (Germanium, Gallium et

Arsenic). Il y a 3 types de cellules empilés où chacune des couches est destinée à convertir le spectre du Soleil. Sachant qu’il émet un spectre allant de 0.2µm à 2.5µm, c'est-à-dire de l’ultraviolet à l’infrarouge avec un pic dans le visible de 0.3µm à 0.8µm, les 3 types de cellules auront pour but de capter tout ce rayonnement. Projet Mécatronique intégrée

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Réalisation d’un tracker solaire

Figure 6 : Avantages des cellules multicouches

Sur ce graphique, on peut observer en gris le spectre solaire filtré par l’atmosphère. La partie bleu correspond à la 1ère couche de cellules du panneau photovoltaïque Indium/Gallium/Potassium, en vert la 2ème couche de Indium/Gallium/Arsenic/ . Enfin, la 3ème couche en rose permet de capter les émissions infrarouges avec le Germanium.

Technologie

Longeur d'onde pour émettre en nm

InGaP InGaAs Ge

200 - 667 667 - 1033 1033 - 1908

D’après ce tableau, on voit que suivant la couche utilisée, il y a une plage de longueur d’onde à partir de laquelle elle va émettre de l’énergie. Les cellules multi-jonctions confèrent ainsi une meilleure performance mais elles sont plus coûteuses à fabriquer. C’est dans ce cadre que des optiques à concentration sont utilisés afin de capter la lumière du soleil et la réduire sur une surface de semi-conducteur plus petite.

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Réalisation d’un tracker solaire

Figure 7 : Technologie CPV

2.2.3

Effet de la température La ferme solaire est placée dans un milieu où la température de fonctionnement ne

peut être négligée.

Figure 8 : Effet de la température sur la caractéristique d’un module

Ainsi d’après les données fournies par le constructeur, on sait qu’il y a une diminution de 0.0675V/°C à partir de 25°C. Sachant que la température à Ouarzazat peut atteindre 50°C en plein soleil, on aura une perte de (

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)

Page 24

Réalisation d’un tracker solaire En câblant 16 modules en série, la perte devient :

Ces pertes représenteront autant de puissance qui ne pourra être renvoyée sur le réseau. Il faudra en tenir compte sur la tension d’entrée du convertisseur DC/AC.

2.3 Le choix des onduleurs Pour choisir les onduleurs, il est nécessaire de connaître la puissance qui va être délivrée par les trackers puis le câblage des modules pour avoir une tension et un courant d’entrée suffisant à l’onduleur. Nous avons opté pour placer un onduleur par tracker. En effet, ce choix est un compromis entre un bon rendement, le prix mais aussi l’assurance d’un fonctionnement dégradé du tracker lors d’une défaillance.

Modèle Pays du fournisseur Longueur en m Largeur en m Hauteur en m Volume en m3 Masse en kg Efficacité en % Durée de vie (garantie) Puissance entrée DC en kW Puissance sortie AC en kW Tension d'entrée en V Tension de sortie en V Courant d'entrée en A Courant de sortie en A Plage de fréquence en Hz autoconsommation en W Température Prix

Sites

Solivia 20TL Delta France/Espagne 0,952 0,6247 0,278 0,17 63 98,1 sans données 22 20 350-800 3X400 60 25 47-53 ou 57-63 -20 60 5 285,00 € http://www.solarinverter.com/eu/fr/852.htm

CS20TL Mastervolt France 0,97 0,65 0,26 0,16 65 98 sans données 22 21 200-980 3X400 2X30 3X32,2 50 60 20 -20 60 4 500,00 € http://www.mastervoltso lar.fr/solaire/produits/sun master-cs/cs20tl/

Tableau 5 : Recherche d’onduleurs

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Réalisation d’un tracker solaire Les critères retenus pour effectuer ce choix sont : 

