Sun tracker pour four et parabole solaire

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Présentation du Projet

L’objet du projet « Girasole » est de concevoir à moindres frais un système permettant à un four solaire de s’orienter automatiquement afin d’être en permanence face au soleil et ainsi optimiser la cuisson. Le système pourra être adapté soit à un four solaire, qui ne nécessite qu’un axe de rotation, soit sur une parabole solaire qui doit posséder deux axes de rotation. Le projet se décompose en trois parties :

  • Une électro-mécanique (moteurs), adaptée au type de four ou parabole visé, ayant pour objectif la mise en mouvement du dispositif.
  • Une partie capteur, composée de capteurs de lumière, a pour objectif de fournir un signal analogique représentatif du désaxement du capteur par rapport au soleil.
  • Une partie contrôle, qui a pour objectif de décoder les signaux issus des capteurs et de générer la commande des moteurs adéquate.

Cuisson Solaire, état de l'art, bibliographie

Parabole solaire

Une parabole solaire permet de concentrer en un point l’énergie fournie par le soleil sous forme de lumière afin de générer de la chaleur. Les paraboles solaires sont souvent destinées aux cuissons type barbecue ou cuisson à la poêle. sources :

Les rayons du soleil sont réfléchis par un miroir (aluminium anodisé) parabolique et ainsi concentrés vers le foyer où est positionné un récipient, la marmite.

Parabole soalire.jpg
Parabole solaire et sa marmite

La marmite chauffe très vite et permet toute sorte de cuisson, y compris les fritures à 200 degrés.

Voici un exemple de rapport poids/surface/puissance d'une parabole solaire:

Puissance : environ 700 watts (pas dégueu !).
Poids : environ 20 kg.
Dimensions : diamètre = 140 cm, p=80 cm.

C’est un excellent outil de la cuisson solaire : puissant et rapide (un litre d’eau bout en 10 minutes par beau soleil) mais qui nécessite d’être parfaitement face au soleil pour une obtenir une puissance optimale.

Le système d’orientation actuel et ses limitations

Comme on peut le voir sur la photo ci dessous un “clou” projetant une ombre sur une surface plane permet l’orientation de la parabole face au soleil. En effet, l’axe du clou étant parallèle a l’axe de la parabole, si l’ombre de la tête de celui-ci est bien centré sur sa tige cela implique que l’axe de la parabole est pile face au soleil. Simple et efficace :).

Parabole solaire clou.jpg
Système d'alignement manuel de la parabole solaire


Cependant, la terre tournant sur elle même à la vitesse d’un tour toutes les 24 heures, la parabole ne reste pas indéfiniment axée face au soleil. Il faut donc réajuster l’orientation de la parabole manuellement d'une quinzaine de degrés toutes les heures afin de maintenir celle-ci axée face au soleil. C’est notamment gênant lors de la cuisson de plats nécessitant des temps de cuisson de plusieurs heures, comme un cassoulet par exemple. Ceci doit pouvoir être automatisé afin de permettre au cuisinier de laisser un plat mijoter plusieurs heures sans que cela ne l’empêche de faire la sieste par exemple.

Les axes de rotation de la parabole

Sur un modèle de parabole répandu sur le marché, celle-ci est soutenue par un support monté sur un trépied fixé au sol. Le support est mobile par rapport au trépied autour d’un axe Y, il est à noter que le support sert aussi de support au plat. La parabole est reliée au support et est mobile par rapport a celui-ci autour d’un second axe X.

Parabole axes.png
Exemple d'axes de rotation d'un parabole solaire commerciale

Le four solaire

Les fours solaires permettent, grâce à l'effet de serre, d'obtenir des températures jusqu'à 180°. Pour info, un cassoulet mijote à 170°C plusieurs heures, tandis qu'un rôti de porc doit cuire entre 180 et 200°C, une quiche quant à elle cuit à 180°

Ici un très bon article sur le four solaire de nos voisins Grenoble de l'association entropie : http://www.asso-entropie.fr/media/filer_public/2013/11/28/four_solaire_entropie_juillet2013.pdf

Les axes de rotation du four solaire

Un four solaire ne nécessite que de tourner autour d'un axe pour rester face au soleil comme sur un plateau tournant par exemple.

