Héliostat - Lumière et Chauffage solaire par miroir suiveur

Principe de fonctionnement :

• Un miroir motorisé sur 2 axes reflète la lumière du soleil dans la direction imposée par un capteur.
• Ce capteur est interposé entre le miroir et la cible qu'on souhaite viser.
• Tant que les rayons reflétés par le miroir sont alignés avec la direction du capteur, le miroir reste immobile.
• Dès que la direction des rayons dévie un peu, du fait du déplacement du soleil, le capteur alerte la carte de contrôle à l'aide de 4 signaux que l'on pourrait interpréter comme signifiant : "trop haut / trop bas" ou "trop à gauche / trop à droite".
• A réception d'une des 4 alertes, la carte de contrôle va alimenter le moteur concerné en +12V ou -12V, selon le sens de déplacement souhaité pour corriger l'orientation du miroir.
• Le soir, le miroir finit par s'arrêter en étant orienté vers l'ouest. Le lendemain matin, lorsqu'il détecte du soleil à l'est au moyen d'une 5ème photorésistance, il effectue une rotation pour l'Est pour se repositionner et commencer à suivre la trajectoire du soleil.

Où positionner le miroir ?

• Où par rapport à votre fenêtre ? (dans le plan horizontal)
  • Le miroir doit être placé à la fois au Nord de votre fenêtre et le plus possible dans l'axe de votre fenêtre, pour bénéficier du maximum de section de passage de votre fenêtre. Ainsi le faisceau de lumière arrivera perpendiculairement à la fenêtre .
  • Si votre fenêtre est orientée en plein Nord, alors placez le miroir en face de la fenêtre : il sera à la fois aligné avec votre fenêtre et pourra suivre le soleil toute la journée.
  • Si votre fenêtre n'est pas orientée plein Nord, alors il faut trouver l'emplacement qui fasse le compromis entre l'alignement avec la fenêtre et la direction Nord.
• Hauteur de positionnement :
  • Vous pouvez l'installer au niveau du sol, tout en sachant que les rayons seront reflétés à l'horizontale et pourront vous éblouir.
  • Si vous en avez la possibilité, positionnez le miroir en hauteur de sorte à ce que les rayons arrivent avec une incidence de 20 à 30° dans votre fenêtre

Quelle taille de miroir ?

• La surface de lumière réfléchie par le miroir sur la fenêtre sera toujours légèrement inférieure à la taille du miroir. Plus l'angle du rayon incident est important, et plus surface réfléchi par le miroir sera faible. Au contraire, plus la direction du rayon incident se rapproche de la direction du rayon réfléchi, plus la surface réfléchie se rapproche de la section du miroir.
• Pour maximiser la surface de lumière entrant dans votre fenêtre cible, vous pouvez dimensionner le miroir à la taille de celle-ci, ou légèrement plus grand que la fenêtre de sorte à utiliser toute la surface d'entrée de la fenêtre.

La structure retenue est une monture "altazimutale". Les deux axes de rotation sont :

• l'axe vertical (Z) autour d'un pied ou poteau fixe => suivi du soleil d'Est en Ouest
• l'axe d'inclinaison du panneau (X) => suivi de l'élévation du soleil dans le ciel.

Fabrication du Pied / Support fixe :

Le pied doit être rigide, et bien ancré au sol. Les solutions pour le pied :

• Un Poteau en bois planté profond dans la terre, type de ceux utilisés pour les clôtures.
• Utilisation d'un pied de parasol lesté avec des dalles...
• Fabrication d'une petite structure sur mesure en bois. La structure doit être rigide, fixée ou lestée.

Fabrication du panneau

1. Découpez les 2 tasseaux "T1" et "T2" identiques à la Longueur L (L dépend de la course de votre vérin)
2. Repérez puis percez les 2 trous pour le passage de l'axe "A" du vérin : diamètre de perçage selon le vérin trouvé (10 mm pour moi)
3. Découpe les 3 plaques de bois P1, P2 et P3 aux dimensions indiquées (ou personnalisées) puis fixez-les (colle à bois et/ou vis à bois) sur les 2 tasseaux T1 et T2.
4. Repérez puis percez 2 trous alignés dans P1 et P2 pour constituer l'axe vertical Z.
5. Assembler le tasseau transversal "T3" sur votre plaque plexiglas, au moyen de 2 charnières à piano (ou plus) vissées. Cela va constituer l'axe d'inclinaison (X) de votre miroir.
6. Découpez les 2 cales C1 et C2, puis percez-les au diamètre voulu pour passer l'axe B du vérin. Ensuite, fixez-les à la bonne position sur l'arrière de la plaque plexiglas (vissez, ou collez)
7. Si pas déjà fait, réalisez les connecteurs mâles LEMO des 2 câbles moteur et vérin). Prévoir plutôt plus long de câble que ce que vous estimez, quitte à faire une boucle par la suite.
8. Fixez votre moteur sur la plaque P3, puis accouplez la poulie à son axe.
9. Positionnez le sous-ensemble "bras pivotant" sur le poteau fixe en plaçant la courroie, qui doit être suffisamment tendue si l'entraxe a bien été réalisé. Insérer la vis M10 dans l'axe vertical Z pour réaliser le pivot entre le bras et le poteau.
10. Positionnez le panneau plexiglas sur l'avant du bras, et assemblez l'ensemble en vissant le tasseau "T3".
11. Positionnez le vérin et fixez ses 2 axes A et B à l'aide de 2 vis, 4 rondelles et 2 écrous M8.

