RapportdeprojetSEPAP4 PT

Rapport final SEPAP4

Projet Transverse:

Rapport final Groupe 12 SEPAP4

Station d’Essai de Panneaux Photovoltaïques

Année 2014 2015

Groupe de projet: Tuteur de projet: Kévin Martin BILE BIDJAN M. JeanPaul CHEVALIER Francisco COROCEO MENDEZ Rédouane EL AJJOURI Baihuan LIN Lucas RIBEIRO DA COSTA Bruno TONON ROELA Marcus VOGT

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Table de matières:

Remerciements 1 Présentation du projet transverse SEPAP4

1.1 Contexte, historique de la demande 1.2 Parties prenantes et acteurs du projet 1.3 Synthèse du projet: “QQQOCP” 1.4 Objectifs, livrable

2 Organisation du PT 2.1 Planification du projet 2.2 Organisation du groupe et répartition des tâches 2.3 Gestion des ressources

2.3.1 Les moyens techniques 2.3.2 Le matériel utilisé 2.3.3 Budget du PT

3 Résultats produits par le PT 3.1 Solutions envisagées et solution retenues

3.1.1 Présentation des objectifs à atteindre 3.1.2 Détails des améliorations envisagées

3.1.2.1 La poursuite solaire 3.1.2.2 Le contre poids 3.1.2.3 La protection de la station 3.1.2.5 La fixation du moteur en bas

3.2 Mise en œuvre de la solution 3.2.1 Protection de la station 3.2.2 Le contrepoids et l´installation du limiteur de couple 3.2.3 Le système de cellules de correction discontinu 3.2.3.1 Moteur en haut: 3.2.3.2 Circuit de poursuite: première solution 3.2.3.3 Circuit de poursuite: deuxième solution

3.3 Réalisation des premiers essais 3.3.1 Mesures sur un panneau: Détermination du rendement 3.3.2 Mesures avec un panneau test et un panneau de référence 3.3.3 Mesures pour une série de panneau

4 Analyse critique du travail du groupe de PT 4.1 Comparaison entre les objectifs du PT et le rendu au client 4.2 Comparaison entre la proposition dans l´avant projet et le travail effectué / les résultats 4.3 Satisfactions et éventuelles difficultés rencontrées lors du travail de PT

Conclusion Annexes

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Remerciements

La réalisation de notre projet de deuxième année a été une expérience formidable et enrichissante grâce a tous ceux qui ont contribué à l'élaboration de ce travail.

Nos remerciements s'adressent en premier lieu à notre tuteur, M. JeanPaul CHEVALIER, qui nous a guidé tout au long du projet. Sa disponibilité, son soutien et son investissement nous ont permis de faire face aux contraintes budgétaires et techniques rencontrées lors du projet.

Nous tenons aussi à remercier M. Thierry GAIDON, le responsable des projets de S7, pour son soutien apporté à notre projet face aux difficultés rencontrées et sa préoccupation constante pour le bon déroulement du projet.

Nous tenons également à remercier Mme Marylène LALLEMAND, responsable du laboratoire de mécanique, qui nous a permis d’y travailler pendant tout la durée de notre projet.

Nous remercions aussi M. Emmanuel CLAVIER qui a contribué à une partie importante de notre projet en nous fournissant notamment du matériel de mesure.

Nous voulons remercier l'association CARMA, qui nous a fourni des matériaux indispensables au bon déroulement de notre projet.

Enfin, nous remercions tous les services de l’Ecole Centrale Marseille qui rendent possible la réalisation des projets de deuxième année, en particulier Mme Mirta JUAREZ et Mme Cécile CORTES. Introduction

Ces dernières années, la production d'énergie photovoltaïque dans le monde a considérablement augmenté. Ainsi, la puissance d’énergie photovoltaïque générée est passée de 7,6 GW en 2007 à 140 GW en 2013. L’énergie solaire photovoltaïque occupe désormais la troisième place comme source d’énergie renouvelable en termes de capacité installée après l’énergie hydraulique et l’énergie éolienne.

La production annuelle mondiale d’électricité produite par les panneaux solaires ne couvre seulement que 0,85% de la demande énergétique mais dans l’Union européenne ce chiffre atteint 3%, voire 6% au cours des périodes de production plus élevées (ensoleillement élevé).

Au cours du temps, grâce aux laboratoires de recherche, le rendement des panneaux photovoltaïques conçus s'est amélioré et leur coût a baissé : si en 1977 une cellule photovoltaïque en silicium cristallin coûtait 75.67 USD/Watt, de nos jours la même cellule coûte 0.36 USD/Watt, soit une baisse de 99,5%. Pour continuer à rivaliser avec les autres énergies vertes et ne pas perdre de parts de marché sur la place énergétique mondiale, l'industrie de la cellule photovoltaïque se doit d'être aussi efficace que possible. On peut accroître le rendement des cellules de deux manières. La première consiste à améliorer techniquement la cellule photovoltaïque, la seconde à optimiser le mouvement du système de

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poursuite solaire. L'utilisateur final va préférer une solution mobile de poursuite solaire plutôt qu'une installation fixe pour plusieurs raisons:

Le rendement des panneaux photovoltaïques est accru de 30 à 40% La surface du parc solaire est réduite tout en gardant le même potentiel Le temps de retour sur investissement est réduit Amortissement du système en 4 ans (en moyenne)

Le marché mondial des panneaux est actuellement largement dominé par la Chine qui

séduit les pays occidentaux en proposant des panneaux entre 30 et 40% moins chers que ceux produits par les pays européens. Ainsi, la France importe 80% de ses panneaux photovoltaïques. Toutefois, comme les performances annoncées de ces panneaux ne sont pas soumises à des contrôles et ne requièrent pas de certification d’un organisme, certains panneaux peuvent présenter des problèmes techniques comme une mauvaise efficience concernant l’obtention d’énergie électrique ou une durabilité beaucoup plus courte que la durabilité standard des cellules en silicium cristallin (environ 20 ans).

Pour assurer une production énergétique optimale il y a donc deux aspects d’égale importance à prendre en compte : développer un système de traque solaire efficace d’une part et d’autre part s’assurer de la qualité des panneaux utilisés étant donné que les caractéristiques annoncées par le constructeur ne sont pas toujours fiables. Ces deux points constitueront l’objet de notre projet.

