[PDF] Bateau à voile solaire 26 Mar 2021 Beaucoup de

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Bateau à voile solaire

Travail de Bachelor

Technologies Industrielles (TIN)Auteur :

Gaël FrochauxSuperviseur :

Jean-François Affolter

Référent externe :

Mark Wuest

26 mars 2021

Gaël Frochaux Bateau à voile solaire

Résumé

Ce travail de Bachelor a été proposé par le chantier naval Mark Wuest. Dans le cadre de son projet

"Multitalent Experiment". Il s"agit de concevoir un bateau à voile solaire. Cette voile doit pouvoir

servir tout aussi bien de propulsion, de générateur solaire, que de plan d"ombre. Sa forme s"inspire

de la forme ancestrale des voiles polynésiennes. Dans son travail de Bachelor, l"étudiant est amené à

concevoir le système d"articulation de la voile solaire. Ce travail développe les thèmes suivants :

Études bibliographiques relativ esau sujet (na vigationà v oile,systèmes photo voltaïques,éco-

conception...) Conception de l"articulation et la partie mécanique du p ositionnementde la v oile,ainsi que de

son intégration sur le bateau existant (le catamaran "Observer" est mis à disposition du projet)

F abricationet test d"un protot ypede catamaran a vecla v oileet l"articulation dév eloppée. Étude et conception d"u nsystème d"automatisation de la v oilep ourl"amener dans une p osition souhaitée Analyse de la pro ductionénergétique des panneaux photo voltaïques1 26 mars 2021

Gaël Frochaux Bateau à voile solaire

Clause de confidentialité

2 26 mars 2021

Gaël Frochaux Bateau à voile solaire

Cahier des charges officiel

Cahier des charges sous son format original extrait de GAPS

3 26 mars 2021

Gaël Frochaux Bateau à voile solaire

Préambule

Ce travail de Bachelor (ci-après TB) est réalisé en fin de cursus d"études, en vue de l"obtention du

titre de Bachelor of Science HES-SO en Ingénierie.

En tant que travail académique, son contenu, sans préjuger de sa valeur, n"engage ni la responsabilité

de l"auteur, ni celles du jury du travail de Bachelor et de l"École. toute utilisation, même partielle, de ce TB doit être faite dans le respect du droit d"auteur.

HEIG-VD :

Le Chef du Département4 26 mars 2021

Gaël Frochaux Bateau à voile solaire

Authentification

Le soussigné, Gaël Frochaux, atteste par la présente signature avoir réalisé seul ce travail et n"avoir

utilisé aucune autre source que celle expressément mentionnées

Yverdon-les bains, le 26 mars 2021

Gaël Frochaux5 26 mars 2021

Gaël Frochaux Bateau à voile solaire

Remerciements

Avant toute chose, je tiens particulièrement à remercier sincèrement toutes les personnes qui m"ont

aidé et accompagné tout au long de ce travail de Bachelor.

M. Jean François Affolter, professeur responsable de ce travail pour son accompagnement et ses conseils

bien venu tout au long de ce travail. M.Mark Wuest, Initiateur du projet, qui a mis à ma disposition

sa maquette de voilier et qui s"est montré disponible à répondre à toute mes questions. concernant le

voilier M. Philippe Bonhôte, pour son aide bienvenu concernant l"hyperstatisme de la structure mobile.

M.Peter Gallineli Pour ses précieux conseils sur la navigation à la voile. Et finalament Sophie Ruch

pour la relecture de ce travail6 26 mars 2021

Gaël Frochaux Bateau à voile solaire

Table des matières

1 Introduction10

2 Cahier des charges fonctionnelles 11

3 Analyse des fonctions 12

3.1 Localisation des panneaux photovoltaïques (PV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

3.2 Structure de la voile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

3.3 Type de bateau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

4 État de l"art13

4.1 Voilier solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

4.2 Bateaux polynésiens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

4.3 Les ailes rigides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

4.4 Modèle réduit avec profil d"aile d"avion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

4.5 Voilier autonome à aile rigide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

4.6 Mât pliable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

5 Lexique maritime 16

6 Éco-conception17

6.1 Les matériaux composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

6.2 Panneaux photovoltaïques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

7 Catalogue de solutions 22

7.1 Structure rotative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

7.2 Mât pliable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

7.3 Voile sur cardan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

7.4 Pondération des solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

8 Solution choisie25

8.1 Variante 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

8.2 Variante 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

8.3 Tests et observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

8.4 Motorisation de la voile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

8.5 Amortisseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

9 Calculs spécifiques à la solution choisie 29

9.1 Conventions d"écriture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

9.2 Aérodynamique voile pince de crabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

9.3 Surface et forme de la voile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

9.4 Résultante des forces aérodynamiques (RFA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

9.5 Centre de poussée (point vélique) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

9.6 Moment de retournement du voilier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

9.7 Puissance solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

10 Point clé de la maquette 36

10.1 Actuateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

10.2 Structure mobile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

10.3 Rattrapage du jeu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

10.4 Butée arrière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37 7 26 mars 2021

Gaël Frochaux Bateau à voile solaire

11 Rapport de test38

11.1 Première mise à l"eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

11.2 Test de navigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

11.3 Maniabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

11.4 conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

12 Description du CatamaranObserver40

12.1 Actuateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

12.2 Système de verrouillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42

13 Calculs spécifiques au voilierObserver43

13.1 Poussée d"Archimède . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

13.2 Résistance à l"avancement et propulsion du catamaran . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

13.3 Surface de voile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

13.4 Centre de poussée vélique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

13.5 Puissance vélique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

13.6 Équilibre du voilier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

13.7 Équilibre par vent arrière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