Capteur principal :

1. Commencez par découper un petit carré de 40x40 dans un morceau de bois assez épais : 10mm environ.
2. Découpez 4 petits rectangles de 50mm par 20mm dans du bois de faible épaisseur (2 à 3mm). Possibilité d'utiliser un autre matériau, plastique de récupération, ou tôles...
3. Collez les 4 rectangles de bois en croix (cf. photo) avec de la colle à bois.
4. Découpez et collez un carré de 30x30mm en guide de chapeau, par dessus la croix. Ce petit chapeau viendra projeter de l'ombre sur les 4 photorésistances.
5. Dans le boitier plastique, réalisez une petite découpe au cutter puis venez y insérer l'embase SUBD9 pour valider la taille de la découpe. Ne la collez pas tout de suite, sinon les soudures seront délicates à faire.
6. Collez le boitier plastique sur le support bois, maintenez-le ouvert puis percez 4 trous de diamètre 3mm (dépend de la taille de vos photorésistances) dans chaque case de la croix, et centrés de la même façon.
7. Placez vos 4 capteurs / photorésistances dans les 4 trous et faire ressortir les 8 fils du côté de la boite en plastique. Dénudez, si vous en l'avez pas déjà fait, vos 4 paires de fils. Gardez une bonne longueur de fil (6-8cm) pour simplifier l'opération de soudure.
8. Opération la plus délicate : soudez les 8 fils sur 8 des 9 bornes du connecteur SUBD9. Pensez à faire sortir les fils par le trou de passage du SuBD9 au préalable. Aidez-vous d'un bras de soudure avec 1 ou 2 pinces.
9. Etape finale : insérer l'embase SUBD9 dans le boitier plastique. Collez-là et/ou fixez la avec les 2 vis+écrous latéraux.

Capteur de détection du Soleil Levant :

1. Intégrer simplement une photorésistance dans un boitier, passez par un presse-étoupe puis câbler le connecteur choisi (LEMO) qui se connectera au boitier de contrôle. 
2. Fixer le capteur à l'arrière du miroir, à proximité du bord côté EST, afin que le capteur détecte le soleil le matin et fasse pivoter le miroir jusqu'à ce que le capteur se retrouve à l'ombre, caché derrière le miroir. Le miroir est alors orienté SUD-EST.

• Conception Capteur

1. Découpez 2 tasseaux de longueur 50 cm (longueur à adapter en fonction de la taille de votre miroir)
2. Réalisez 2 perçages aux extrémités du 1er tasseau (diamètre 8 pour vis M6)
3. Réalisez 2 perçages dans 2 plans différents pour le 2ème tasseau (D8 pour M6)
4. Assemblez les 2 tasseaux ensemble avec une vis et un écrou M6,
5. Assemblez l'ensemble du bras en liaison pivot avec le pied également avec une vis M6. Serrez juste assez pour que le bras soit tenu en position, mais puisse pivoter facilement si on souhaite changer de cible.
6. Assemblez le capteur sur ce bras orientable avec une vis et un écrou M6 ; serrez juste assez également pour pouvoir régler l'inclinaison du capteur.

Présentation de la carte de contrôle

La carte intègre le circuit intégré SN754410 à 2 x 2 bras de pont, qui va alimenter le moteur et le vérin en +Vcc ou -Vcc pour faire changer le sens de rotation. 

Chaque bras de pont est piloté par une des 4 photorésistances du capteur, en passant par un ampli comparateur LM339 dont la valeur de référence est réglable avec un potentiomètre Trim (VR1 à VR4). Cela permet de régler le seuil de basculement de chaque photorésistance : à partir de quelle intensité lumineuse on considère qu'on est en plein soleil. La logique de pilotage est la suivante : si la photorésistance est éclairée : U bras de pont = +Vcc ; Si elle est à l'ombre : U bras de pont = Gnd.

La carte intègre également un ampli comparateur supplémentaire LM393, qui réalise la fonction logique "OU" entre la photorésistance "Ouest" du capteur principal et la 5ème photorésistance qui détecte le soleil Levant. Ceci permet d'activer la rotation du miroir vers l'est, lorsque le soleil émerge le matin, afin de le repositionner pour une nouvelle journée de travail.

La carte s'alimente entre 5V et 36Vdc ; 12V pour moi, mais cela dépendra de la tension avec laquelle vous devez alimenter le moteur et le vérin choisis. Elle intègre enfin un régulateur de tension 5V pour alimenter les ampli OP comparateurs.

Réalisation de la carte de contrôle

Pour la carte de contrôle, partez d'une carte à trous si production à l'unité, sinon vous pouvez faire réaliser le PCB à partir des fichiers Gerber fournis. Soudez les composants et les fils sur la carte conformément au schéma de câblage (Schéma détaillé en PJ, et non schéma de principe en photo)

Réalisation du boitier

1. Réalisez les perçages et découpes dans le boitier plastique
   • 3 trous pour passer les embases femelles Lemo (autre connecteur au choix)
   • 1 Trou pour le presse-étoupe du câble d'alimentation (chargeur 5V - 1A)
   • 1 découpe pour l'embase SubD9
2. Montez les embases et connecteurs sur le boitier
   • Les 2 embases "Lemo" sont fixées par un écrou de serrage.
   • L'embase Subd9 peut-être collée et/ou vissée par les petites 2 vis latérales.
   • Passez le câble du chargeur par le trou via le presse-étoupe, puis serrez le presse étoupe lorsque la longueur du câble est convenable.

Intégration de la carte dans le boitier

1. Positionnez la carte de contrôle dans le boitier et fixez-là à l'intérieur (en général, des trous de fixation sont présents sur les cartes de prototypage)
2. Soudez les fils de la carte sur les différents connecteurs, conformément au schéma de câblage

• PCB
• Schéma Carte
• Datasheet_SN754410
• Datasheet_L4931
• lm393-n datasheet
• lm339-n datasheet