La solution retenue est de développer une station fonctionnelle permettant de vérifier avec exactitude les données annoncées par le constructeur des dits panneaux. L’objectif du projet est d’améliorer un prototype de station d’essai, ayant déjà été réalisé au cours des années précédentes, testant les caractéristiques des panneaux dans les conditions optimales en utilisant un panneau de référence ainsi qu’un « tracking system » permettant de suivre le soleil. Notre groupe devra donc rendre fonctionnel le prototype et effectuer une série de tests pour confirmer son efficacité.

1 Présentation du projet transverse SEPAP4

1.1 Contexte, historique de la demande

L’union européenne est devenue un modèle mondial en matière d’utilisation d’énergie propre, si aujourd’hui 13% de la consommation d’énergie de l’UE provient d’énergies renouvelables, d’ici 2020 ce chiffre devrait atteindre au moins 20%, notamment grâce à l’amélioration des technologies utilisées. Les trackers solaires dans notre cas en constituent un bon exemple. L’idée derrière est que le surplus d’énergie produite grâce à la meilleure orientation du panneau sera plus important que l’énergie perdue pour orienter le panneau de

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http://www.google.com/url?q=http%3A%2F%2Fblog.solorea.com%2Florientation-de-votre-panneau-solaire&sa=D&sntz=1&usg=AFQjCNFecI8eUkjLg7dGLr_58VxZCu9KMg

http://www.google.com/url?q=http%3A%2F%2Fblog.solorea.com%2Florientation-de-votre-panneau-solaire&sa=D&sntz=1&usg=AFQjCNFecI8eUkjLg7dGLr_58VxZCu9KMg


manière optimale. En effet, un tracker peut augmenter le rendement des panneaux solaires jusqu’à 40% par rapport à une installation fixe orientée plein Sud.

Cependant, le marché européen des panneaux photovoltaïques est en situation de crise. La Chine, qui est le premier producteur mondial de panneaux solaires, se voit plus compétitive que les pays européens grâce aux nombreuses subventions accordées par l’Etat chinois. En effet, la Chine a fait chuter les prix, obligeant ainsi 75% des entreprises européennes du secteur à faire faillite. Pour faire face à cette situation, l’Europe a mis un prix minimum de 0.65 euro par watt importé de Chine sous condition que le montant total ne dépasse pas 7 gigawatts de panneaux solaires. Si cette condition n’est pas respectée ils mettront en place une taxe douanière qui pourrait arriver à 47,6%.

Figure 1: le marché européen des panneaux photovoltaïques

Cependant, les panneaux solaires provenant du pays asiatique ont un rendement douteux, en effet, les performances effectives ne correspondent pas toujours à celles annoncées. Ainsi, il est nécessaire de vérifier la qualité ces panneaux pour redonner la confiance aux acheteurs, surtout pour les artisans et les particuliers, qui n’ont pas toujours les moyens de le faire.

En effet en France, la région ProvenceAlpesCôte d'Azur est aujourd'hui la première région solaire française en terme de puissance raccordée au réseau. La filière a pu bénéficier du soutien de nombreux dispositifs mis en place par les institutions pour accompagner les particuliers à mettre en place des installations sur bâti. le développement de cette source de production est particulièrement importante dans le cadre de la sécurisation électrique de l'Est de la région ProvenceAlpesCôte d'Azur. D’où l’importance de soutenir cette tendance en s’efforçant de fournir un matériel de qualité.

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Installations photovoltaïques raccordées Année 2011 2012 2013 2014 (au 31/03)

Nombre d'installations

25 370 27 758 29 932 30 458

Puissance (en MW) 385 531 664 697

1.2 Parties prenantes et acteurs du projet L'École Centrale Marseille a permis le déroulement du projet SEPAP, suite à l’initiative

présentée par notre tuteur M. JeanPaul Chevalier. Il a été le créateur et le coordinateur pour quatre annnées consécutives de ce projet. Cette année, il est realisé par notre groupe qui est composé de sept élèves: Kévin Martin BILE BIDJAN, Francisco COROCEO MENDEZ, Rédouane EL AJJOURI , Baihuan LIN, Lucas RIBEIRO DA COSTA, Bruno TONON ROELA et Marcus VOGT.

Par ailleurs nous avons eu recours à plusieurs entreprises afin d’obtenir des devis etpour se procurer les pièces nécessaires à la réalisation de notre projet. Nous pouvons notamment citer Fibrolux, Weldom, Brico Dépôt, Castorama…

L’équipe enseignante spécialisée de l’Ecole Centrale Marseille constitue aussi une partie prenante de notre projet, dans la mesure où elle est apte à nous apporter la formation et les connaissances qui pourraient venir à nous manquer au cours du projet. Ainsi M. Chevalier notre tuteur, spécialisé dans le solaire et M. Clavier spécialisé en électronique constituent deux acteurs majeurs de notre projet.

L’Ecole Centrale Marseille prend également part au projet. D’une part du fait qu’elle fournit un espace de travail à l’équipe projet (laboratoire de mécanique) mais aussi du fait qu’elle finance le projet d’autre part.

1.3 Synthèse du projet: “QQOCQP”

Qui? Tuteur du projet: M. JeanPaul Chevalier Membres du projet: 7 élèves

Par qui? L’équipe projet, L'association CARMA et L’Ecole Centrale Marseille

Quoi? Créer un outil performant permettant de s’assurer de la qualité des panneaux photovoltaïques

Quand? De 01.09.2014 à 14.01.2015

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Où? Laboratoire de mécanique de l’école centrale Marseille

Comment? La protection La capacité à fonctionner sans intervention humaine L’efficacité de la poursuite solaire

Combien? Budget: 100€

1.4 Objectifs, livrable

L’objectif fixé à travers ce projet de deuxième année est de réaliser une campagne d’essais afin de déterminer les caractéristiques d’un panneau inconnu par rapport à un panneau de référence, notamment le rendement. Le projet SEPAP en est à sa quatrième année. La première année, une étude théorique a été faite. Lors de la deuxième année, un prototype du cœur de la machine a été réalisé. L’année dernière, le prototype a été complété, notamment avec le support des panneaux photovoltaïques et la liaison au sol. En cette quatrième année, pour atteindre notre but nous devons :

Améliorer la station de façon à pouvoir la laisser fonctionner de manière

autonome.