Alignement automatique avec le soleil (Sun Tracker, pisteur solaire) état de l'art

Association Entropie

Entropie propose une solution à base de deux panneaux solaires très bien documentée ici : http://www.asso-entropie.fr/media/filer_public/24/59/24596fa2-19ff-4808-b25a-611e7ecc137f/pisteur_solaire_entropie_juillet2013.pdf

points positifs :

  • Électronique réduite au plus simple, pas de pcb, pas de soudures.
  • Plateau tournant DiY du plus bel effet avec matériaux de récup.
  • Mécanique simple

points négatifs :

  • transmission de la rotation par galet + élastique fragile.
  • étalonnage avec du scotch opaque sur un des panneaux.
  • Faible rendement ==> Courant fourni au moteur = différence entre les courants des panneaux.
  • Prix des panneaux solaires × 2

L'inventeur Joao Pereira

L'inventeur Joao Pereira propose une capteur très simple à base de photo-résistances et d’un peu de logique de décodage pour piloter les moteurs de panneaux solaires de camping-cars : capteur solaire, mécanique.

points positifs :

  • Composants utilisés à faible coût.
  • Simplicité du montage.
  • Commande des moteurs binaire

points négatifs :

  • Photo-résistances exposées à la lumière et donc sensibilité du capteur faible + sensibilité au passage des nuages
  • Partie mécanique adaptée aux panneaux solaires et non aux fours solaires

Suncalor

Suncalor, nous propose un mécanisme de monture équatoriale ainsi que plusieurs exemple de réalisations de pisteur solaire pour une parabole.

points positifs :

  • Besoin d'un seul moteur pour piloter une parabole.
  • Compacte

points négatifs :

  • Partie mécanique compliquée --> chère

Choix technologique pour le projet Girasole

Le capteur sera du même type que celui de Mr Joao Pereira mais décliné en deux variantes:

  • une version avec 4 photorésistances Nord/Sud/Est/Ouest pour une orientation sur 2 axes pour les paraboles
  • une version avec seulement 2 photo-résistances pour les fours solaire sur plateau tournant

La partie contrôle sera réalisé avec des comparateurs qui convertirons les signaux issus du capteur en numérique plus quelques portes logiques pour décoder les signaux issus des capteurs et générer la commande des moteurs adéquate.

La partie mécanique :

  • pour les fours solaire ce sera dans le même esprit que ce que propose Entropie cad un plateau tournant entraîné par un moteur électrique mais la transmission sera faite par des engrenages imprimés en 3D. Le plateau sera un plateau de fromage tournant glané pour qq euros sur une brocante plateau ikea.
  • Pour la parabole cela reste encore ouvert.
  • Les moteurs d'essuie glace de voiture se trouve pour pas cher (15-20e) sur le marché de l'occasion et offre un fort couple et une basse vitesse de rotation pour une alimentation entre 3 à 12V et en consommant entre 300 a 800mA. En ayant dégoté un à 1 euro sur une brocante je vais l'utiliser pour le projet.

L'alimentation sera effectuée par un panneau solaire type 15 x 20 cm 5V 800 mA (11 sur ebay panneau solaire ebay

Capteur

Principe de capteur d'alignement avec le soleil sur 2 axes:

