IMA4 2018/2019 P45

Présentation générale

Description

Ce kit chargeur solaire 10,4W, est un chargeur solaire à fixer a vos sacs a dos de randonné. Il apporte l’énergie nécessaire pour recharger vos tablettes ou téléphones. Composé de deux panneaux photovoltaïque de 5,2W et d'une batterie Lithium-Ion de 36Wh, il apporte une grande autonomie (jusqu'à 3 recharges de smartphone). Léger, fiable et facile a transporter. La sacoche est résistante, légere (< 1.5kg), mais aussi étanche et ignifugée.

La sacoche peut aussi être fixé de différente façon :

• Parallèle au sac (lors du transport en avion, ou voiture du sac par exemple)
• Ou avec une inclinaison allant de 0° à 70° pour une meilleure prise du soleil

La batterie Lithium-Ion est chargé par le panneau solaire pour assurer une autonomie total en randonné. Et en cas d'insuffisance ou absence d'ensoleillement, elle peut être rechargée sur le secteur.

Charger tous vos appareils électronique grâce aux deux port USB :

• Port n°1 de 1A pour vos smartphones et petits appareils
• Port n°2 de 2A pour vos tablettes

De plus, avec ses deux bandeaux de leds, et une application mobile, un cycliste peut signaler sa présence et son changement de direction.

Objectifs

L’objectif de cette sacoche, est de récupérer l’énergie solaire via un panneau solaire et de permettre la recharge d'appareils courants via un port USB.

Les objectifs intermédiaire sont donc les suivants:

Etudier les différentes architectures photovoltaïque existantes pour ensuite choisir la plus adapté a nos besoins Il se pose donc la question de l’adaptation du panneau solaire à la charge.

Concevoir un système d'adaptation du panneau solaire à la charge. Or nos smartphones ont aussi besoin d’un système de stockage d’énergie afin d’assurer la continuité électrique quasi permanente quelles que soient les séquences d’ensoleillement.

Etudier les différentes technologie des batteries puis dimensionner la batterie. Dans ce cas il est également nécessaire de concevoir et de réaliser un circuit qui permette de réguler et repartir la puissance de tous les composants. C'est a dire un système d’adaptation de l’énergie à placer entre les étages de production, de stockage et de consommation ainsi que trouver le système permettant l’équilibre entre la puissance fournie et la puissance consommée.

De plus, il faudra ajouter un étage de protection pour les appareils branchés. Et que l'ensemble soit léger, étanche et ignifugé.

Enfin, on pourra ajouter quelques fonctionnalités, si le temps nous le permet.

• Une jauge de batterie
• Un affichage de changement de direction pour les cyclistes, commandé en bluetooth via une application smartphone.
• Un bandeau de leds pour être visible la nuit

Analyse du projet

Positionnement par rapport à l'existant

Notre projet est tout aussi intéressant et audacieux que ceux de nos concurrents, qui vendent par ailleurs leur sac a des prix très élevé.
Il apporte même quelques améliorations, nous avons une sacoche qui est adaptable a tout type de sac de randonné, plus besoin de d'acheter le sac entier.

De plus il possède des témoins lumineux pour être visible de nuit ou servir pour indiquer un changement de direction en vélo.

Analyse du premier concurrent

Sac à dos solaire 7 Watts de Eceen :
La plupart des sac a dos des concurrents sont du même type que celui de la marque la marque Eceen.

Le panneau solaire est directement intégré au sac et le téléphone est alimenté en direct par celui-ci.

Points fort du produit :

• Produit pas cher
• Léger

Points faible :

• Si ensoleillement est faible ou inexistant. Impossible de recharger son téléphone
• Panneau solaire non amovible, si le sac est utilisé en ville le panneau solaire rajoute du poids inutilement
• Trop simpliste, manque d'option

Analyse du second concurrent

Sac à Dos Solaire Voltaic 10W de chez Offgrid :

Nous sommes ici sur un produit plus poussé que le premier concurrent, un panneau solaire 10W imperméable, léger et parfaitement intégré au sac. Mais possède aussi une batterie de 44Wh, deux port USB une grande contenance et une finition haute gamme.