Concevoir et réaliser le système de tracking.

Réaliser les premiers essais de comparaison d’un panneau inconnu par rapport à un panneau de référence.

2 Organisation du PT

2.1 Planification du projet

Un projet complexe comme le notre nécessite une bonne analyse (voir matrice SWOT en annexe) et surtout une bonne organisation. En tenant compte de nos objectifs définis dans l’avant projet, nous nous sommes initialement posé la question de savoir comment les atteindre et comment s’organiser (voir analyse préliminaire des risques en annexe). Dès lors, nous avons défini les étapes du projet qui sont pour nous:

1. Amélioration de la station: a. Protection de la station

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b. Installation du contre poids et du limiteur de couple c. Installation du système de cellules de correction discontinue

2. Réalisation des premiers essais a. Détermination du rendement b. Mesure de la puissance produite

Après cette première approche, nous avons détaillé notre planning à l’aide d’un

diagramme GANTT pour mieux visualiser ces étapes, mais aussi pour clarifier la distribution des tâches.

Notre diagrammeGANTT figure enAnnexe (Figure 3). Celuici nous a permis de fixer les “deadlines” et nous a également permis de bien suivre l’avancement de notre projet et de détecter les éventuels retards.

Par ailleurs, nous avons créé un planning prévisionnel pour définir précisément l’objectif de chaque séance et pour organiser des réunions lors des séances où notre tuteur était disponible. Ce planning prévisionnel peut également être consulté en Annexe (Figure 4).

2.2 Organisation du groupe et répartition des tâches Organigramme:

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Figure 2: Organigramme groupe SEPAP4

Organisation du groupe:

Dès le début nous avons décidé de nous diviser en deux sousgroupes. Cette décision était un choix stratégique nécessaire afin de mieux travailler pendant les séances de projet de deuxième année, étant donné le peu de temps qu’on avait. De plus notre projet nécessitait une organisation clairement fixée, pour ne pas perdre de temps pendant nos séances prévues et pour pouvoir mieux travailler en parallèle. Cette forme d´organisation était notamment valable lors de la première phase de projet (donc jusqu´à novembre 2014).

Les objectifs des deux groupes étaient: Groupe administratif:

Élaboration de l´avant projet Faire le bilan financier Rédiger les comptes rendus des séances Rédaction du rapport final (notamment partie présentation et organisation du projet) Aider et supporter l´équipe technique

Groupe technique:

Rédaction du rapport final (notamment partie résultats produits par le projet) Mise en oeuvre des solutions techniques Production des dessins techniques

Malgré cette séparation qui peut paraître radicale aux premiers abords, il eût bien sûr beaucoup de phases pendant lesquelles nous avons travaillé et réfléchi tous ensemble, comme par exemple pour l´élaboration des solutions techniques, les séances de rencontre avec notre tuteur ou la finalisation du rapport et la préparation de la soutenance. La répartition des tâches au sein de l´équipe

Membre Tâches

Marcus Pilotage du projet et communication Répartition des tâches Aide ou besoin (l’équipe administrative et l’équipe technique) Garantir l’avancement du projet Rédaction de l’avantprojet

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Installation de la station d’essai

Bruno Gestion des coûts et des commandes Commande Fibrolux Rédaction du rapport final, partie “Solutions envisagées et solutions retenues” Installation de la station d’essai

Baihuan Rédaction des dessins techniques Rédaction du rapport final, partie “Solutions envisagées et solutions retenues” Installation de la station d’essai

Lucas Installation des moteurs inférieur et supérieur Calculs théoriques Rédaction du rapport final, partie “Mise en oeuvre de la solution” Installation de la station d’essai

Rédouane Installation des moteurs inférieur et supérieur Installation de la station d’essai Rédaction du rapport final, partie “Mise en oeuvre de la solution” Révision du rapport final

Kevin Rédaction comptes rendus de chaque séances Rédaction de l’avantprojet Révision du rapport final Rédaction de rapport final de la partie “Organisation du PT” et “Analyse critique du travail” Réalisation de la plaque avec les cellules photovoltaïques(soudure)

Franciso Installation de la station d’essai Rédaction de rapport final de la partie “présentation du projet” Réalisation de la plaque avec les cellules photovoltaïques (découpe)

Afin de faciliter les échanges au sein de notre équipe et avec notre tuteur, nous avons utilisé différents moyens de communication et différents outils de travail:

le service de stockage en ligne Dropbox pour partager des informations relatives au projet (comptes rendus des réunions, documents administratifs et de planification, dessins techniques, photos, fichiers audio des enregistrements de nos rendezvous avec notre tuteur….).

un groupe Facebook permettant de communiquer les horaires de nos rencontres et de se tenir au courant de l’avancement du projet.

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le service de stockage en ligne GoogleDrive pour la rédaction du rapport final. C’est une idée qui est venue au cours du projet. Ce site est particulièrement intéressant dans la mesure où il permet de travailler en parallèle sur un seul document, qui est actualisé en permanence, sauvegardé et accessible pour tout le monde. De plus, cette forme d’organisation nous a ainsi permis de travailler ensemble à distance au cours de la semaine et pas uniquement lors des séances prévues dans l'emploi du temps.

2.3 Gestion des ressources

2.3.1 Les moyens techniques Nous avons eu recours à plusieurs outils, indispensables au bon déroulement du projet: • Une scie à rubans, mise à disposition au laboratoire de mécanique de l’école, afin d’usiner plusieurs pièces en bois, indispensable à la finition de la station. • Une perceuse, disponible au laboratoire en vue de faire des trous dans la plaque utilisée pour le système de poursuite solaire. • Des pinces de fixation pour tenir les matériaux collés à la station, pendant une longue durée. • Du matériel de mesure indispensable à la campagne d’essais, prêté par Monsieur Clavier; à savoir un multimètre , des fils électriques, un luxmètre et une pince ampèremétrique.

2.3.2 Le matériel utilisé Lors de notre projet nous avons eu recours à divers matériaux spécifiques à notre projet :

Du matériel de protection de la station, à savoir du xylophène pour les cadrans en bois et du vernis imperméable pour les autres matériaux en métal (couche de cuivre de la plaque de circuit imprimé).

