Polytech Projets Ge » Projets 2024 » P24AB07.1 Potentiostat solaire.1

+*Note D'application*+

+*Rapport de projet - Potentiostat solaire*+

Client : CORNET Jean-François

Référent Polytech : LAFFONT Jacques

Tuteur industriel : KERSULEC François

Étudiant : DELATTRE Nicolas - PRINET Thomas

Polytech Clermont – Génie Électrique

06/01/2025

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*Remerciements*

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*Résumé*

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*Abstract*

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h2. 1.	INTRODUCTION

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h2. 2.	PRESENTATION DU PROJET

h3. 2.1.	CONTEXTE

*Le groupe GePeb de l’institut Pascal à Clermont-Ferrand* , travaille aujourd’hui sur des systèmes de création de carburant écologique. Pour cela, ils ont orienté leurs recherches sur des carburants produits à partir de l’énergie solaire. 

Dans cette optique, ils ont créé un système permettant de produire du biocarburant à partir d’algues éclairées par le rayonnement solaire.

Toutefois, ce système est contraint par des problèmes : 

-	La réaction ne tire pas parti de toute l’énergie solaire disponible. En effet, cette dernière n’utilise que les rayonnements ultraviolet (UV) et visible, ce qui laisse une large gamme de lumière infrarouge (IR) inexploitée. 

-	Le système n’est pas autonome en énergie. Ce dernier nécessite l’utilisation d’un compresseur afin d’être efficace. En effet, celui-ci permet de créer du mouvement dans le réacteur et donc d’améliorer la réaction chimique. Cependant, ce compresseur est actuellement alimenté via le réseau électrique. Cela suggère donc l’utilisation d’une alimentation externe, ce qui limite son utilisation dans des environnements équipés.  

L’objectif du groupe de recherche est donc de résoudre ces problématiques en imaginant un système répondant à leurs besoins. *Le choix s’est porté sur un système de création d’hydrogène à partir d’une réaction de photo-électrolyse de l’eau.*

La chaine de traitement du rayonnement solaire sera la même que dans le système original. Elle est visible dans la figure 1.

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Figure 1 : Chaine de traitement du rayonnement solaire

Cette chaine est donc composée des éléments suivants : 

-	Un héliostat qui va permettre de réceptionner et de réorienter le rayonnement solaire vers un casse-grain.

-	Un casse-grain qui aura pour fonction de concentrer le rayonnement sur une petite surface.

-	Un dioptre dont le rôle sera de séparer le rayonnement IR des rayonnements UV et visible.

À la sortie de cette chaine, les rayons UV et visibles serviront à éclairer la cellule photoélectrochimique (PEC). Tandis que les rayons IR seront dirigés vers une cellule photovoltaïque (PV) afin de générer de l’électricité. Cette énergie sera alors utilisée afin d’alimenter un appareil appelé potentiostat. 

*Au final, l’objectif étant d’améliorer la réaction de photoélectrolyse de l’eau, le but de ce projet est donc de créer un potentiostat. Le rôle et le fonctionnement de ce dernier seront détaillés par la suite.* 

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h3. 2.2.	INTRODUCTION AUX CELLULES PEC

Dans le cadre de ce projet, le système de sortie est une cellule PEC (voir figure 2). Ce système est le réceptacle d’une réaction photoélectrochimique permettant de créer de l’hydrogène par photoélectrolyse de l’eau. Une représentation simplifiée de la cellule est donnée en figure 3.

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Figure 2 : Photo d'une cellule PEC

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Figure 3 : Représentation de la cellule PEC 

Comme il est possible de le voir sur la figure 3, la cellule PEC est composée de trois électrodes : une cathode, une photoanode et une référence. Dans le cadre de la réaction photoélectrochimique, la photoanode joue un rôle essentiel. En effet, une fois illuminée par un rayonnement lumineux, elle va emmagasiner l’énergie, ce qui va induire un potentiel sur cette dernière, appelé potentiel d’abandon. Cette différence de potentiel aura pour effet d’amorcer la réaction d’électrolyse et des électrons vont commencer à transiter de la photoanode vers la cathode, faisant apparaitre un courant en boucle fermée. 

Toutefois, ce potentiel d’abandon n’est pas suffisant afin d’assurer un rendement maximal de la réaction. En effet, il est nécessaire de venir appliquer une surtension entre la photoanode et l’électrode de référence. Cette surtension aura pour effet d’augmenter le courant produit par la cellule et donc d’optimiser la production d’hydrogène, ce qui est l’objectif final de ce projet.