Points fort :

• Sac de qualité
• Batterie intégré pour recharger ses appareils en toute circonstance

Points faible :

• Panneau et batterie non amovible
• Manque d'option, exemple: indicateur de pourcentage de batterie
• Très cher (>300€)

Scénario d'usage du produit ou du concept envisagé

La sacoche solaire 10,4W, est un chargeur solaire ultra pratique à fixer sur vos sacs à dos de randonné ou vos portes bagages, de haute qualité de composants, robuste et fiable, il vous apportera l’énergie nécessaire vitale pour recharger vos tablettes et appareils portables courants où que vous soyez. Avec son panneau photovoltaïque haut rendement, et une batterie Lithium 10000mAh, rechargez plus de 3 fois votre smartphone.

Une sacoche solaire solide, imperméable et ignifugé

La batterie Lithium-Ion incluse est chargée efficacement par le solaire et stocke l'énergie pour un usage quand vous en avez besoin. En cas d'insuffisance ou absence d'ensoleillement, elle peut être rechargée sur un prise secteur ou sur l'allume gigare d'une voiture. Ensuite chargez tous vos appareil a l'aide du port USB, 1A pour vos petits appareils ou 2A pour vos tablettes.

En randonnée, à vélo, à moto, ou à pied, cette sacoche vous apportera l'énergie nécessaire pour ne plus jamais être a court de batterie, combiné a un sac de randonné vous pourrez emporter le matériel de base indispensable où que vous soyez.
De jour, de nuit avec l'application Android, soyez toujours visible et indiqué votre direction grâce au panneau de leds base consommation intégré.

Réponse à la question difficile

• Comment rentre la sacoche ignifuge tout en évitant les surchauffes, voir un début de feu des batterie ?

Un objet électronique et/ou batterie au soleil, implique une potentielle surchauffe des ces composants. Pour contourner ce problème, il sera peut-être utile d'installer une aération et/ou au moins ne pas compresser les composants sensible les uns sur les autres. Et surement prévoir un arrêt de sécurité de tout les composants si une surchauffe trop importante est détecté.

• Comment maximiser le rendement du panneau solaire ?

Une des solution pourrait être de faire pivoter la sacoche selon l'axe horizontale pour une meilleur prise du soleil. Ainsi on viendrait mettre un 'bras' sous le bas de la sacoche qui une fois déplié, pourrait faire pivoter la sacoche jusque 60° par rapport a la verticale.

Préparation du projet

Cahier des charges

Contexte et définition du problème:

Les randonneurs, cycliste sportif ou citadin, ils nous arrivent très souvent de tomber en panne de batterie sur nos appareils portables. La sacoche solaire est la solution, véritable source d'énergie nomade de 10,4 W, avec un chargeur solaire fiable, pratique, puissant pour vos appareils portables courants. Laissez le se charger au soleil, il rechargera vos appareils connectés puis sa batterie pour avoir toujours une réserve d'énergie sur vous.

Objectif du projet:

Dimensionner,designer, fabriquer, un prototype de sacoche solaire avec options: clignotant, signal lumineux et indice de pourcentage de batterie fonctionnel

Périmètre:

Avec potentiellement une vente sur des sites spécialisés, ce produit pourrait s'exporter dans le monde entier. On essayerait des un premier temps de toucher les randonneurs, cycliste et sportif puis les citadins globe-trotteur et toutes les personnes qui ont l’âme aventurière.

Description fonctionnelle des besoins

Fonction principale:
Le chargeur solaire, avec un régulateur de charge, faire le lien entre le panneau la batterie et la charge connecté en USB. Rendre le tout fiable, pratique d'utilisation et non dangereux (ignifugé, résistant,...).

Sous-fonctions :

• Designer la sacoche où les composants iront se loger. La rendre imperméable, résistante, et accrochable facilement a tout type de sac. Et potentiellement orientable sur l'axe horizontale pour maximiser l'ensoleillement du panneau et donc le rendement.

• Les options: le clignotant gérer par bluetooth sur le téléphone, les témoins lumineux pour la nuit, le témoin de taux de charges.