L’efficacité, pondération 4



Le coût, pondération 3



Le volume, pondération 2

L’efficacité est un critère très important car nous voulons perdre le moins d’énergie possible. Le coût est également déterminant car le budget de ce projet est limité. Comme nous ne souhaitons pas avoir trop de surface au sol, nous avons considéré le volume de l’onduleur. Critères\Modèle Efficacité Volume Coût Total

Solivia 20TL Delta 4 3 3 31

CS20TL Mastervolt 4 3 4 34

Tableau 6 : Matrice de choix

D’après la matrice de choix, il en ressort que l’onduleur de Mastervolt CS20TL est le mieux adapté à notre situation. Cet onduleur comporte 2 étages : 

Recherche du MPPT



Conversion DC/AC

La recherche du MPPT (Maximum Power Point Tracking) permet d’être constamment au point de fonctionnement optimal donc au pic de puissance.

Figure 9 : Fonctionnement du MPPT

Il s’agit en fait de calculer à chaque instant la puissance et le comparer à l’état précédent. Si le delta est positif alors on continue à augmenter la tension, s’il est négatif, on diminuera la tension et cela constamment. Cette mise en place dure environ 0.5s. Une fois que le point de fonctionnement est trouvé, il s’agit ensuite de convertir l’énergie continue en énergie alternative. Projet Mécatronique intégrée

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Réalisation d’un tracker solaire D’après la documentation donnée par le fournisseur, on a une plage de tension d’entrée de 200-980V et une plage MPPT de 350-800V. D’après le tableau suivant, nous avons décidé d’adopter le câblage suivant :

Maroc

groupe de panneaux en parallèle 1 2 3 4 6 8 12 16 24 48

nb panneaux en série 48 24 16 12 8 6 4 3 2 1

Tension du panneau en V 1858,2 929,1 619,4 464,55 309,7 232,275 154,85 116,1375 77,425 38,7125

Intensité du panneau en A 7,679952 15,359904 23,039856 30,719808 46,079712 61,439616 92,159424 122,879232 184,318848 368,637696

Puissance en kW 14,27088681 14,27088681 14,27088681 14,27088681 14,27088681 14,27088681 14,27088681 14,27088681 14,27088681 14,27088681

Pour des raisons d’assemblage et de câblage, nous ne souhaitions pas avoir trop de groupes en parallèle. En même temps, il faut rester dans la plage de tracking de l’onduleur donc nous avons décidé de placer 4 groupes de 12 panneaux en série.

2.4 La protection électrique de la ferme Certains accidents pourraient endommager fortement les parties électriques de la ferme. Les météorologues utilisent le terme de niveau kéraunique Nk pour définir si une région est orageuse ou non. Ce niveau définit le nombre de jour d’orages par an. On a donc étudié les zones kérauniques du Maroc.

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Réalisation d’un tracker solaire

Figure 10 : Zones kérauniques du monde

On s’aperçoit que le niveau kéraunique au Maroc est faible avec Nk compris entre 8 et 12. C’est ce niveau qui va définir les éléments de sécurité à mettre sur la ferme solaire.

Figure 11 : Type de protection suivant le niveau kéraunique

Comme la ferme est alimentée en basse tension, il est peu utile de protéger le côté continu et le côté alternatif. Cependant, vu le coût de l’onduleur et des modules, nous avons pris l’option de les protéger contre les surtensions et les surintensités. De plus, ces protections rassureront le client et permettront une intervention sans danger des pompiers en cas d’incendie.

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Page 28

Réalisation d’un tracker solaire 2.4.1

Dimensionnement des sectionneurs porte-fusibles

Les sectionneurs portes fusibles ont plusieurs utilités. D’une part, ils protègent contre les surintensités, d’autre part, ils permettent aux secouristes d’avoir une intervention rapide en cas d’incendie puisqu’ils peuvent être désengagés aisément. On doit donc dimensionner les fusibles du côté continu et du côté alternatif à la fois pour protéger les modules et l’onduleur. D’après la norme UTE C15-712, les fusibles doivent supporter :

avec ICC = 59.5A à la sortie de l’ensemble des modules. Du côté alternatif, on sait que l’onduleur sort un courant de 32.2A par phase donc d’après la norme, on a :