Nous avons également utilisé de nombreuses pièces en bois toujours usinées avec la scie à rubans du laboratoire de mécanique. Pour cela nous avons toujours utilisé un bois isotrope afin d’assurer l’homogénéité des propriétés (contraintes appliquées, efforts à supporter etc).

Un moyen efficace de fixation de ces pièces en bois sur la station fût la colle forte. En effet

celleci permettait de fixer une charge de plusieurs kg pour quelques millilitres de colle à

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condition de laisser coller pendant 24h. C’est donc pourquoi nous avons souvent utilisé les pinces de fixation du laboratoire de mécanique.

Le matériel servant à la conception du système de tracking se constitue de plusieurs parties :

• Une plaque sur laquelle est faite le circuit du tracker • Un jeu de 12 cellules photovoltaïques de 0,5V – 330mA dont 10 permettant d’alimenter le système moteur + réducteur en haut du tube (3V), les deux autres servant à gérer le mouvement. • Ces cellules ont été reliées entre elles au moyen d’un fer à souder avec de l’étain et des fils électriques. • Un voile léger de 30 cm en polymère entre les deux cellules gérant le mouvement, dont la hauteur à été précisément calculée (calculs présentés par la suite) pour obtenir un système de tracking avec une précision proche de 1°. • Une ampoule Reed couplée à un aimant servant à couper ou à activer le courant d’alimentation du moteur inférieur permettant la rotation de la structure (mécanisme plus détaillé par la suite, caractéristiques figure 5 en annexe). • Deux systèmes moteur + réducteur, un étant situé en haut du tube servant à faire tourner les ampoules Reed (de tension 3V) et donc de les activer lorsque cela est nécessaire ; l’autre situé à la base du tube (de tension 14.4V) permet de faire tourner les panneaux photovoltaïques (tracking en luimême).

Enfin nous avons utilisé deux modules photovoltaïques de marques Sanyo fournis par

le client (caractéristiques figure 5 en annexe)

2.3.3 Budget du PT

Pièces Quantité Fournisseur Prix TTC

Ampoule Reed 1 Celduc 5.97 €

Aimant 1 Celduc 2.06 €

Caillebotis 2 Fibrolux 56.50 €

Moteur perceuse

1 M. Chevalier (Ikea)

(39.99 €

Colle Epoxy 2 Brico Dépôt 19 €

Xylophène 1 Brico Dépôt 15.40 €

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Modules 2 Client (1000 €)

Total 99.03 €

3 Résultats produits par le PT

3.1 Solutions envisagées et solution retenues

3.1.1 Présentation des objectifs à atteindre 3.1.1.1 Amélioration de la station

L'élaboration de la station ayant déjà été entamée au cours des trois premiers projets SEPAP, notre objectif consiste dans un premier temps à la terminer afin qu’elle puisse fonctionner dans de bonnes conditions. Nous nous sommes concentrés sur trois points importants:

La protection : en effet la station sera placée en plein air. Il est donc très important de développer la robustesse de la structure face aux intempéries (la pluie et le vent surtout). Pour cela nous allons protéger tous les matériaux qui constituent la structure avec différents types de revêtements protecteurs (pour les cadrans en bois et les boulons en métal). Le corps principal de la structure (les tubes) est essentiellement fait de polymère (fibre & résine polyester) qui résiste très bien à la pluie, il ne nécessite donc pas de traitement particulier.

La capacité à fonctionner sans intervention humaine : l’une des fonctions principales étant la poursuite solaire, la station sera donc au cours de la journée constamment en mouvement. Il est donc important de prévenir des risques de fort déséquilibres pouvant entraîner la chute, voire la destruction du dispositif. Pour cela, nous avons l’idée de mettre en place un “contre couple” (par contrepoids) qui rattrapera systématiquement le jeu dans le sens de la rotation, empêchant ainsi des situations de fort déséquilibre. Nous avons aussi l’intention d’utiliser un deuxième moteur en haut de la structure, assemblé à un limiteur de couple. Ce moteur empêchera le premier moteur en bas (celui qui fait tourner les panneaux) de forcer la rotation lorsqu’elle ne sera plus possible.

L’efficacité de la poursuite solaire : le tracker permet un gain de rendement entre 30 et 40% à condition que celuici soit très précis ie, l’angle d’incidence des rayons sur les panneaux doit toujours être le plus proche possible de 90°. Pour cela nous allons

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développer un système veillant au contrôle de l’alignement de la station par rapport au soleil avec une erreur d’environ 1°, grâce à un système de correction discontinue.

3.1.1.2 Campagne d´essais

Le client nous a fourni deux panneaux : un panneau test, dont les caractéristiques ( le rendement dans notre cas) sont inconnues, et un panneau de référence dont les caractéristiques sont connues. Une campagne d’essais est attendue pour ce projet afin de connaître la production d’énergie du panneau test et son rendement, par comparaison avec le panneau de référence.

Une fois la station optimisée, nous effectuerons la campagne d’essais. Il s’agira de : Déterminer un lieu favorable à l’emplacement de la station (zone isolée, sans circulation si possible). Mesurer la puissance produite par le panneau test au cours d’une journée (la station sera laissée en fonctionnement). Déterminer le rendement du panneau fourni par le client grâce à un panneau de référence, les panneaux étant en similitude avec un facteur d’échelle égal à 1 (mêmes dimensions) : on expose simultanément les deux panneaux sur un laps de temps donné, dans les mêmes conditions (irradiation solaire, température, inclinaison par rapport au soleil), puis on compare leur production d’électricité.

3.1.2 Détails des améliorations envisagées

3.1.2.1 La poursuite solaire

Un système constitué de douze cellules solaires associé à un moteur permettra à la

station de suivre la course du soleil. Dix cellules alimenteront le moteur de support qui servira à activer un deuxième moteur en charge de la rotation. Ces cellules seront reliées en série à deux autres cellules qui serviront d’interrupteur solaire pour déclencher le mouvement de la station. Ce sont donc ces deux cellules qui gèrent le mouvement.