Enveloppe budgétaire

Panneau solaire: ~30€

Accus rechargeable: ~20€

Tissus, fermeture: ~20€

Composants divers: ~20€

TOTAL: >100€

Délais

[ajouter délais]

Choix techniques : matériel et logiciel

• 2 Modules solaire 5W
• 1 Power bank 5000mAh [[1]]
  
• 2 Module chargeur accus Li-ion [2]
• 5 Transistors canal-P [3]
• 1 Module SunFlower [4]
• 1 Arduino Nano ou Uno [5]
• 1 Module bluetooth BLE [6]
• 20 leds cms orange [7]
• 1 Lampe halogène (Pour test panneau solaire)
• Divers fils et connecteurs

Liste des tâches à effectuer

1. Panneau solaire
   1. Choisir le meilleurs rapport qualité, prix et poids
   2. Prévoir un système pour abaisser la tension de sortie
2. La batterie
   1. Trouver le meilleur rapport capacité / taille, poids de la batterie
   2. Etudier les différents type de batteries existantes et choisir la plus adaptée
   3. Prévoir un circuit de charge pour la batterie
3. La gestion d'énergie
   1. Le régulateur de charge : MPPT
   2. Acheter un module tout en un, pour avoir une système viable et a comparer avec celui qui sera conçu
   3. Concevoir le bloc de gestion d'énergie (avec une carte Arduino en microcontrôleur)
   4. Concevoir le bloc de gestion d'énergie (avec un microprocesseur adapter et basse consommation d’énergie)
4. Fusionner les éléments
5. Fonction additionnel, (Si il reste du temps)
   1. Jauge de batterie
   2. Bandeau de LED, connecté a une application sur téléphone
   3. Module GPS pour les randonnées

Mon organisation

Feuille d'heures

Tâche	Prélude	Heures S1	Heures S2	Heures S3	Heures S4	Heures S5	Heures S6	Heures S7	Heures S8	Heures S9	Heures S10	Total
Analyse du projet	0
Panneau solaire	0
Etude/choix	0
Abaisseur de tension	0
La batterie	0
Etude capacité/poids	0
Etude/choix type	0
Circuit de charge	0
La gestion d’énergie	0
MPPT	0
Module tout en un	0
Avec Arduino	0
Avec microP adapté	0
Fusion des éléments	0
Fonction additionnel	0

Réalisation du Projet

Panneau solaire

Choix du module solaire

Choix du type de panneau
Il existe plusieurs techniques de modules solaires photovoltaïques:

• Les modules solaires monocristallins possèdent le meilleur rendement au mètre carré et sont essentiellement utilisés lorsque les espaces sont restreints. Le coût, plus élevé que celui d'autres installations de même puissance, contrarie le développement de cette technique ;

• Les modules solaires polycristallins ont actuellement le meilleur rapport qualité/prix, c'est pourquoi ce sont les plus utilisés. Ils ont un bon rendement et une bonne durée de vie (plus de 35 ans) ;

• Les modules solaires amorphes auront certainement un bon avenir car ils peuvent être souples et ont une meilleure production par faible lumière. Cependant, le silicium amorphe possède un rendement divisé par deux par rapport à celui du cristallin, cette solution nécessite donc une plus grande surface pour la même puissance installée. Toutefois, le prix au mètre carré installé est plus faible que pour des panneaux composés de cellules cristallines

=>Les modules solaires polycristallins semblent les plus à même de répondre au cahier des charges car ils ont le meilleurs rapport qualité prix pour un bon rendement et son résistant.

Choix de la puissance du panneau
Etant donné que le module solaire aura pour finalité de recharger nos appareils électronique, le plus souvent nos téléphones. Sachant que je voudrais avoir deux sortie USB, la première à 5V-500mA et la deuxième à 5V-1A. C'est à dire au maximum 5W de sortie. Prenons mon téléphone en exemple, un OnePlus 6, avec une batterie de 3300mAh à 3,85V soit 12,7Wh. Il faudrait théoriquement moins de trois heures pour le recharger (comme un chargeur classique finalement).

Donc un module solaire de 5Wh serait un bon choix.

Mais toute ces valeurs ne sont que théorique, l'énergie maximale reçue au sol est de 1 kW/m2 au midi vrai, c'est à dire que 1 m2 de panneaux exposés en plein soleil reçoit au maximum 1 kW. C'est cette valeur qui est communément retenue pour les calculs, et en laboratoire pour déterminer le rendement d'une cellule ou d'un panneau solaire, c'est une source lumineuse artificielle de 1 kW/m2 qui est utilisée.
Or, en réalité on aura rarement/jamais cette ensoleillement. Finalement, l'énergie qui arrive au sol dépend de la nébulosité, de l'inclinaison du soleil (et de l'épaisseur de l'atmosphère à traverser) et donc de l'heure de la journée.