Afin de détecter un désalignement avec le soleil une idée est d’utiliser une boite dans laquelle nous percerons un trou dont l’axe est parallèle a celui de la parabole. En positionnant des capteurs de lumière au fond de la boite, un point lumineux (spot) crée par les rayons du soleil se trouvera au centre de la surface lorsque la parabole est parfaitement alignée avec le soleil. On peut détecter un désalignement de la parabole en détectant si le spot lumineux se déplace sur le fond de la boite. On pourra ainsi déplacer la parabole en conséquence jusqu’à ce que le spot lumineux se retrouve a nouveau au centre des capteurs. Voici une illustration du procédé pour différentes positions du soleil par rapport a la boite. Ici 8 capteurs on étés représentés mais 4 suffisent si le spot lumineux est suffisamment large pour ne pas passer entre deux capteurs en diagonale :

Boite noire.png
Illustration du capteur d’alignement avec le soleil 2 axes

Principe d'alignement automatique avec le soleil pour une parabole 1 axe

Le principe est le même que pour 2 axe à la différence que seuls 2 capteurs photosensibles ne sont nécessaire et que le trou est remplacé par une rainure.

Boite noire 1axe.png
Illustration du capteur d’alignement avec le soleil 1 axe

Photorésistance

Les capteurs de lumière peuvent être des photorésistances qui ont l’avantage d’être très peu coûteuses (~env 1 e pièce). Une photorésistance est un composant semi-conducteur dont la résistivité varie selon son illumination. Voici un exemple de datasheet et de caractéristique de photorésistance PerkinVT83 N2 coûtant 1,80 euro pièce :

Datasheet photores.png
Datasheet d'une photo-résistance

Photores charac.png
Caractéristique d'une photo-résistance

Un tel composant possède une résistance comprise entre 12 et 36 KOhm à 10 lux et au moins égale à 500 KOhms dans le noir. Un objet en plein soleil subit une illumination de 50000 à 100000 Lux [wikipedia] on peut espérer une variation d’au moins une décade en lux de l’illumination d’un capteur à l’ombre par rapport a un capteur ensoleille ce qui correspond environ à une variation de la résistivité de la photorésistance d’une décade aussi.

Prenons l’exemple d’une photorésistance dont la résistance serait :

  • En plein soleil : Rsol
  • A l’ombre : 10 x Rsol

Si l’on monte deux photo-résistances en pont diviseur de tension alimenté par une tension Vin dans notre capteur comme dans la figure ci dessous :

Pont res.png
Pont résistif de photo-résistances

Selon si le spot lumineux est au centre des photo-résistances nous obtenons :

Les deux résistances à l’ombre : Vm = Vin/2

Si le spot illumine l’une ou l’autre des résistances:

  • R1 à l’ombre et R2 éclairée : Vm = Vin x (10/11)
  • R1 éclairée et R2 à l’ombre : Vm = Vin x (1/11)

Nous obtenons donc un signal Vm avec une excursion de presque 80 % de la valeur de Vin qui nous indique si les photo-résistances sont illuminées ou non. Si nous comparons la tension Vm a une autre tension Vref générée cette fois ci par des résistances classiques nous pouvons savoir de manière binaire si un capteur est illuminé ou non.

Il est à noter qu'affin de garantir une bonne sensibilité au capteur et donc une grande amplitude du signal Vm il est important que le capteur à l'ombre soir "vraiment à l'ombre" et le capteur à la lumière "vraiment à la lumière". Deux solutions sont envisageables:

  • Les capteurs sont sous le soleil par défaut et l'un deux passe à l'ombre grâce à un clou par exemple.
  • Les capteurs sont à l'ombre par défaut dans une boite opaque par exemple et un deux passe au soleil lors d'un désalignement.

Je pense que la seconde solution est plus intéressante contrairement aux capteurs que j'ai pu voir. En effet à l'ombre d'un clou un photo résistance reçoit toujours beaucoup de lumière. Elle se retrouve dans une zone de fonctionnement ou sa résistance est faible et ou la variation de sa résistance est elle aussi faible. A contrario une résistance à l'ombre dans une boite opaque ou il fait sombre devrait avoir une résistance de l'ordre du MOhm. Si l'une d'elle se retrouve sous un spot lumineux sa résistance va chuter à une 10aine de KOhm soit plusieurs décades d'écarts et donc une grande amplitude en sortie du diviseur de tension.