Une voile est fixée sur la plaque entre les deux cellules gérant le mouvement, dont le but est de faire de l’ombre sur l’une des deux cellules lorsque la station n’est pas correctement alignée avec le soleil. Lorsque l’une des cellules est à l'ombre (50% de sa surface) et l'autre exposée au soleil, alors l’alignement de la station avec le soleil n’est pas favorable, ainsi le circuit jusquelà en court circuit débitera l'énergie nécessaire afin que le moteur fasse tourner la station. Cela jusqu'au moment où les deux cellules seront de nouveau sous le soleil, rétablissant donc l’alignement souhaité. La rotation de la station se fait toujours dans un seul sens à savoir de l’est vers l’ouest, qui est donc la trajectoire du soleil.

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Schémas fonctionnels:

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Concernant la hauteur de la voile, notre exigence initiale était d’avoir une précision

d’un degré. Mais en pratique, cela impliquerait d’avoir une voile de presque un mètre de

hauteur, ce qui poserait des problèmes de stabilité de la voile. Nous choisissons donc de

diminuer la hauteur de la voile à 50cm. Cette nouvelle hauteur est beaucoup plus adaptée

aux tailles caractéristiques du projet et n’engendre pas des erreurs considérables comme

démontré par le calcul suivant:

On a:

an(β) L/HT = Si on trouve °β = 1 2cmH = 9 On diminue la hauteur à 50cm et on trouve pour l’angle :β′

rctan (1.6/50) .83°β′ = a = 1

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On trouve avec cet angle la perte de puissance maximale quand l’angle d’incidence du soleil avec les cellules est de β′

erte .051%P = cos(0)cos(0) − cos(β )′ = 0

Nous présentons ci-dessous, le principe de fonctionnement du système de poursuite

solaire est décrit de manière plus détaillée:

1) Dès que l’une des cellules de détection est à l'ombre et l'autre exposée au soleil, le moteur en haut du tube se met aussitôt en rotation.

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2) Sur l’axe de ce moteur, on fixe un réglet métallique assez rigide qui va tourner quand le moteur est en fonctionnement. Par conséquence, l'extrémité du réglet, sur laquelle est fixée un aimant, va approcher une ampoule Reed (qui fonctionne comme un interrupteur), et ainsi permettre de fermer le circuit dans lequel elle est intégrée (moteur rotation + alimentation externe + ampoule Reed).

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3) Cela va faire fonctionner le moteur en bas du tube qui va provoquer une rotation de la station. Le moteur va tourner jusqu’à ce que les deux cellules soient toutes les deux exposées au soleil. À ce moment là le système sera en circuit ouvert à nouveau et le panneau photovoltaïque sera perpendiculaire au soleil, alors éclairé de manière optimale, ce qui permet donc d’obtenir un rendement plus élevé.

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3.1.2.2 Le contre poids

Le principe du fonctionnement de la station est basé sur la rotation autour de l’axe

vertical des deux panneaux photovoltaïques placés dans un même plan. Pour cela, il faut une structure de deux « bras » en composite qui supportent les panneaux. Ce montage peut engendrer des problèmes liés à des bilans de force différents sur chaque coté du prototype lors de la poursuite solaire : l’inclinaison du système lors de la poursuite solaire induit une action du poids plus importante d’un côté que de l’autre.

En outre, en cas de fort vent, il est possible de causer une différence entre les forces de chaque coté du prototype ce qui gène la rotation de l'axe et conséquemment peut surcharger le moteur.

Nous allons donc essayer de pallier à cette situation en équilibrant au mieux les charges. L'objectif de ce contre poids est de rattraper systématiquement le jeu dans le sens de la rotation, empêchant ainsi des situations de fort déséquilibre. En effet le tube central, d’un diamètre de 2,5cm, peut exercer un couple allant jusque 200cmN, il était donc important de développer un contrecouple par l’intermédiaire d’un plateau solidaire au tube central. Ce dernier est constitué d’un premier disque de 25 cm puis d’un autre, au dessus du premier, de 20 cm, autour duquel est enroulé le fil qui passe dans la roulette et au bout duquel est suspendu un poids de 2,5kg. Un tel dispositif assure alors la compensation du couple exercé par le tube central.

3.1.2.3 La protection de la station

La protection va se faire en deux parties: la protection contre les intempéries et la

protection des pieds du prototype.

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Les parties en bois doivent être imperméabilisées avec une peinture afin de garantir la

bonne qualité des matériaux pour une longue durée.

Les pieds du trépieds étant fragiles, ils risquent de s’effriter localement, et donc de

casser. La solution est d’ajouter des pièces pour que ce ne soit pas le composite qui appuie

directement sur le sol.

3.1.2.5 La fixation du moteur en bas

La poursuite solaire se base sur la rotation du plan des deux panneaux photovoltaïques pour ils soient toujours perpendiculaires au rayonnement du soleil. Cette rotation se fait grâce à un moteur de perceuse positionné dans l'extrémité inférieure du tube tournant. Nous avons choisi un moteur de perceuse du fait de ses caractéristiques de fabrication adaptées aux besoins du projet (ils existent aussi des motivations budgétaires: coût peu élevé).

La fixation du moteur a été faite en deux parties: la partie sur laquelle se trouve le moteur en lui même a été insérée dans le tube et collée à ce dernier; et l’extrémité comportant l’embout de la perceuse a été fixée à un morceau de bois à l’aide d’un six pans de 6mm afin d’en bloquer le mouvement. Ainsi lorsque le moteur est actionné, lui seul tourne et engendre la rotation de la structure, tandis que l’embout de perceuse lui reste fixe.

3.2 Mise en œuvre de la solution

3.2.1 Protection de la station

Nous avons procédé à la protection de différents composants contre l’humidité, notamment des panneaux en bois, en utilisant du xylophène.

Par ailleurs, nous avons découpé des plaques en bois à l’aide de la scie à ruban et avons placées sous les pieds du prototype. Ces derniers étant en matériau composite, il risquaient de s’effriter en cas de contact direct avec le sol.

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3.2.2 Le contrepoids et l´installation du limiteur de couple

Comme déjà montré, le poids suggéré après les calculs est de 2,5kg. Pour la mise en place du système de contrepoids nous avons adapté la structure du prototype, à partir de la solution envisagée. Trois couronnes en bois ont été usinées et mises sur le tube de rotation du prototype. Ces couronnes vont être responsables de la transmission de la rotation du tube jusqu'au poids qui va monter ou descendre selon la rotation du tube.