Ainsi, en réalité un panneau de solaire 5Wh, fournira 2,5Wh environ pour un bon ensoleillement.
=>C'est pour cela que, la solution de prendre deux modules solaires de 5Wh semble la meilleurs solution. Les modules solaires choisie sont des 5.2Wh, 12V en sortie et 433mAh au maximum.

Système pour abaisser la tension de sortie du panneau

Si j'utilise le bloque de gestion d’énergie, SunFlower de DFRobot [[8]], qui dispose de la fonction MPPT (Maximum Power Point Tracking) permettant d'obtenir une tension constante et une puissance optimale en sortie. Cette carte est tout en un, elle permet la charge d'un accu LiPo via un panneau solaire et dispose de sorties 3,3V, 5V, 9V et 12V ainsi que USB. La carte est compatible avec les panneaux 9V, 12V et 18V de 20 W maximum. Les deux modules parallèle au maximum auront 12V et 866mAh soit 10,4Wh. Ce qui est parfaitement compatible avec cette carte, donc nous n'avons pas besoin d'abaisseur de tension dans ce cas.
Sinon, on devra utiliser un hacheur pour abaisser la tension a 5V pour la recharge de la charge et de la batterie, le tout couplé a un MPPT pour obtenir une puissance optimal

Phase de tests module solaire

//tests a faire avec lampe allogène
//tracer courbe courant tension P26

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La batterie

Etudier les différents type de batteries existantes et choisir la plus adaptée

Chaque technologie de batterie possède ses propres avantages et inconvénients.

Batteries Plomb (Pb / Sla)
Avantage : Bon marché, pas d’effet mémoire, bonne durée de vie.
Inconvénient: Poids élevé, faible autonomie, sensible au froid et difficilement transportable en raison d’acide liquide Pour optimiser ces batteries, il faut évitez de les décharger complètement et les stocker chargées.
=> Difficilement transportable, poids élevé cela ne répond pas du tout au cahier des charges de la sacoche qui doit être portative.

Batteries Nickel-Cadmium (Ni-Cad)
Avantage : Plus légères que le plomb et plutôt bon marché.
Inconvénient: Effet mémoire (décharger complètement la batterie avant de la recharger), polluantes, autonomie moyenne. Pour optimiser ces batteries il faut les stocker déchargées.
=> Effet mémoire embêtant sachant que la batterie va être recharger très souvent.

Batteries Nickel-Métal Hydrure (Ni-mh)
Avantage : Elles sont proches des Ni-Cad, elles souffrent moins de l’effet mémoire et bénéficient d’une meilleure autonomie.
Inconvénient : Elles sont plus onéreuses mais sont sujettes au phénomène d’auto-décharge.
=> Phénomène d’auto-décharge embêtant pour une batterie de secourt.

Batteries Lithium (li-ion ou Li-Po)
Avantage : légère, bonne autonomie, pas d’effet mémoire, grande variété de formes.
Inconvénient : batterie très onéreuses, s’use dans le temps même sans utilisation.
=> Semble être la batterie la plus adapter a nos besoin.

Trouver le meilleur rapport capacité / taille, poids de la batterie

Rapport capacité / taille:
Au vu de ses avantage j'ai choisie les batterie Lithium (voir partie précédente).

Une taille de 5000mAh pour la batterie parait être un bon compromis capacité/taille/poids, on pourra alors recharger environ 1.5 fois un smartphone récent. Je pense que cela est suffisant étant donné que la batterie est la en secourt si le soleil vient a manquer. Et qu'elle se recharge tout au long de la journée ensoleillée.

En parcourant les différents sites de commande de matériel, j'ai tout de suite vu que les accus coûtait relativement chère. J'ai donc choie d'acheter une batterie externe (mois coûteuse), puis de la démonter et de récupérer les accus et le système de recharge.

Sa capacitée est de 5000mAh, et se recharge en 6-7 heures (soit en une bonne journée d'été) en 5V et 0,833mA. Ce qui correspond a ce que peut fournir mon module solaire qui produit du 5W en pleine ensoleillement (voir #Choix du module solaire) . La batterie pourra aussi être rechargé sur secteur si il n'y a pas de soleil.