*Afin de réaliser cette surtension, il est alors nécessaire d’utiliser un appareil réalisant cette fonction. Ce dernier est appelé un potentiostat.* 

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h3. 2.3.	INTRODUCTION AU POTENTIOSTAT

Un potentiostat est un appareil électronique utilisé dans le cadre de réactions PEC. Il a deux rôles durant la phase de production d’hydrogène :

-	Il permet de contrôler le potentiel appliqué à l’électrode de travail (photoanode), afin de favoriser les réactions chimiques. 

-	Surveiller le courant généré sous illumination, ce qui permet d’estimer la conversion d’énergie lumineuse en énergie chimique.

Dans le principe, le potentiostat vient ajuster le courant entre l’électrode de travail et la contre-électrode (Is) pour maintenir un potentiel souhaité sur l’électrode de travail par rapport à l’électrode de référence (Vreg). La figure 4 montre comment est raccordé le potentiostat :

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Figure 4 : Présentation de l'environnement du potentiostat

Comme le montre cette figure, dans le cadre de ce projet, le potentiostat permettra de commander la réaction au sein de la cellule PEC. Par ailleurs, ce dispositif sera alimenté par une cellule PV, comme expliqué dans la section 2.1. Cette caractéristique du système est ce qui a inspiré le nom du projet, à savoir « potentiostat solaire ». 

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h3. 2.4.	CAHIER DES CHARGES

Comme présenté dans les parties précédentes, l’objectif de ce projet est donc de concevoir un dispositif de potentiostat solaire. Cet appareil devra donc remplir les fonctions suivantes : 

-	Générer une surtension entre 0,1 et 1V par rapport au potentiel d’abandon. Cette surtension s’appliquera entre l’électrode de travail et la référence, comme présenté dans la section 2.3.

-	Réguler la surtension avec une précision de 0.01V.

-	Lire les grandeurs électriques appliquées à la cellule. Particulièrement, il sera nécessaire d’afficher la tension régulée (Vreg) et le courant circulant au sein de la cellule (Is).

Cet appareil sera connecté à d’autres dispositifs. Son dimensionnement est alors fortement impacté par ces derniers. Les contraintes sont :

-	Être alimenté par une cellule PV fournissant une puissance électrique de 5,8W et une tension de 0,7V. On considère que ces grandeurs sont des valeurs maximales offertes par la cellule lorsque la luminosité et que la puissance en sortie est optimisée (possible utilisation d’un dispositif MPPT). 

-	La charge sortie sera une cellule PEC de 700mm² de surface éclairée. Le fonctionnement du système pour deux types de photoanodes est à tester. Les différences entre ces deux technologies de photoélectrode seront détaillées par la suite.

Au final, afin de mener à bien ce projet, deux tâches principales sont à réaliser : 

-	Concevoir le système de potentiostat solaire solutionnant les problématiques évoquées tout en s’adaptant au cahier des charges.

-	Réaliser une modélisation des deux cellules photoélectrochimiques afin de connaitre l’évolution des grandeurs électriques au sein de la cellule. Cette étape est essentielle afin de connaitre les réels besoins en énergie en sortie du potentiostat et donc pour réaliser son dimensionnement. 

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h2. 3.PRESENTATION DU SYSTEME

Afin de pouvoir organiser le travail à faire, il était essentiel d’identifier les fonctions essentielles à réaliser pour obtenir un système correspondant au CDC. Les différentes fonctions sont visibles sur la figure suivante : 

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Figure 5 : Schéma fonctionnel du système

Le système est divisé en six fonctions distinctes :

-	*Le convertisseur DC/DC.* Cette fonction est essentielle pour le système. En effet, c’est l’élément qui va permettre d’adapter le courant issu des cellules PV afin de pouvoir réaliser l’opération souhaitée sur la cellule PEC. Typiquement, la tension sera augmentée afin de venir appliquer la surtension souhaitée.

-	*Les capteurs de tension et de courant.* Cette fonction regroupe tous les éléments de lecture nécessaires à la régulation de la surtension. Aussi, ils permettront de lire les grandeurs appliquées à la cellule PEC, comme spécifié par le CDC.

-	*Le capteur de consigne.* Cette fonction est demandée par le CDC. Elle permettra, à l’issu, à l’utilisateur de venir choisir la surtension désirée.

-	*L’affichage.* L’objectif ici est de définir une solution permettant de venir afficher les grandeurs appliquées sur la cellule.

-	*Le uC.* Il est l’élément central du système. Celui-ci va permettre de contrôler les divers éléments du système. Il va notamment commander le convertisseur DC/DC et interpréter les mesures obtenues par les différents capteurs. 

-	*L’alimentation uC.* Cette fonction est incontournable pour ce système. En effet, le système étant autonome en énergie, il faut que le uC le soit aussi. Ainsi, il est important de définir un montage permettant d’assurer le bon fonctionnement du uC.