Il faut également dimensionner les protections pour se protéger des surtensions. 2.4.2

Dimensionnement des parafoudres

Ces parafoudres sont nécessaires pour se protéger des surtensions et donc des coups indirects de la foudre. Le dimensionnement dépend de plusieurs variables dont le niveau kéraunique. Calculons d’abord Fv. (

)

(

)

Comme Fv 32 t

Modules

Emcore/Warminster

6000km

Camion et bateau

125km

Camion

570km

Utilitaire

10km

Utilitaire

125km

Camion

888km

Utilitaire

Roulement

SKF/Montigny-lebretonneux Rollon

Rail/Patins

SARL/SeyssinnetPariset Leroy So-

Moteur azimut

Verin

Onduleur

mer/Orléans SKF/Montigny-lebretonneux Mastervolt/MouansSartoux

Les procédés de galvanisation sont faits par l’entreprise Galva45 située à Escrennes. Cette entreprise se situe à 62km.

12.2 Transport Pour effectuer le transport des différentes pièces depuis Orléans jusqu’au site de Ouarzazate, il est possible d’utiliser des transports de type différent. Globalement trois scénarios peuvent être élaborés :

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Réalisation d’un tracker solaire 1. OrléansTrainSables d’OlonnesBateauAgadirCamionOuarzazate 2. OrléansCamionCadizBateauAgadirCamionOuarzazate 3. OrléansTrain--> CadizBateauAgadirCamionOuarzazate Le graphique suivant étudie l’impact de ces trois scénarios sur l’environnement.

Il ressort que le scénario le plus intéressant est le 1. Ce scénario est donc utilisé. Une fois la fabrication effectuée, les différentes pièces sont transportées vers le site d’Ouarzazate au moyen de train faisant la jonction Orléans/Sables d’ Olonnes (400km) puis un porte conteneur amène les pièces jusqu’au port d’Agadir (3000km). Les conteneurs sont amenés ensuite d’Agadir à Ouarzazate (357km).

12.3 Montage Le montage sera effectué par de la main d’œuvre formée localement. La ferme est alors active est apte à fonctionner. Cela nécessite donc l’envoi d’une personne compétente depuis Orléans jusqu’à Ouarzazate. Le formateur suivra le scénario 3 car il ne peut pas prendre le bateau porte conteneur.

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Réalisation d’un tracker solaire

12.4 Fin de vie Une fois la fin de vie de la ferme atteinte, le démantèlement est effectué par une entreprise extérieure qui s’assurera du recyclage des pièces. Il est acceptable de considérer que cette fin de vie pour la ferme est assimilé à du traitement de déchets encombrants.

12.5 Rapport Pour l’analyse du cycle de vie, tous les éléments de la ferme sont décomposés. Cela va du bâtiment poste de contrôle aux roulements utilisés. Les cellules et modules ont été modélisés de façon complète en utilisant la fiche d’analyse de cycle de vie d’un module photovoltaïque. On trouvera en annexe l’inventaire de tous les éléments modélisés. Le logiciel Bilan produit donne une analyse complète de notre modélisation. Les graphiques suivant traduisent les impacts des différents éléments de la ferme.

Ce graphique montre que la phase de production est la plus prépondérante sur le produit ferme. Par contre la fin de vie joue beaucoup sur l’écotoxicité aquatique. Le point à améliorer dans notre produit est l’écotoxicité aquatique.

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Réalisation d’un tracker solaire

Ce graphique montre que l’acier est le matériau qui a le plus d’impact. Cela provient du fait que l’acier est le matériau le plus présent dans notre ferme. On trouve ici la source du problème d’écotoxicité aquatique.

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Réalisation d’un tracker solaire Les transports ayant le plus d’impact sont le transport naval des conteneurs pour amener du port des Sables d’Olonnes à Agadir puis les camions qui amèneront ces conteneur jusqu’au site de Ouarzazate.

