1. Présentation Générale et Problématique

Synthèse de la situation déclenchante

Le projet émane d'un besoin concret identifié à l'IUT de Chalon-sur-Saône : proposer une solution de recharge écologique pour les smartphones des étudiants. L'enjeu est de dimensionner un système capable de répondre à une utilisation intensive lors des pauses (environ 2 heures par jour) pour 10 appareils simultanés. La problématique centrale pour l'élève est la suivante : Comment concevoir, modéliser et programmer un système capable d'orienter automatiquement ses panneaux pour maximiser le rendement énergétique solaire tout en garantissant la sécurité du matériel ?

Définition du système

L'arbre solaire est un système de type "suiveur" (tracker) dont la structure s'inspire de la géométrie naturelle d'un arbre. Il se compose d'un tronc (structure principale) et de branches (structures secondaires) supportant les panneaux photovoltaïques. Bien que sa fabrication puisse adopter une approche "low tech" pour favoriser l'accessibilité et la durabilité, sa logique de commande est sophistiquée. La captation énergétique est dynamique, suivant la course du soleil pour optimiser l'exposition. L'énergie est transformée, régulée et stockée dans une batterie intégrée à la base de l'édifice pour assurer la stabilité mécanique et l'autonomie du service.

Mission du système

Les finalités du système, telles que définies dans les diagrammes d'exigences (Req), sont :

  • Captation et Transformation : Récolter l'énergie solaire et la convertir en énergie électrique.
  • Stockage : Accumuler l'énergie dans des batteries pour permettre un usage différé.
  • Distribution : Fournir une énergie en courant continu (DC) adaptée à la recharge de 10 téléphones portables (capacité visée de 40 Ah).
  • Optimisation : Orienter les panneaux perpendiculairement au rayonnement tout au long de la journée.
  • Protection : Assurer l'intégrité du système en débrayant la structure mécanique en cas de vent violent.

2. Objectifs Pédagogiques et Compétences Visées

Objectifs terminaux

La séquence est structurée autour de six objectifs de formation :

  1. Compréhension du suiveur : Analyser les bénéfices énergétiques d'une orientation dynamique par rapport à un panneau fixe.
  2. Architecture technique : Définir la chaîne d'information et la chaîne d'énergie (capteurs, actionneurs, microcontrôleurs).
  3. Modélisation CAO : Réaliser la conception mécanique 3D et les schémas électriques normalisés.
  4. Programmation : Développer le code pour l'acquisition de données et le pilotage moteur (Arduino/Raspberry Pi).
  5. Chaîne de mesure : Instrumenter le prototype pour quantifier les rendements et les pertes.
  6. Argumentation : Justifier les choix technologiques et environnementaux lors d'une soutenance.

Tableau des compétences STI2D

Compétence

Connaissances associées (Savoirs)

CO1.1

Identifier et analyser le besoin, le principe du suiveur et les bénéfices énergétiques.

CO2.1 / CO2.2

Proposer des solutions techniques, concevoir l'architecture et réaliser le montage.

CO3.1

Appliquer une démarche scientifique : modélisation CAO 3D et simulation de comportement.

CO4.1 / CO4.2

Analyser l'impact environnemental (ACV) et argumenter les choix techniques.

CO4.3

Argumenter les solutions constructives et les résultats de performance.

CO5.8 (SIN1/2)

Architecture matérielle (microcontrôleurs), modélisation électrique et réseaux.

CO6.5

Mesurer les performances et valider les constituants de la chaîne de mesure.

CO7.3 (SIN1/2)

Programmation logicielle (Arduino/ESP32), traitement des signaux et scripts.

Interdisciplinarité

  • Mathématiques : Calculs d'angles d'incidence, trigonométrie pour le suivi solaire et optimisation géométrique des branches.
  • Physique-Chimie (SPC) : Étude de la conversion photovoltaïque. Calcul du rendement global. Analyse des pertes (dissipation thermique, résistances).
  • Anglais (ETLV) : Vocabulaire technique (solar tracker, servo-motor, energy yield) niveau 1STI2D. Étude comparative du mix énergétique France vs Allemagne et son influence directe sur l'EPBT (Energy Payback Time) niveau TSTI2D.

3. Progression de la Séquence (Plan d'Action)

Structuration des séances (6 x 4h)

Séance

Titre et Objectif

Activités principales

Livrables attendus

1

Analyse Systémique

Étude du concept, identification des composants et flux.

Schéma-bloc, Diagramme de contexte.

2

Conception Détaillée

Spécifications techniques, calculs de dimensionnement.

Cahier des charges, Commande matériel.

3

Montage et Tests

Assemblage structurel et câblage (normes couleur/sécurité).

Rapport d'assemblage, Mesures de la tension.

4

Instrumentation

Mise en œuvre de la chaîne de mesure et logging.