Nous avons ensuite créé un système de poulie (avec une roulette) dans lequel peut coulisser un fil auquel est suspendu le poids.

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Après l'installation du contrepoids, le groupe a travaillé sur le support au bas du tube pour mettre en place le contre couple. Pour cela, nous avons placé à l'extrémité inférieure du tube un morceau de bois (isotrope). Il a ensuite été percé pour y introduire une pièce métallique (clé six pans de 6mm coupée) qui va empêcher la rotation de l’embout de perceuse du moteur. Une fois ce support achevé,nous avons inséré le moteur inférieur à l’intérieur du tube (moteur responsable de la rotation de toute la structure).

3.2.3 Le système de cellules de correction discontinu

3.2.3.1 Moteur en haut: Comme déjà dit dans ce rapport, le système de poursuite solaire comporte un moteur

en haut de la structure qui va actionner le moteur en bas, plus puissant chargé de faire tourner la structure.

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L’installation de ce moteur a été faite avec un bras de support que est fixé sur la partie fixe du prototype. Le moteur a été fixé sur le bras et à l’intérieur du tube principal afin d'être protégé de la pluie.

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3.2.3.2 Circuit de poursuite: première solution Pour assembler les cellules photovoltaïques, nous avons utilisé une plaque en circuit

imprimé que a été découpée à l’aide d’une scie à métaux. Ensuite, nous avons percé des trous dans les morceaux découpés d’un diamètre légèrement supérieur à celui des plots des cellules de manière à pouvoir les y insérer. Pour fixer les cellules, nous soudons les plots à la plaque grâce à un fer à souder et de l’étain.

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Par la suite, l’ensemble du système de cellules ainsi mis au point est collé à une

deuxième plaque, isolante pour que les cellules soient reliées en série.

Néanmoins, en effectuant nos premières mesures, nous nous sommes aperçus que nos cellules n’étaient pas bien isolées les unes des autres par la plaque isolante: en réalité

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nous avons constaté qu’il y avait un courtcircuit: le courant passait à travers toute la plaque qui pourtant devait être isolante. Il s’agissait d’un problème d’ordre matériel, nous avons donc été obligés de trouver une autre solution.

3.2.3.3 Circuit de poursuite: deuxième solution

Le problème de la solution d’avant étant un problème matériel (plaque utilisée en fait non isolante. L’équipe a décidé de changer la plaque isolante utilisée pour l’ensemble des cellules photovoltaïques. Cette foisci la plaque utilisé est en plastique pour assurer que il n’y aura pas de courtcircuit entre les cellules.

Les cellules ont été collées sur la plaque et nous avons utilisé des fils en cuivre pour faire les liaisons entre les cellules. Les fils ont été soudés aux cellules et un circuit de douze cellules à été fait selon le schéma proposé avant dans ce rapport.

Les dix cellules qui servent à l’alimentation du moteur de poursuite (celui du haut du prototype) ont été mises en série et ensuite deux autres cellules (servant d’interrupteurs pour l’éclairement) ont été mises en parallèle.

Nous avions envisagé les deux solutions, mais la première solution comportant la plaque de circuit imprimé paraissait plus judicieuse puisqu’en effet la couche de cuivre recouvrant la plaque assurait la conduction électrique entre les cellules. Ainsi il n’aurait pas été utile d’utiliser des fils de cuivre pour relier les cellules.

Nous avons ainsi mis en oeuvre le circuit suivant:

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Ce nouveau circuit garde le principe de l'ancien mais avec des changements techniques. Après un deuxième test nous avons constaté que cette fois le circuit fonctionnait comme prévu et donc nous l’utiliserons comme solution pour le projet.

3.3 Réalisation des premiers essais

3.3.1 Mesures sur un panneau: Détermination du rendement absolu Tout d’abord, nous avons fait des mesures sur un panneau pour avoir une idée du

rendement d’un panneau. Le rendement se calcule de la façon suivante:

ηp = Puissance reçuePuissance mesurée

Dans ce premier essai, on a mesuré ces deux puissances à l’aide d’un multimètre,

d’une pince ampèremétrique et d’un luxmètre. La première partie de l’essai consiste à mesurer la puissance produite par le panneau.

Cela se fait grâce à la formule: . On met le panneau en charge avec une Pmesurée = R * I2

résistance de 7.5Ω pour que le panneau puisse débiter et on mesure le courant(A) en prenant la moyenne de deux mesures: d’abord, on mesure le courant courtcircuit qui nous donne 5.24A avec le multimètre (alors utilisé en mode ampèremètre, branché en série), puis avec la pince ampèremétrique qui donne 4.95A. Ce qui donne en moyenne: 5.10A. Puis on calcule la puissance mesurée: =7.5 =195W.Pmesurée = R * I

2 × 5.102 Maintenant il faut mesurer la puissance reçue, fournie par le soleil afin de

déduire le rendement . On l’a mesurée grâce à un luxmètre le jour de l’essai. Nous ηp avons obtenu un éclairage de 91.5 klux. Avec la conversion 100 klux=1400 W/ , on m2 trouve:91 klux=1281 W/ . Pour trouver la puissance totale reçue, on multiplie par la surface m2 du panneau qui est de 1.44 . Soit enfin: 1281 W/ *1.44 =1845W. Alors pour le m2 m2 m2 rendement d’un panneau on trouve: =195 W/ 1845W =10.5%.ηp

3.3.2 Mesures avec un panneau test et un panneau de référence

Une deuxième étape de cet essai consiste à faire une mesure relative. Admettons qu’on se place dans des conditions optimales. Grâce au panneau référence, on peut déterminer les caractéristiques, telles que la température de référence, la tension de référence, le courant de référence,etc. Mais en réalité, on n’est jamais vraiment dans les conditions optimales, il vaut donc mieux effectuer une mesure relative avec deux panneaux

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qui sont dans les mêmes conditions et en similitude avec un facteur d’échelle égal à 1 (mêmes dimensions).

l’essai est le suivant:

On admet que les deux résistances sont identiques (panneaux soumis aux mêmes conditions).

