Automatisation d'un concentrateur solaire plan

Low-tech Lab Grenoble

https://wiki.lowtechlab.org/wiki/Automatisation_d%27un_concentrateur_solaire_plan

Dernière modification le 28/07/2024

Difficulté

Hard Difficile

Durée

10 day(s) jour(s)

Coût

200 EUR (€)

Description

Automatisation sur le mouvement Est-Ouest (azimut) d'un concentrateur solaire sur pivot.

Sommaire

Solaire, Arduino, shadow band, mécanique vélo, électronique, tracking, automatisme

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Introduction

Les petits concentrateurs solaires pour l’artisanat (boulangerie, cuisine, brasserie, torréfaction, stérilisation, …) fleurissent de plus en plus ! Ces appareils fonctionnent en concentrant une grande quantité de rayons du soleil dans un petit espace grâce à un jeu de miroirs, apportant une grande quantité d’énergie. Parmi les différents types de concentrateurs, les concentrateurs plans ont besoin d’être déplacés toutes les 5 minutes pour que les rayons réfléchis par les miroirs soient bien dirigés sur la fenêtre de chauffe du four. C’est une contrainte de temps, et pour certaines personnes (pas toutes!), cela constitue un frein pour passer le cap de l’artisanat solaire. Il est donc judicieux de s’intéresser à l'automatisation de ce type de concentrateur, dans le but de rendre l’accès au solaire à concentration plus facile au plus grand nombre. Ces concentrateurs plus ou moins low-tech peuvent donc être associés à un système qui permet de suivre la course du soleil de façon automatique, le “tracking”.

Cette étude a donc été menée sur un concentrateur solaire plan type Lytefire Cuiseur collectif. Les plans de fabrication de ce concentrateur sont accessibles ici.

Ce mécanisme d’automatisme azimutal (mouvement est-ouest) peut être repris sur n’importe quel type de concentrateur autre que Lytefire. Il fonctionne sur le principe du Shadow Band.

Ce document va donc présenter le fonctionnement  et la fabrication de l’automatisme (mécanique, motorisation, capteur, électronique, programme Arduino, …).

NB : Ce tutoriel est allégé pour plus de lisibilité. Pour plus de détails, vous pouvez télécharger le fichier tutoriel pdf dans l'onglet Fichiers.

Licence : CC-BY-SA

Matériaux

Mécanique :

• 1 roue arrière vélo enfant
• 1 pignon en acier (de préférence avec le plus de dents possible). Celui-ci sera soudé le pignon de la roue de vélo.
• 2 cornières solides de 20cm (par exemple 5cmx5cmx4mm)
• 6 tubes carrés de 1m (20cmx20cmx2mm)
• 6m de chaîne de vélo
• 3 boîtier de pédalier incrusté dans un cadre de vélo
• 6 manivelles de pédalier
• 3 petits pignons
• 2 grands plateaux
• 6 plaques aciers
• Une vingtaine de boulons M8

Motorisation :

• Moteur de perceuse (type BOSCH PSR 18
• câblerie basse tension
• driver moteur (BTS7960 High Current 43A H-Bridge Motor Driver)

Shadow Band :

• 3 morceaux de plastique rigide ou autres supports rigides étanches
• 2 capteurs de luminosité (photorésistances de ce type)
• 2 équerres
• vis et boulons et ressorts (solides)

Electronique :

• rallonge pour alimentation
• multiprise
• prise mâle 5V pour Arduino (câble alimentation Arduino)
• Chargeur d’ordinateur 18 V
• Câblerie avec gaine pour l’extérieur. Un câble 2 brins (pour le moteur, 3 mètres). Un câble minimum 3 brins (pour les capteurs, 10 mètres).
• Fiches électriques mâle et femelle 2 pôles sans terre (connexion moteur)
• Prise téléphonique en T (connexion capteur)
• Glacière étanche
• Résistances (2 x 12 kOhms et 2 x 18 kOhms)
• Plaque de plastique pour support résistance
• Connecteur d’en-tête pour souder les câbles électriques dessus et les brancher à l’Arduino
• Câble Dupont pour connectique Arduino
• Câble basse tension 5V à souder (multibrins)

Télécommande :

• Câble VGA de récupération (car il y a beaucoup de brins isolés à l’intérieur du câble, sinon en prendre plein de petit qu’on peut passer dans une gaine).
• Boutons poussoir (2 minimum)
• Un switch
• 2 plaques plastiques (pour fermer la télécommande)
• Tasseaux de bois pour faire le cadre de la télécommande

Outils

• Boîte à outils classiques
• Boîte outil mécanique vélo
• Perceuse visseuse
• Poste à souder
• Fer à souder
• Pince à dénuder
• Ordinateur pour téléverser le code dans l'Arduino