Courbe de l'iradiance et tableau CSV.

5

Valorisation & ACV

Analyse de l'interface et du cycle de vie.

Bilan carbone (g CO_2/kWh), Fiche ACV.

6

Restitution Finale

Validation en conditions réelles et soutenance.

Dossier technique (15+ p), Présentation.

Détails de mise en œuvre

  • Séance 4 TSTI2D (Instrumentation) : Les élèves utilisent un pyranomètre pour mesurer l'éclairement incident. Un protocole de relevés horaires est exigé pour tracer les courbes de performance en fonction de la température et de l'ensoleillement. L'usage de data loggers est requis pour l'acquisition automatique.
  • Séance 5 TSTI2D (Valorisation) : L'analyse porte sur l'impact écologique global. Les élèves doivent comparer les émissions de CO_2 évitées en fonction du mix énergétique national, en calculant le temps de retour énergétique (EPBT) du système.

4. Architecture Technique et Ressources Numériques

Composants et Chaînes de puissance/information

  • Chaîne d'Énergie : Panneaux PV, Régulateur/Relais de puissance (protection contre surcharges et décharges profondes), Batterie (40 Ah), Interfaces USB.
  • Chaîne d'Information :
    • Arduino : Interconnexion des capteurs (LDR, courant) et pilotage du servomoteur pour l'orientation.
    • Raspberry Pi 3 : Interface pour l'Utilisateur Avancé. Il permet de configurer les paramètres critiques : intervalle de positionnement (s), vitesse de vent maximale (km/h), temps d'attente avant retour au mode normal (s) et les positions limites.

Outils de modélisation et simulation

  • Tinkercad Circuits : Simulation des circuits PV et montage virtuel des chaînes énergétiques.
  • Energy3D : Optimisation de l'implantation et simulation de la puissance produite selon l'orientation.
  • Draw.io (Diagrams.net) : Outil de référence pour les diagrammes SysML (BDD, IBD) et les schémas-blocs.
  • Simulink / Matlab : Modélisation avancée des courbes et du comportement de la batterie.

Méthodologie de Schéma-Bloc ("Alphabet" technique)

Pour garantir la rigueur de la modélisation, le schéma-bloc doit intégrer :

  • Le Bloc : Une fonction précise (verbe à l'infinitif : Alimenter, Convertir).
  • La Flèche : Flux orienté (énergie, signal, matière) avec légende (ex: "Courant 12V").
  • Le Sommeur : Cercle avec croix pour l'addition/soustraction de signaux de consigne et de mesure.
  • Le Point de prélèvement : Noeud pour dériver un signal vers une boucle de rétroaction (feedback).

5. Dossier Technique et Exigences de Rendu

Inventaire exhaustif des rendus

  • Pilotage : Brainstorming, Diagramme de Gantt, Matrice de décision, Commande matériel.
  • Conception : Croquis, modélisations 3D, Bon À Tirer (BAT) pour l'impression 3D.
  • Technique : Schémas électriques (protections, MPPT), fichiers de programmation Arduino, scripts Raspberry Pi et fichiers de données CSV.
  • Analyse : Note de calcul énergétique (STC vs conditions réelles), rapport de test d'usage et ACV simplifiée.

Diagrammes SysML et Frontières

Le dossier doit impérativement comporter :

  • Diagramme de Contexte : Distinction claire entre l'Utilisateur Standard (recharge), l'Utilisateur Avancé/Exploitant (paramétrage), le Soleil, l'Environnement et les Normes (NF C 15-100).
  • Diagramme des Blocs Internes (IBD) : Visualisation des flux : Capteurs .
  • Diagramme d'Exigences : Détail des missions (Stocker, Distribuer, Orienter, Protéger).

6. Critères d'Évaluation et Validation

Grille d'évaluation synthétique

  1. Justesse de la conception : Cohérence de l'architecture électrique et respect des normes NF C 15-100.
  2. Qualité du code et de la simulation : Efficacité de l'algorithme de suivi et gestion des alertes.
  3. Rigueur expérimentale : Analyse des écarts entre les mesures réelles et les données constructeur (datasheets).
  4. Qualité de la restitution : Clarté de l'argumentation orale (CO4.3) et qualité documentaire du dossier PDF (15 pages min).
  5. Engagement collaboratif : Autonomie au sein du groupe et respect du planning.

Paramètres de performance attendus

  • Capacité : Stockage et distribution pour 10 téléphones (minimum 40 Ah).
  • Intelligence de charge : Système de recharge adaptatif aux tensions et courants des smartphones.
  • Robustesse météo : Capacité de mise en sécurité (position débrayée) automatisée dès dépassement du seuil de vent défini par l'exploitant.
  • Protection batterie : Présence d'un régulateur actif protégeant contre la surcharge et la décharge profonde.