Ce graphique montre que le responsable de l’écotoxicité aquatique est bien l’acier présent dans le produit. Le cahier des charges fourni en complément par Mr Allaoui donne les valeurs à ne pas dépasser pour un tracker. On divisera ainsi les valeurs trouvées par le nombre de trackers. Indicateurs

Total Ferme

Total Tracker

Référence

8,65E+07

5,77E+05

3,93E+07

3,75E+04

2,50E+02

2,29E+03

4,86E+06

3,24E+04

3,4E+05

2,62E+04

1,74E+02

2,12E+03

2,59E+03

1,72E+01

1,45E+02

1,99E+03

1,32E+01

8,58E+01

Consommation énergie NR (MJ eq) Consommation ressources (kg Sb eq) Effet de serre GWP 100 mod (kg CO2 eq) Acidification (kg SO2 eq) Eutrophisation (air eau sol) (kg PO4--- eq) Pollution photochimique

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Réalisation d’un tracker solaire (kg C2H4) Ecotoxicité aquatique (kg 1,4-DB eq) Toxicité humaine (kg 1,4DB eq)

3,08E+06

2,05E+04

4,70E+04

6,53E+06

4,35E+04

2,94E+05

D’après le tableau ci-dessus, le tracker proposé par la société Orléanaise a moins d’impacts sur l’environnement et sur les ressources utilisées que le tracker de référence.

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Réalisation d’un tracker solaire

Conclusion

A travers ce rapport, nous avons présenté les différentes étapes de conception en partant de l’analyse du besoin pour déboucher sur la conception détaillée. Avec des choix innovants et justifiés, nous sommes sûrs de proposer la meilleure solution à notre client. Nous avons répondu aux besoins du client en respectant scrupuleusement le cahier des charges. Le business plan indique que le projet est économiquement viable sur 20 ans. Le rendement proposé devrait inciter les clients à investir dans notre projet.

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Réalisation d’un tracker solaire

Annexe A : Analyse de l’existant 12.1 Analyse de l’existant 12.1.1 Technologie de Tracker Les trackers existants dans le commerce sont de technologies différentes : Un axe ou deux axes. Les dispositifs mono axes ne sont pas pertinents dans notre application car ils ne permettent pas la précision de 0,5° demandée pour les CPV. Voici les principaux types proposés sur le marché correspondant à notre application :

Figure 96 : Mat situé au niveau du centre de gravité du panneau

Le panneau utilisé dans ce dispositif possède au moins deux moteurs plus réducteurs. Exemple de fabriquant : Desimone, 4 à 50m² de panneaux photovoltaïque, jusqu’à 6300 W installés. Le principal avantage de cette solution est sa facilité de mise en place et le fait que cette solution est courante. Cela constitue d’ailleurs son principal défaut car cette solution est soumise à une forte concurrence.

Figure 97 : Mat au centre de gravité avec vérin mécanique

Le tracker ci-dessus est semblable au précédent à la différence prés que le mouvement « Elévation » est effectué par un vérin mécanique. Exemple de fabriquant : Lorentz. Ce dispositif présente l’avantage de posséder un frein intégré du fait de la non réversibilité du vérin mécanique. Néanmoins le rendement du réducteur roue et vis sans fin est plus faible que celui d’un train épicycloïdal. Projet Mécatronique intégrée

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Réalisation d’un tracker solaire