Réalisation du capteur

Nous avons réalisé un capteur type 2 axes a l'aide d'une plaque à trous. Celui-ci est composé de deux pont diviseurs à base de photo-résistances. Nous avons ajouté un connecteur type IDC pour pouvoir l'alimenter et le relier à une seconde carte hébergeant la partie contrôle.

Capteur.png
Montage du capteur

Photo capteur.png
Photo du capteur

Voici le pin-out du connecteur

VDD Vm_NS NC NC NC
GND Vm_EW NC NC NC

Le capteur est alimenté par du 5V récupéré grâce a un câble USB hacké. Voici un tableau de mesures de la dynamiques des signaux mesurés sur la carte capteur. Un morceau de scotch opaque noir (chatterton) avec un trou dedans permet de n’illuminer qu’une photo-résistance à la fois avec une lampe frontale :

Vin = 5.22V

Capteur illuminé Vm_EW Vm_NS
aucun 2.7 2.35
E 5.2 1.5
W 0.05 1.05
N 2.6 5.2
S 4.3 0.05

On constate que le capteur répond bien a ce premier test. Il faudrait faire des mesures au soleil plutôt qu’avec un éclairage a la frontale. Il faudrait aussi recommencer un fois que nous aurons fait le boitier opaque.

Mise en forme du signal, conversion analogique/numérique

Le principe de cette partie du circuit est de générer un signal binaire pour commander les moteurs à partir des signaux issus du capteur. Le principe est de comparer les deux signaux Vm_ES et vm_NS a des tensions de référence afin de déterminer si le four ou la parabole doit pivoter.

Capteur illuminé Vm_EW Vm_NS moteur EW moteur NS
aucun 2.7 2.35 statique statique
E 5.2 1.5 rot E statique
W 0.05 1.05 rot W statique
N 2.6 5.2 statique rot N
S 4.3 0.05 statique rot S

On peut déterminer si un moteur doit tourner ou non en comparant les tensions Vm_NS et Vm_EW a des tensions de référence ref_high et ref_low comme représenté ci -dessous:

Chrono comp.png
Plage de tension du capteur pour comparaison

La subtilité réside dans le choix des valeurs de ref_high et ref_low. Une bonne idée serait d’utiliser des potentiomètre pour rendre ces tension réglables. Nous avons dans un premier temps implémenté grâce a deux pont résistifs fixes car pas de potentiomètre sous la main :

Vref_high = Vdd x (910k / (910k + 100k )) = 0.9 x Vdd Vref_low = Vdd x (100k / (820k + 100k )) = 0.1 x Vdd

Une simple comparaison entre les tensions Vref et Vm permet de définir si une photorésistance est au soleil ou à l’ombre et ainsi actionner les moteurs en conséquence.

Comp.png
Conversion analogique/numérique du signal issu du capteur

Pour la réalisation nous avons choisi des comparateur CMOS tlc3704 dans des boîtiers DIP car ceux ci ne nécessitent pas de résistance de pull-up externes, se soudent directement sur plaque a trous ou sur bread-board et peuvent supporter une tension d'alimentation de 3 à 16V.

Tlc3704.png
Datasheet du TLC3704

voici le schéma de câblage du comparateur :

Cablage comp.png
Schéma de câblage du comparateur
En soudant des LED en sorti des comparateurs on peut constater que celles-ci s'allument lorsque que leur photo-résistance se trouve illuminée.

Comps led.png
Les LEDs s'allument selon la photo-résistance "au soleil"

On constate que le capteur réponds bien même lorsque les LEDS "au soleil" sont illuminé par l’éclairage un peu tamisé de mon intérieur.

Contrôle du moteur électrique

Le moteur sera drive par un module de chez pololu integrant le chip DRV8838 ici

Ce module permet de faire tourner le moteur dans un sens ou dans l'autre grace a la pin PH. Il permet une alim jusqu'a 1V8 et peut driver jusqu'a 1.7A DC bref c'est du bonheur !