Étape 1 - Principe et fonctionnement

Comme tout système asservi, cette automatisation est composée de deux parties :

• une partie commande, composée d’un moteur et d’une transmission (moto-réducteur fabriqué à base de mécanique vélo) permettant de faire pivoter le concentrateur sur son plan azimutal (est-ouest ou ouest-est)
• une partie mesure, composée d’un “shadowband” et d’une chaîne d’acquisition. Le shadowband, comme indiqué sur le schéma, permet de projeter l’ombre de sa partie centrale sur sa partie opposée au soleil si l’alignement avec celui-ci n’est pas bon. La chaîne d’acquisition (mesure) est quant à elle composée de 2 photodiodes (capteur générant une résistance équivalente variable selon l’intensité lumineuse reçue) et de plusieurs ponts diviseurs de tension qui permettent d’acquérir une différence d'intensité lumineuse sur l’Arduino.
  Dans le mode automatique, si l’écart des flux solaires captés par la partie mesure est trop importante alors la partie commande est actionnée pour aligner le concentrateur.
  Pour le mode manuel, il permet uniquement d’utiliser la partie commande. Grâce à une télécommande, l’utilisateur peut faire pivoter le concentrateur vers la gauche ou vers la droite . Dans ce cas là, la partie mesure ne sert pas.
  On rappelle ici que le mouvement d’élévation de soleil (haut-bas) n’est pas traité. Il faudra donc le faire manuellement. Cependant celui-ci est moindre que le mouvement azimutal (est-ouest).
  

Étape 2 - Mécanique

Pour la mécanique, nous allons réaliser un moto-réducteur. Le poids important et la vitesse lente de rotation du châssis imposent d’utiliser un moteur avec un couple important. Malheureusement, les moteurs “industriels” qui remplissent ces conditions restent chers et gourmands en énergie. Une solution est trouvée en utilisant des moteurs de visseuses du commerce (rotation rapide avec un petit couple) associées à un réducteur (qui va réduire la vitesse et démultiplier le couple). Voici comment faire cette construction pas à pas.

La première tâche à réaliser est l’installation de la transmission et de la roue.

Ce module permet de transformer la force du moteur en un déplacement gauche/droite du concentrateur.

Tout s’effectue à partir de mécanique vélo. On peut donc trouver tous ces éléments de mécanique assez facilement.

En tout premier, récupérez une roue arrière de vélo d’enfant.

Soudez un pignon plus grand pour avoir une plus grande force de rotation (équivalent à une vitesse 1 sur la roue arrière d’un vélo standard). Lors de cette soudure, il est important de bien souder le pignon à plat et bien centré sur l’axe de la roue.

L’étape suivante consiste à solidariser cette roue au châssis du concentrateur.

Pour cela on installe deux cornières sur le châssis qui vont venir faire office de fourche pour la roue. La roue doit avoir une position tangentielle au mouvement circulaire du concentrateur. C’est-à-dire être parallèle au châssis. Une des cornière est fixée sur une barre transversale. Ces barres transversales servent de support à toute la transmission. On peut prendre des tube carré 20x20 pour ces barres transversales.

Après avoir monté la roue, on peut réaliser les engrenages.

Le but de ces engrenages va être de coupler un gros pignon à un petit pignon. Ceci dans le but de faire un réducteur. Ceci est réalisé à partir d’un boîtier de pédalier de vélo avec son support du cadre vélo. Vous pouvez en récupérer sur des vieux cadres de vélo.

Il n’y a pas trop de soucis à monter un grand plateau sur un boîtier de pédalier, car il est prévu à cet effet. Vissez ce plateau grâce à une manivelle de pédalier. Vous pouvez raccourcir cette manivelle en la coupant et en gardant uniquement la partie “vissante”.

Pour installer le petit pignon c’est plus délicat car les pignons ne sont pas normalement prévus pour être montés sur un boîtier de pédalier. Ils vont normalement sur les cassettes de roue arrière. Ainsi nous devons usiner une pièce pour recevoir ce pignon.

(cf le tutoriel PDF pour voir la fabrication et l'usinage du boîtier pour recevoir le petit pignon).

Une fois que ce boîtier est réalisé, fixez-le sur une plaque de sorte à ce qu’il soit bien mis à plat. Vous pouvez utiliser des boulons pour le fixer.

Vous pouvez monter 3 chaînes de transmission comme celle-ci. Il vous faudra donc travailler 3 boîtiers de pédalier. Sachant qu’il n’y a pas de plateau sur le dernier. Il y aura seulement une vis qui servira de connexion entre le premier motoréducteur et le moteur de perceuse.  Cette vis pourra être soudée car elle reçoit d'importants efforts.