Figure 98 : Mouvement « azimut » effectué au sol

Le dispositif suivant ressemble au précédent mais le mat est rabaissé, le dispositif assurant le mouvement « azimut » est au niveau du sol, loin du centre de gravité. Exemple de fabriquant : Titantracker, 216m² de panneaux photovoltaïques. Le fait que le « mouvement azimut » soit effectué de part et d’autres du panneau et non en son centre de gravité permet une précision plus grande. 12.1.2 Actionneurs Les actionneurs associés aux technologies de trackers suiveurs sont essentiellement de l’électrique associés à de la transmission mécanique. A savoir des moteurs associés à des réducteurs. Les mouvements effectués par les trackers se font essentiellement selon les angles Elévation et Azimut. 12.1.2.1 Mouvement « Azimut » Le mouvement selon l’azimut est faible du fait de la plage horaire dans laquelle le soleil se meut, au maximum de 180° en une journée. Aussi les réducteurs associés nécessitent un grand rapport de réduction. Cela peut se faire par exemple avec un train épicycloïdal. Il est aussi possible d’utiliser un moteur pas-pas afin de se dédouaner de la contrainte de réduction. 12.1.2.2 Mouvement « Elévation » Le mouvement d’élévation est moins ample que pour celui de l’azimut, au maximum de 90°, et est donc décrit de façon plus rapide en une journée. D’autres solutions techniques, autres que moteur+trains épicycloïdaux, existent. Ainsi certains constructeurs optent pour des vérins mécaniques. Ils sont constitués d’un moteur associé à un système de roue et vis sans fin afin de convertir le mouvement cyclique en mouvement de translation.

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Réalisation d’un tracker solaire

Annexe B : Analyse du besoin

L'énergie photovoltaïque s'inscrit parmi les énergies renouvelables actuellement utilisées. Avec l'inflation des produits pétroliers, l'énergie solaire constitue une véritable alternative pour les pays dépendants du pétrole. De plus, les régions ensoleillées représentent une grande part de marché car ce sont ces régions qui sont les plus à mêmes de produire de l'électricité grâce aux modules solaires. Par ailleurs, certains pays ne sont pas uniformément électrifiés et la seule alternative pour eux est d'utiliser des centrales solaires. Moins coûteuses que des éoliennes, les fermes solaires sont de plus en plus développées. C'est dans ce contexte que l'entreprise souhaite vendre une ferme solaire dans le Maghreb. D’après le cahier des charges fourni, nous devrons orienter les modules perpendiculairement aux rayons du soleil avec une précision de 1° (+/-0.5°). Les trackers devront fonctionner avec des vents de 100km/h et il devra se placer dans une position de sécurité avec des vents de 200km/h. Le système sera « supervisable » tout en ayant un coût raisonnable.

12.2 Analyse du marché 12.2.1 Les avantages et inconvénients du photovoltaïque

Les forces du photovoltaïque sont : 

De reposer sur des technologies microélectronique et couches minces, en conservant une bonne marge de progrès et d’innovations.



De pouvoir s’intégrer un peu partout, pour fournir sur place de petites puissances.



D’être un générateur simple et très fiable. L’entretien concerne essentiellement la batterie. Ainsi une très grande partie des bouées et balises maritimes est passée au photovoltaïque. Contrairement à toutes les solutions utilisées auparavant (diesel, piles, éoliennes) aucune énergie de secours n’est prévue, la fiabilité du fonctionnement dépassant 99,9%



de pouvoir s’intégrer facilement, sans gênes particulières (bruit, esthétique si certains progrès sont réalisés.) Il se substitue notamment à des toits ou façade, comme élément de bâtiment en verre produisant de l’énergie



d’avoir un potentiel illimité. 5% de la surface des déserts suffiraient pour alimenter la planète entière.

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Réalisation d’un tracker solaire Plus que le prix du kWh, c’est le coût de la substitution à une autre solution qui est important. Le photovoltaïque se substitue à la création d’un réseau électrique et est moins cher en zone rurale que ce réseau. Il se substitue au toit classique, qui vient en diminution du coût. Les faiblesses du photovoltaïque sont : 

Le développement du photovoltaïque est rapide, mais représente encore peu de chose dans le bilan énergétique mondial.



Le stockage est le maillon faible. La solution est d’allonger la durée de vie des batteries pour la rendre proche de celle des modules. Le temps de retour énergétique de la batterie est un autre point faible. Le module rembourse en 2 à 4 ans l’énergie dépensée pour sa fabrication. En revanche, le temps de retour des batteries est de 2 à 4 ans, soit équivalent sinon supérieure à la durée de vie de certaines batteries.