Pololu drv8838 1.jpg
Pin-out du module

Le tout tenant dans un mouchoir de poche !

Pololu drv8838 2.jpg
Module a l'echelle

Ainsi le moteur tourne grâce a une accu au lithium ion glanné dans une vielle batterie d'ordi portable meme pas rechargée, 3V3 lors du test.

Moteur et driver 1.jpg
Montage du module pololu qui fait tourner le moteur d'essuie glace alimenté par la batterie li-ion 18650 (forcement on ne voit pas trop la rotation sur la photo ...)

Partie Mecanique (openscad)

{

/* File: plateau_fromage.scad Description: plateau_fromage Auteur : Xavier BRANCA

  • /

// Variables $fn = 50; // résolution des arrondis (valeur de 3 à 360)

// Plateau

$Diametre_plateau = 390; // en mm $Epaisseur_plateau = 15; // en mm

$Entraxe = 7; // en mm

// support

$Diametre_support = 180; // en mm $Epaisseur_support = 16; // en mm

$position_support = [0,0,-($Epaisseur_plateau/2)-$Entraxe-($Epaisseur_support/2)];

// Couronne

$Diametre_couronne_ext = $Diametre_plateau-15; // en mm $Diametre_couronne_int = $Diametre_couronne_ext-50; // en mm

$Epaisseur_couronne = $Epaisseur_support -5; // en mm

$position_couronne = [0,0,-($Epaisseur_plateau/2)-($Epaisseur_couronne/2)];

// Pignon

$Diametre_pignon = 60; // en mm $Epaisseur_pignon = $Epaisseur_couronne; // en mm

$position_pignon = [($Diametre_couronne_ext/2)+($Diametre_pignon/2),0,-($Epaisseur_plateau/2)-($Epaisseur_couronne/2)];

// Cadre $longueur_cadre=500; $largeur_cadre=500; $Epaisseur_cadre=22;

$position_cadre = [0,0,-($Epaisseur_plateau/2)-$Entraxe-($Epaisseur_support)-($Epaisseur_cadre/2)];

// Moteur $longueur_corps=80; $largeur_corps=55; $Epaisseur_corps=40;

$position_moteur = [($Diametre_plateau/2)+($Diametre_pignon/2),-($Diametre_reducteur/2),-($Epaisseur_plateau/2)-$Entraxe-($Epaisseur_support)-($Epaisseur_pignon)-($Epaisseur_reducteur/2)];

$Diametre_reducteur = 80; // en mm $Epaisseur_reducteur = 25; // en mm

$position_reducteur = [($Diametre_plateau/2)+($Diametre_pignon/2),0,-($Epaisseur_plateau/2)-$Entraxe-($Epaisseur_support)-($Epaisseur_pignon)-($Epaisseur_reducteur/2)];

//instances

cylinder(d=$Diametre_plateau,h=$Epaisseur_plateau,center=true,$fn=360);

translate($position_support) { cylinder(d=$Diametre_support,h=$Epaisseur_support,center=true,$fn=360); }

difference() { translate($position_couronne) {

 		cylinder (d=$Diametre_couronne_ext,h=$Epaisseur_couronne,center=true,$fn=360);

} translate($position_couronne) {

 		cylinder (d=$Diametre_couronne_int,h=$Epaisseur_couronne,center=true,$fn=360);

} }

translate($position_pignon) { cylinder(d=$Diametre_pignon,h=$Epaisseur_pignon,center=true,$fn=360); }

translate($position_cadre) { cube(size = [$longueur_cadre,$largeur_cadre,$Epaisseur_cadre], center = true); }

translate($position_reducteur) { cylinder(d=$Diametre_reducteur,h=$Epaisseur_reducteur,center=true,$fn=360); }

translate($position_moteur) { cube(size = [$longueur_corps,$largeur_corps,$Epaisseur_corps], center = true); }

}