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h2. 4.	PLANNIFICATION

h3. 4.1.	WBS

La structuration du WBS s’appuie sur les fonctionnalités attendues à la fin du projet. Les tâches à effectuer sont divisées en cinq parties qui vont être décrites ci-après. Le WBS complet est disponible en annexe I.

h4. 4.1.1.	PREPARATION DU SUJET

Cette partie concerne principalement l’aspect organisation et gestion du projet, l’établissement du CDC ainsi que des recherches préliminaires sur le sujet. Cette partie a majoritairement été traitée lors de l’année de 4A.

h4. 4.1.2.	ALIMENTATION DU POTENTIOSTAT 

Cette section vise à réaliser le montage permettant d’alimenter la cellule PEC. Les objectifs ici sont d’identifier le comportement d’un point de vue électrique de la charge, soit la cellule PEC, de réaliser le dimensionnement du circuit, d’écrire le code de régulation, de réaliser des tests et de concevoir la carte sous forme de PCB, c’est-à-dire sous la forme d’une carte électronique.

h4. 4.1.3.	ALIMENTATION DU MICROCONTROLEUR 

Cette partie se concentre sur le montage permettant d’alimenter le microcontrôleur à partir des cellules photovoltaïques. Les objectifs sont très similaires à l’alimentation de la cellule électrochimique, mais il n’est pas nécessaire d’identifier la charge. Il s’agit donc de réaliser le dimensionnement du circuit, d’écrire le code de régulation, de réaliser des tests et de concevoir la carte sous forme de PCB.

h4. 4.1.4.	IHM (INTERFACE HOMME MACHINE)

L’IHM concerne tout ce qui permet à l’utilisateur d’interagir avec le système. Cela touche par exemple le réglage de la surtension ou bien l’affichage des données. L’objectif ici est de créer le montage permettant de régler la surtension, de gérer un affichage par USB et également de concevoir une carte électronique au format PCB.

h4. 4.1.5.	VALIDATION

Enfin, cette dernière partie contient les tests à réaliser afin de pouvoir valider le fonctionnement du système ainsi que les étapes de création des livrables qui seront rendus à la fin du projet.

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h3. 4.2.	GANTT

Maintenant que toutes les tâches à réaliser ont été listées, il est possible de les planifier dans le temps. Comme expliqué précédemment, deux planifications ont été faites. Ces dernières seront donc abordées une après l’autre.

h4. 4.2.1.	PLANIFICATION INITIALE

Cette première planification a été découpée de la même manière que le WBS. Il y a donc une partie concernant la préparation du sujet, une autre pour l’alimentation de la cellule PEC, l’alimentation du microcontrôleur et aussi une pour la réalisation de la partie IHM. La figure 5 illustre le découpage. La réalisation des tests a été intégrée à la fin de chaque section. Cela permet de valider chaque fonction, même si les autres ne sont pas terminées. De plus, cela évite de devoir faire tous les tests à la fin du projet et de potentiellement manquer de temps. Les détails de chaque section sont disponibles en annexe II.

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Figure 6 : Vue globale Gantt

Des jalons ont été intégrés dans le Gantt. Il s’agit de dates clés concernant l’avancement du projet. Par exemple, il était important que l’on ait les données concernant la cellule photovoltaïque au plus tard le 4 octobre 2024 afin d’avoir le temps de dimensionner le système en conséquence. De même, tous les composant devaient être commandé avant le 20 novembre 2024 pour anticiper la clôture des budgets. Enfin, les tests devaient être terminés le 20 décembre 2024 pour une fin de projet prévue au 10 janvier 2025.

h4. 4.2.2.	NOUVELLE PLANIFICATION

En raison du changement dans le CDC et des modifications à effectuer sur le système, la planification précédente ne permettait pas de finir le projet dans les temps. C’est pourquoi cette dernière a été modifiée. Les différentes parties ont été regroupées dans une seule section dont le but était de réaliser la carte finale. Pour cela, toutes les étapes ont été mise en commun afin de pouvoir les traiter simultanément. L’objectif était de faire un seul schéma électrique regroupant toutes les fonctions demandées, pour ensuite réaliser la carte finale. En raison du temps très limité, les tests ont été décaler à la fin du projet afin de pouvoir finaliser toutes les fonctions, ce qui souhaitait être évité. Toutefois, certains tests avaient déjà été réalisés avant le changement de CDC, ce qui a tout de même permis une pré-validation de certaines fonctions du système. La nouvelle version du Gantt est disponible en annexe III.

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h2. 5.	PRESENTATION DES RESULTATS

h3. 5.1.	PRESENTATION DE LA CARTE

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h3. 5.2.	PROCEDURE DE TEST

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h3. 5.3.	RESULTATS OBTENUS

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h2. 6.	BILAN ET PERSPECTIVE

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h2. 7.	CONCLUSION

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h2. 8.	ANNEXES