La R&D se focalise sur le module, et a ainsi longtemps ignoré le stockage. Energie durablement la plus chère par kWh, produisant et stockant du courant continu, le photovoltaïque est tributaire du développement d’équipements en courant continu à très faible consommation. Ce développement sera lent et aujourd’hui est à peine amorcé.



Le photovoltaïque est sans concurrence pour fournir une faible énergie. Il faut donc répondre aux besoins de manière individuelle, en multipliant les générateurs. Ceci est plus facile en terrain vierge, où une nouvelle approche est possible.



Les problèmes non techniques, l’adaptation aux usagers, les limites de fourniture d’énergie qui sont liées notamment à la météo, la modification des approches classiques bouleversent tellement les habitudes que seules des crises, pétrolières par exemple, accélèrent les adaptations nécessaires.

12.2.2 Les marchés potentiels

Les perspectives à long terme pourraient être vues comme sans limite:  

Marché captif du tiers-monde, qui atteindra environ 4 milliards d’habitants d’ici 30 ans. Marché de toits photovoltaïques, qui pourraient devenir le toit standard à terme, équipant chaque nouvelle maison pour contribuer à respecter le protocole de Kyoto.

Dans le domaine de l’énergie, les débats sont concentrés surtout sur les générateurs de fortes puissances, où l’on retrouve les centrales hydrauliques, fuel, turbine à gaz, et même les fermes d’éoliennes. Toutes supposent l’existence d’un réseau, souvent fort coûteux au Projet Mécatronique intégrée

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Réalisation d’un tracker solaire demeurant. Le photovoltaïque couvre, sans concurrent sinon les piles à combustibles, le domaine de puissance situé entre les petits générateurs diesels de quelques kW et les piles chimiques de quelques watts. 12.2.3 Les concurrents dans le milieu de la cellule à concentration 12.2.3.1 La cellule à concentration Dans un module solaire photovoltaïque, le composant le plus cher est, de loin, la cellule photovoltaïque. En intercalant un dispositif concentrateur entre le soleil et la cellule, on peut utiliser une surface de cellule beaucoup plus petite, et ainsi utiliser des cellules à rendement très supérieur, avec des valeurs oscillant typiquement entre 30 et 40 %. La concentration est obtenue par un système de miroirs paraboliques ou de lentilles de Fresnel, comme sur les phares d'automobiles. Le rapport de concentration peut atteindre voire dépasser 1000. Il faut que la lumière concentrée tombe bien sur la cellule, et non à côté : un tel panneau ne fonctionne correctement qu'avec un dispositif de "tracking", pour rester en permanence perpendiculaire aux rayons du soleil. Favorable au rendement (il augmente la production d'environ la moitié sur une journée), ce type de dispositif a l'inconvénient d'accroître la complexité et la maintenance. Il faut ensuite évacuer la chaleur excessive, préjudiciable au rendement des cellules et surtout à leur durée de vie: sans dispositif de refroidissement, ces dernières fondraient.

12.2.3.2 Les entreprises Françaises sur le marché

-

Le constructeur Français Soitec a créé sa filiale de panneaux photovoltaïques à concentration (CPV) : Concentrix Solar. Il a commencé à installer des fermes de panneaux photovoltaïques équipées de systèmes de tracking basés sur des cellules à concentration. Soitec a inauguré, en septembre 2010, sa première centrale en Afrique du sud. Concentrix Solar s'emploie également au développement d'un autre projet de ferme solaire de 50 MW dans la province du Cap-Ouest. Le fonctionnement de ces trackers est basé sur un système 2 axes perpendiculaires montés sur un mat. L’avantage du système est qu’il ne demande que très peu de maintenance grâce à sa grande résistance aux fortes températures.