On a alors deux rendements: = ,η1η2

U I1 1

U I2 2 = RI21RI22

Donc:

λλη1η2 =

η = I21I22 = λλI

2

Alors:

η2 = λλI2 ∙ η1

Il est donc facile de déduire le rendement du deuxième panneau, puisqu’il suffit de

mesurer les courants débités par chacun des panneaux avec une pince ampèrimétrique. Le rendement du panneau de référence étant connu.

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Nous avons effectué deux séries de mesure en utilisant deux valeurs de résistance de charge différentes. Le rendement du panneau de référence donné par le client est 6, % η1 = 1 3 Première série de mesure avec Rcharge = 7,5 Ω

Panneau 1 (ref) Panneau 2 (test)

I (A)

4,9 4,725

4,9 4,75

4,9 4,75

Imoy (A) 4,9 4,742

I21I22 = λλI

2 0,936

Rendement en % 16,3 (connu) 15,26 (calculé)

Deuxième série de mesure avec Rcharge = 10 Ω

Panneau 1 (ref) Panneau 2 (test)

I (A)

4,00 3,9

4,05 3,95

Imoy (A) 4,025 3,925

I21I22 = λλI

2 0,975

Rendement en % 16,3 (connu) 15,89 (calculé)

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On constate alors que le calcul de rendement relatif s’avère plus significatif puisqu’on obtient une valeur du rendement proche de la valeur attendu pour le panneau test. Toutefois on constate un léger écart puisque les deux panneaux débitent des courants inégaux malgré le fait qu’il soient en similitude et placés dans des conditions strictement identiques, cela est dû aux défauts de construction, minimes dans notre cas. En effet les deux panneaux ne peuvent être strictement identiques.

3.3.3 Mesures pour une série de panneau

On peut s’imaginer qu’on peut appliquer cette mesure à une échelle industrielle pour une série de panneaux. Grâce au panneau de référence, dont on connaît bien les paramètres et son rendement, il est possible de déduire le rendement de plusieurs panneaux de test complètement inconnus, en mesurant le courant qui passe à l’aide d’une pince ampèremétrique. La méthode de mesure avec une pince ampèremétrique est facile à mettre en place, puisqu’il s’agit d’une mesure sans contact.

4 Analyse critique du travail du groupe de PT

4.1 Comparaison entre les objectifs du PT et le rendu au client Au cours de notre projet, nous nous sommes concentrés sur deux objectifs principaux en lien avec les attentes du client :

L’amélioration de la station Elle a constitué la première phase de notre projet. Grâce au travail effectué en

groupe, nous avons été en mesure de fournir au client une station protégée contre les intempéries (pluie, vent…), étant donnée que celleci devra être utilisée en extérieur. Nous avons réfléchi à un emplacement propice sur le technopôle qui était le parking du laboratoire de l’IRPHE, mais à cause de changements constants apportés sur la station et à un manque de temps nous n’avons pas pu nous y rendre. Ainsi nous nous sommes focalisés sur le caractère à la fois portatif et robuste de la station (légère donc facile à transporter, facile à monter et à démonter), d’où l’emploi en priorité de matériaux en composite.

Nous avons aussi réussi à rendre cette station entièrement opérationnelle , donc apte à poursuivre le soleil de manière autonome et efficace. Ce ne fût pas un

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objectif facile à atteindre puisque notre première solution effectuée à l’aide de la plaque de circuit imprimé s’est avérée peu fructueuse. Mais nous avions heureusement prévu une autre possibilité qui nous a ainsi permis de répondre à l’un des besoins primordiaux de notre client.

La campagne d’essais Ce fût la deuxième grande phase de notre projet, tout aussi importante que la

première. Nous avons pu réaliser une série de tests permettant de déterminer les caractéristiques propres d’un panneau inconnu acquis par le client (rendement, production journalière). Nous n’avons cependant pas pu réaliser autant de tests que nous aurions souhaité afin d’avoir un tableau de valeurs permettant ainsi d’obtenir des résultats plus précis. Cela est dû à un manque de temps d’une part mais surtout dû à la météo. En effet nous avons réalisés les tests en décembre, mois au cours duquel le temps n’a pas toujours été favorable. Cependant nous avons réussi à obtenir un bon éclairement sur les panneaux (1400W/m^2), toutefois nous n’étions pas dans les conditions standards puisqu’il était impossible d’être à une température de 25°C. En conclusion, malgré quelques retards par rapport à nos estimations au début du projet, nous avons globalement atteints les objectifs que nous nous étions fixés et surtout, nous avons répondu à la demande du client.

4.2 Comparaison entre la proposition dans l´avant projet et le travail effectué / les résultats 4.2.1 L’amélioration du projet

L’avantprojet consistait essentiellement à perfectionner la station et à installer un système de cellules photovoltaïques pour que les panneaux photovoltaïques puissent suivre le soleil. Pour assembler les cellules photovoltaïques, nous avons eu recours à deux solutions.

Solution 1 : En utilisant une plaque en circuit imprimé sur laquelle nous assemblons les cellules photovoltaïques en les soudant.

Solution 2 : En utilisant une plaque en plastique sur laquelle les cellules ont été collées sur la plaque et en utilisant des fils en cuivre pour faire les liaisons entre les cellules.

L’intérêt de la solution 1 était de nous permettre ne pas utiliser de fils pour relier les cellules et ainsi gagner en fiabilité. Cependant, la plaque en circuit imprimé utilisée n’était pas isolante. À cause de ce problème matériel, nous avons mis en oeuvre la solution 2 qui est plus simple.

4.2.2 Campagne d’essais

Les objectifs généraux de la campagne d’essais ont été dans leur majorité atteints. En effet, après avoir déterminé un lieu favorable pour les mesures, nous avons pu mesurer la puissance produite par un panneau et en déduire son rendement.

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Il faut toutefois noter que nos mesures ont été effectuées sans le système de tracking. Ce dernier a été testé sans être intégré à la station et il fonctionne bien, mais par manque de temps nous n’avons pas pu l’installer sur la station.