Poids:
Elle est plutôt légère: 150g (Et potentiellement moins lorsque la coque sera démontée et retirée)

Prévoir un circuit de charge pour la batterie

Etant donné que je récupère celui présent dans la batterie externe je n'ai pas besoin de le concevoir ou de l'acheter

La gestion d'énergie

Le régulateur de charge : MPPT

Un système photovoltaïque est doté d’un étage d’adaptation DC-DC entre le module photovoltaïque et la charge. Cette structure correspond à un système autonome. Il permet d’alimenter une batterie servant de stock d’énergie ou une charge qui ne supporte pas les fluctuations de tension. Cet étage d’adaptation dispose d’une commande MPPT, qui lui permet de rechercher le point de puissance maximal que peut fournir un ou plusieurs modules photovoltaïques. L’algorithme de recherche MPPT peut être plus ou moins complexe en fonction du type d’implémentation choisi et des performances recherchées.

La commande MPPT est une partie essentielle dans les systèmes photovoltaïques. Elle consiste en l’ajustement du convertisseur afin de récupérer le maximum d’énergie produite par les celuules solaires, c'est à dire minimiser les pertes d’énergie. Le modèle de la caractéristique courant-tension est non linéaire, avec des contraintes de température et d’ensoleillement qui varient d’une manière aléatoire ce qui nous confronte à un problème d’optimisation non linéaire.

Le système pourrait donc resembler a celui ci:

• Les panneaux photovoltaïque : permettent l’alimentation de la charge.
• Le convertisseur DC/DC : permet d’obtenir une tension continue variable a partir

d’une tension continue fixe.

• Le MPPT : permet d’extraire la puissance maximale produite par les

modules photovoltaïques

• Le système de gestion : assure la gestion du flux d’énergie en alimentant la charge et/ou la batterie tout en l'à protégeant contre la surcharge et la décharge profonde.

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Acheter un module tout en un, pour avoir une système viable et a comparer avec celui qui sera conçu

Concevoir le bloc de gestion d'énergie (avec une carte Arduino en microcontrôleur)

Ce système de gestion, a pour but de contrôler l'énergie produite par les panneaux photovoltaïques et de contrôler les échanges d’énergies entre les différents composants. Ce système de gestion permet aussi le contrôle de l’état de charge de la batterie, pour une protection contre les surcharges et les décharges profondes.

Ce système possède 6 modes en fonction de l'état de charges de la batterie et de la puissance fournie par le module solaire:

Mode 1:
Le module solaire fournie plus d'énergie que la charge en a besoin : Puissance_Solaire > Puissance_Charge
Le surplus recharge la batterie (Tant que: Pourcentage_Batt < 95%)

Mode 2:
Le module solaire ne suffit pas a la charge: Puissance_Solaire < Puissance_Charge
La batterie ajoute sa puissance pour combler le manque : Puissance_Charge = Puissance_Solaire + Puissance_Batt
On vérifie que la batterie à un niveau de charge suffisant pour ne pas l'endommager: Pourcentage_Batt > 10%

Mode 3:
Pas de soleil: Puissance_Solaire = 0W
La batterie fournie toute la puissance: Puissance_Charge = Puissance_Batt (Tant que: Pourcentage_Batt > 10%)

Mode 4:
Le module suffit a alimenter la charge: Puissance_Charge = Puissance_Solaire

Mode 5:
Plus de batterie: Pourcentage_Batt < 10%
Pas de soleil: Puissance_Solaire = 0W

Mode 6:
Pas de charge connécté: Puissance_Charge = 0%
La module solaire recharge la batterie

Récapitulation des modes en fonction des interrupteurs:

Mode	K1	K2	K3	Courant de charge
Mode 1	ON	ON	OFF	I_charge = I_solaire - I_batt
Mode 2	OFF	ON	ON	I_charge = I_solaire + I_batt
Mode 3	OFF	OFF	ON	I_charge = I_batt
Mode 4	OFF	ON	OFF	I_charge = I_solaire
Mode 5	OFF	OFF	OFF	I_charge = 0
Mode 6	ON	OFF	OFF	I_batt = I_solaire

L'Arduino fera alors la lecture des capteurs (de charge de la batterie, de présence de la charge, du courant fournie par le panneau,...) et gérera en conséquence les interrupteurs.

Documents Rendus

Diapo présentation : [[9]]