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Réalisation d’un tracker solaire -

Le constructeur Français Héliotrop a développé quant à lui, des cellules HCPV ® : cellules à haute concentration. Il espère notamment installer ses panneaux au Maroc d’ici 2020, et y produire 2GW. Le HPCV a été développé afin d’augmenter encore le rendement des cellules PV. Le fonctionnement de ces trackers est basé sur un système 2 axes perpendiculaires montés sur un mat. Heliotrop a pour ambition de capter 20% du marché mondial du CPV d’ici 2015, c'està-dire plusieurs centaines de MW. Pour l’heure, il a déjà reçu plusieurs MW de commande de démonstrateur.

12.3 Etude des revenus potentiels Cette partie nous permettra de donner une estimation des revenus que va gagner le client. Il s’agit de gains estimés car nous n’avons pas fait de choix de solutions pour le moment. En considérant la carte d’ensoleillement suivante, nous avons :

Figure 99 : Carte d’ensoleillement de l’Europe et du Nord de l’Afrique

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Réalisation d’un tracker solaire En considérant un ensoleillement moyen journalier de 6.4kWh/m² au Maroc et 5.2kWh/m² en Espagne, le client peut espérer les gains annuels suivants :

Maroc

Espagne

Ensoleillement journalier moyen (kWh/m²)

6,4

5,2

Ensoleillement (kWh/m²/an)

2336

1898

Surface d'un tracker (m²)

80

80

nombre de trackers

150

150

η

0,15

0,15

Prix rachat (€/kWh)

0,083

0,142231

E délivrée par tracker (MWh)

28,032

22,776

E délivrée par ferme (MWh)

4204,8

3416,4

Gain espéré / an (€)

348 998,40 €

485 917,99 €

On note que l’Espagne paraît plus propice aux bénéfices. Cependant, le gouvernement a tendance à délaisser l’énergie photovoltaïque du fait d’un gros endettement du pays. En effet, depuis novembre 2010, le gouvernement a baissé de 45% le prix de rachat du kWh photovoltaïque. En ce qui concerne le Maroc, l’ensoleillement est plus fort qu’en Espagne mais le prix de rachat du kWh est trop faible pour espérer une viabilité du projet. Il faudrait avoir des garanties du gouvernement marocain pour s’implanter dans le pays.

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Réalisation d’un tracker solaire

Annexe C : Analyse fonctionnelle 12.3.1 Tracker 12.3.1.1 Bête à cornes A qui le produit rend-il service ?

Sur quoi agit-il ?

Modules PV et

Les modules

fermes

TRACKER

Dans quel but ? Assurer l’orientation des modules perpendiculairement au soleil avec une précision de 1°

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Réalisation d’un tracker solaire 12.3.2 Cycle de vie du tracker Nous avons défini le cycle de vie du tracker afin de voir toutes les fonctions que le produit devra remplir dans toutes ses phases de vie. 

Fabrication



Montage



Transport



Montage



Mise en fonctionnement



Utilisation normale



Démontage-remplacement



Recyclage

12.3.3 Caractérisation des interacteurs Il s’agit de caractériser les interacteurs afin d’être d’accord sur les différents termes utilisés.

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Page 164

Réalisation d’un tracker solaire Intéracteur

Description

Caractéristiques

Tracker

Système permettant d’orienter les panneaux

+/- 0,5° par rapport à la normale du soleil -masse : 28t

Moyen de transport permettant d’acheminer un tracker

Container

-volume : 65m3 -Dimensions Intérieures en mètres (12,03*2,33*2,35) -vent

Environnement extérieur

-pluie Environnement dans lequel les trackers seront en contact

-sable -sel -Animaux

personne qualifiée dans l’installation des trackers

Installateur Normes de sécurité

Modules

normes environnementales et électriques en vigueur dans le pays où seront installés les trackers.

Personne formée A déterminer après recherche

Dispositif (avec cellule à concentration) permettant de capter l’énergie solaire et la

-Volume : 80m2

transformer en énergie électrique.