4.3 Satisfactions et éventuelles difficultés rencontrées lors du travail de PT

4.3.1 Les difficultés rencontrées La première difficulté et la plus récurrente d’ailleurs, a été le manque de matériel. A

plusieurs reprises, nous ne pouvions pas avancer le travail sur la station car nous n’avions pas le matériel nécessaire. Il manquait toujours quelque chose: de l’étain, la bonne perceuse, la bonne plaque, la bonne scie, etc.

Nous avons eu plusieurs fois des soucis managériaux. Les solutions proposées changeaient souvent et cela nous a fait perdre beaucoup de temps sur des prototypes qui ont été abandonnés avant même d’être finis: la protection de la station contre la pluie, le deuxième moteur, la façon à travers laquelle on alimenterait le moteur de rotation de la station, etc.

Les objectifs n’étaient pas toujours clairement définis, ce qui a fait que, parfois, on ne comprenait pas tout ce qu’on faisait sur le moment.

Par rapport aux mesures effectuées, nous n’étions pas dans les meilleurs conditions climatiques. Nous avons fait les essais pendant l’hiver, quand le soleil est plus bas que d’habitude et quand les rayons traversent une couche d’atmosphère beaucoup plus significative que pendant l’été. En effet, nous recevions beaucoup moins d’énergie que dans les conditions standards de mesure.

Par ailleurs, nous avons occasionnellement eu des soucis avec le transfert de l’information. Beaucoup d’information se perdait dans la transmission entre les membres et il fallait fréquemment demander à nouveau une chose qui avait été expliquée avant. 4.3.2 Quelques satisfactions sur le projet

Tout d’abord, nous sommes très heureux d’avoir pu nous confronter à une

problématique actuelle si importante. Le fait de pouvoir contribuer au développement durable nous satisfait comptetenu de l’importance de l’énergie solaire.

Malgré toutes les difficultés que nous avons eues, nous avons finalement atteint nos objectifs. En effet, nous avons terminé la station qui est désormais opérationnelle et nous avons pu effectuer des mesures de rendement.

La bonne cohésion du groupe et la bonne ambiance de travail ont rendu le déroulement de notre projet très agréable et ont permis le bon accomplissement du projet. Chaque membre s’est vu confié des responsabilités et a ainsi pu contribuer à la réussite de l’équipe.

Concernant le support du personnel de l’École Centrale Marseille, nous sommes très contents d’avoir travaillé avec eux, particulièrement avec M. JeanPaul Chevalier, qui a été

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disponible et prêt à collaborer pendant tout le semestre, même s’il n’avait pas l’obligation de venir. D’ailleurs, M. Chevalier nous a soutenu économiquement en achetant des matériaux et des outils indispensables pour le bon déroulement du projet. Travailler avec cette grande équipe humaine nous a procuré une grande satisfaction.

Conclusion

Participer au projet “Station d’Essai de Panneaux Photovoltaïques” (SEPAP4) a été une expérience réellement motivante et enrichissante. Pouvoir gérer les contraintes de temps/qualité/délais a été une très bonne occasion pour nous de mettre en pratique ce que nous avons appris depuis notre arrivée à Centrale Marseille.

En effet, nous avons pu mettre en pratique nos connaissances en termes de gestion de projet et de travail de groupe. Ce projet a été l’occasion d’augmenter de façon impressionnante nos aptitudes techniques et nos connaissances de certains matériaux tels que les matériaux composites.

La station est assemblée et prête à emploi. Nous aurions souhaité faire plus de tests que ce qu’on a fait, cependant la quantité de temps était restreinte. A l’avenir, un autre groupe pourra encore travailler sur la station et l’utiliser pour faire plus d’essais et pour continuer le perfectionnement de la machine.

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Annexes Figure 1 : Analyse SWOT

S Forces Diversité des profils des membres du groupe (compétences & origines diverses) Groupe ayant déjà travaillé en mode projet ensemble Capacité d’innovation Travail personnel & organisation Structure en partie déjà élaborée

W Faiblesses Première expérience dans le domaine de l’énergie solaire pour le groupe en entier Connaissances insuffisantes sur la poursuite solaire Communication avec le tuteur pas toujours évidente

O Opportunités Créativité & Innovation (choix des améliorations, des matériaux) Possibilité d’obtenir de la formation spécifique (professeurs spécialistes de l’ECM + choix d’options) Encadrement par un tuteur (point de vue extérieur) Pluridisciplinarité

T Menaces Contraintes de temps (terminaison de la structure et des mesures) Budget insuffisant au développement des solutions envisagées Modifications à apporter sur une structure déjà existante

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Figure 2: Analyse préliminaire des risques

ENS (événement non souhaité)

Impacts

G Cause F Detection Oui/Non

Priorité

ContresmesuresAmélioration

Prototype non terminé

Non satisfaction du client

4 Mauvaise gestion du temps

Oui 1 Planification efficace et réaliste

Mesures non effectuées

Livrable non fourni au client

4 Mauvaise analyse des objectifs

Oui 1 Fixer clairement les priorités

Dépassement du budget fixé

Non respect des contraintes

2 Matériaux trop chers

Oui 3 Demande de devis

Structure non fonctionnelle

Non satisfaction du client

3 Mauvaise conception

Oui 2 Vérification des améliorations apportées

Non respect des deadlines (rapport /soutenance)

Projet de deuxième année non validé

4 Mauvaise répartition du travail

Oui 1 Organisation/répartition des taches bien définis au sein du groupe

Communication insuffisante ou inefficace

Mauvaise gestion de projet

3 Mauvaise com. /Divergence des avis

Oui 1 Ecoute soutenue des autres/ Recherche de compromis

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Figure 3: Planning GANTT

Figure 4: Planning prévisionnel

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Figure 5: Caractéristiques de l’ampoule Reed

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Figure 6: Caractéristiques des modules annoncés par le constructeur

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Schéma fonctionnel alternatif (si le premier ne marche pas):

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LIEN POUR LES PHOTOS DROPBOX https://www.dropbox.com/sh/zgyvd8nowikc4qv/AAAtGyimESbs1royg527hBfwa?dl=0

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https://www.google.com/url?q=https%3A%2F%2Fwww.dropbox.com%2Fsh%2Fzgyvd8nowikc4qv%2FAAAtGyimESbs1royg527hBfwa%3Fdl%3D0&sa=D&sntz=1&usg=AFQjCNENZpTrREor5l-jLDXMoszNKqvjPg


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