Lors du montage, il est très important de régler la mécanique pièce après pièce. Commencez par la roue et 3e boîtier. Mettez la chaîne pour relier les deux. Ajustez le boîtier pour tendre la chaîne et faire en sorte que la chaîne soit coplanaire au gros pignon de la roue et au petit pignon du 3e boîtier de pédalier. Pour ajuster cette coplanarité, vous pouvez mettre des petits calles entre entre les plaques et les barres transversales. Si vous pensez que la coplanarité est parfaite. Bougez le concentrateur rapide, ceci entraînera la roue, la chaîne et le 3e boîtier de pédalier. Si la chaîne déraille, c’est que la coplanarité n’est pas respecter entre le gros pignon et le petit pignon. Si ça ne déraille pas, vous pouvez passer au montage de la deuxième chaîne. Et ainsi de suite. jusqu’à la troisième chaîne.

Étape 3 - Motorisation

Pour simplifier la motorisation, il est judicieux de prendre une vieille perceuse. Car le mandrin de la perceuse pourra être utilisé pour mettre un embout qui aille sur la vis de connexion. Ainsi il sera facile de tout mettre dans l’axe.

La motorisation a été faite avec une perceuse BOSCH PSR 18. Elle fait 18V, possède un couple maximal de 30 Nm. Si vous trouvez une perceuse moins puissante, il est probable qu’il faille rajouter un étage sur la motoréduction. Mais ça marchera tout de même.

Il faut ensuite démonter la perceuse pour en sortir seulement le corps du moteur avec le mandrin. Enlevez toute l’électronique intégrée et gardez uniquement les bornes + et - du moteur.

La perceuse doit être fixée à une plaque support. Ici, une tige filetée a été tordue pour pouvoir encercler et fixer la perceuse à la plaque.

Pour que la carte Arduino puisse communiquer correctement avec le moteur, nous avons besoin d’un driver pour le moteur. En effet, la carte Arduino émet des signaux en 5V et le moteur a besoin de 18V pour fonctionner. Le driver utilisé ici peut être acheté ici. Il s’agit du driver moteur BTS7960 High Current 43A H-Bridge. Il est dimensionné pour une intensité maximale de 43A. Si vous avez une perceuse plus puissante, il faudra sûrement trouver un driver qui supporte une intensité plus importante.

Le câblage de ce driver sera vu dans la section électronique.

Étape 4 - Shadow Band

Le shadow band est le module qui va recevoir les capteurs de luminosité. Le principe de ce shadow band est de générer une ombre grâce à une surface qui est perpendiculaire aux photorésistances. Cette ombre, en fonction de l’orientation du soleil, générera de l’ombre soit sur la photorésistance de droite soit sur la photorésistance de gauche (il est impossible d’avoir de l’ombre sur les deux photorésistance en même temps). Les photorésistances enverront donc des signaux différents à l’Arduino. L’Arduino enverra donc un ordre au moteur de tourner soit dans un sens soit dans l’autre. Une fois le concentrateur repositionné, l’ombre s’enlève sur la photorésistance qui était à l’ombre. A ce moment les photorésistances envoie le même signal, donc l’Arduino ne capte aucun différentiel et donc n’envoie aucun ordre au moteur.

Voici une vidéo de démonstration d’un shadow band bi-axe.

La fabrication du shadow band est relativement simple. Il suffit de prendre deux plaques de plastique rigides et de les assembler perpendiculairement grâce à des équerres. La plaque qui fait l’ombre doit être assez longue car cette longueur fera la sensibilité du capteur : plus le plan orthogonal est long, plus l’ombre se générera rapidement. Une longueur de 40/50cm suffit. Cette longueur correspond à la longueur de matière plastique entre les capteurs et le soleil. Si on voulait que cette longueur soit toujours la même, il faudrait découper le support en quart de cercle. Ceci n’a pas été réalisé sur ce shadow band. Il faut ensuite percer des trous pour incorporer les photorésistances. Ces trous doivent être le plus proche du plan orthogonal, ceci améliorera la sensibilité du capteur : l’ombre sera captée plus vite.

Une fois les photorésistances intégrées, on peut les rallonger en les souder à des câbles de basse tension (5V). Ces câbles seront ensuite connectés à l’Arduino. Il y aura donc 3 câbles : 5V, signal 1 et signal 2.

Pour que le shadow band puisse être calibré (orientation pour être complètement plan au plan du concentrateur, il doit être monté sur une autre plaque plastique. Celle-ci sera boulonnée sur le cadre du concentrateur.

La connexion entre le shadowband et son support se fait via 4 boulons et 4 ressorts. Le vissage des boulons permettent de rapprocher les 2 structures et les ressorts permettent de les éloigner. Ainsi on pourra calibrer correctement le shadow band. Ce système de boulon ressort pourra être revus d’une autre manière.

La calibration du shadow band se fera une fois tout le montage réalisé.

Étape 5 - Montage électronique

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