-Puissance : 10kWp -Microcontrôleur

Gestionnaire

Système automatique contrôlant chaque tracker

Source d’énergie

source d’énergie extérieure au tracker qui sera utilisée pour actionner les action-

- On n’utilise pas directement l’énergie produite par le

d’alimentation

neurs.

tracker

Actionneurs Atelier

Organes permettant d’orienter les modules par rapport à la normale de l’azimut et à la normale de l’horizon. Endroit où l’on réalise les sous-ensembles des trackers. L’atelier se situe en

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-Capteurs

Force, couple, vitesse, réactivité… Atelier « standard » + sous-traitance en 5 axes pour les

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Réalisation d’un tracker solaire France.

pièces de transmission de mouvement

Personnel de l’atelier

Techniciens de l’atelier où seront produit les trackers

Personne formée en usinage et assemblage

Rayons solaires

Trajectoires de photons émis par le soleil

Un vecteur

Sous-ensembles

Accident grave

Moyen de manutention

Ensemble de pièces qui peuvent être assemblées en atelier et/ou qui nécessitent un outillage spécifique (Poste à souder, marbres, etc.)

Accident qui nécessite un arrêt de travail pour un membre du personnel.

Plusieurs pièces du tracker. Ne constituent pas nécessairement une classe équivalente cinématique unique et complète. Nombre de jours d’arrêt, taux d’incapacité, type de blessure

Systèmes permettant de déplacer des pièces ou sous-ensembles en toute sécuri-

Poids supportable, système d’accroche, élévation pos-

té. Le système doit être mobile au sein de la ferme.

sible Position horizontale du tracker avec système de blo-

Position de sécurité

Position du tracker lorsque le vent dépasse les 100km/h

Surtension

Surtension de décharge électrique éclair

Voir norme parafoudre onduleur

Surintensité

Surintensité de décharge électrique éclair

Voir norme parafoudre onduleur

Techniciens/Opérateurs

Personne habilitée et compétente pour intervenir sur les trackers ou la ferme.

Personne formée

Moyen de transport

Véhicule permettant de déplacer des pièces de tracker au sein de la ferme

Charge utile/ dimensions pour les pièces

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cage

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Réalisation d’un tracker solaire 12.3.4 Diagramme des inter-acteurs 12.3.4.1 Fabrication

Modules Photovoltaïques Matières premières

FC3 FP TRACKER

Atelier FC1 FC2 Normes

Personnel

Désignation de la fonction

FP

FC1

Nom de la fonc-

Acteur(s)

tion Réaliser les

Matières pre-

sous-ensembles*

mières/

à l’atelier

Atelier

Respecter les

Niveau

Temps de fabrica-

En attente de

tion (h)

pré-simulation

1

Normes

oui

0

= 1

1

Superviser la ferme à distance

Distance (Km)

>2

2

Traiter et afficher les informations

I V P T°C Position

Oui/non

1

Sous-fonction

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Supervision

Réalisation d’un tracker solaire

Rendement

FS3

FC1

FC2

FC3

FC4

Maintenir le système en fonctionnement

Respecter les normes de sécurité

Superviseur

Normes de sécurité

S’adapter à Environnement l’environnement extérieur extérieur

Pouvoir intervenir sur chaque tracker

Techniciens/ trackers

Collecter la vitesse du vent, le temps d’ensoleillement/j Centre météoour prévisionnels rologique local pour adopter la stratégie de fonctionnement

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Forcer les ac% tionneurs en d’actionneur cas de nécessis forçables té

100

1

Conserver le fonctionnement Nb trackers de la ferme en fonctionavec des tracknement ers défaillants

>120

1

Signaler les défaillances au poste de contrôle

% des défaillances signalées

100

0

Respecter les normes électriques

% respect normes

100

0

Respecter les normes environnementales

% respect normes

100

0

V vent Résister aux intempéries Garantir un accès à chaque tracker Assurer l’intégrité des personnes

D grêle Température Espace entre 2 trackers Nb accidents graves/an

Nbre d’heures avant l’instant t

Supervision