13.8 Équilibre des forces par vent de face . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

13.9 Équilibre des forces par vent latéral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

13.10Contrainte de Cisaillement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

13.11Flambage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

13.12Pression de contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

56

13.13Masse de la voile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58

13.14Tension dans la drisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59

13.15Tension dans les écoutes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60

14 Puissance et énergie générées par l"installation photovoltaïque 62

14.1 Facteurs externes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

62

14.2 Voile statique à l"horizontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64

14.3 Panneaux mobiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66

14.4 Voilier dans l"axe Nord-Sud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

68

14.5 Voilier dans l"axe Est-Ouest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69

14.6 Impact du suivi du soleil sur la production d"électricité . . . . . . . . . . . . . . . . . .

70

15 Estimation de la vitesse en fonction de différentes allures 71

15.1 100 % solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

71

15.2 Allures à la voile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

72

15.3 Navigation hybride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

74

16 Estimation des coûts matériel 75

17 Amélioration potentielle 77

17.1 Orientation de la voile selon deux axes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

77

17.2 Implémentation d"un système de suivi du soleil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

77

17.3 Récupération d"énergie par l"hélice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78

17.4 Aide à la prise de décision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78

18 Conclusion79

18.1 Réalisations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

79

18.2 Améliorations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

79

18.3 Observations personnelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

80 8 26 mars 2021

Gaël Frochaux Bateau à voile solaire

19 Annexes829 26 mars 2021

Gaël Frochaux Bateau à voile solaire

1 Introduction

"L"avion dans l"air ou le sous-marin dans l"eau tirent du fluide dans lequel ils se meuvent à la fois leur

propulsion et leur sustentation. Le voilier quant à lui, ne peut utiliser la puissance qui lui est fourni

par l"air en mouvement, que dans la mesure où il peut s"appuyer sur l"eau"[6]. Lorsque l"air vient à

manquer, pourquoi ne pas s"appuyer sur le soleil pour continuer son chemin. Une idée qui, certes ne

date pas d"hier, mais qui mérite d"être remis au goût du jour.

Le chantier naval Mark Wuest a comme idée de créer un voilier solaire constitué d"une voile rigide, sur

laquelle sont placés des panneaux photovoltaïques. Pour pouvoir tirer au maximum partie de ceux-ci,

la voile dois être à la fois orientable et mobile de manière à capter les rayons lorsque le vent faibli

ou tombe. La réalisation de l"articulation de la voile s"avère complexe. Elle doit pouvoir supporter les

contraintes générées par le vent tout en conservant sa mobilité. Dans le cadre de son projet "Expé-

rience Multitalent" M.Wuest s"est tourné vers la HEIG-VD, afin de proposer son idée comme travail

de Bachelor.

Sensible aux problématiques actuelles, le projet se veut responsable envers l"environnement. L"utili-

sation de matériaux biosourcés vient tout naturellement s"ajouter aux énergies vertes propulsant ce

voilier.

La pluridisciplinarité de ce travail demande de bonne capacité d"adaptation et demande des compé-

tences dans divers domaines tels que la mécanique, l"énergie solaire photovoltaïque, l"efficience éner-

gétique (aéro et hydrodynamisme) et la navigation à voile. La diversité des connaissances nécessaires

à la réalisation d"un tel projet reflète les compétences attendues d"un ingénieur en microtechnique.10 26 mars 2021

Gaël Frochaux Bateau à voile solaire

2 Cahier des charges fonctionnelles

Fonctions principales

FP1 - Générateur d"électricité

FP2- Système de propulsion vélique

FP3 - Plan d"ombre

Fonctions spécifiques

FS1 - PilotageLe pilote commande manuellement l"orientation de la voile

FS2 - Navigation véliqueLa voile est orientée de manière à faire avancer le bateau grâce au

ventFS3 - Navigation solaireLa voile est placée à plat au-dessus du pont

FS4 - Position de sécuritéLa voile est descendue à l"horizontal sur le pont et verrouillée

FS6 - Propulsion électriqueDeux moteurs de 3kW servent à la propulsion du voilier FS7 - Stockage de l"énergieDeux groupes de batteries au plomb de 55Ah/48V équipent le

voilierFS8 - Source solaireL"énergie éclectique est générée par des panneaux flexibles mono-

cristallins de 120W avec un rendement de 25%FS9 - Surface solaireLes huit PVs présentent une surface totale d"environ4m2FS10 - Surface véliqueLa surface doit être suffisante pour accueillir les panneaux sans

toutefois dépasser de la surface au sol du voilier.FS11 - Structure de la voileUne voile rigide en fibre naturelle est imposée

FS11 - Monter et descendre

la voileLa voile doit pouvoir être hissée manuellement ou électriquement

FS12 - Orientation de la voile

face au soleilLa voile est positionnée manuellement ou automatiquement face au soleilFS13 - Type de voilierL"installation est prévue pour un catamaran

11 26 mars 2021

Gaël Frochaux Bateau à voile solaire

3 Analyse des fonctions

Ce projet sert d"étude pour un futur voilier solaire à but touristique. En vue de son secteur d"activité,

une attention particulière au confort, à l"ergonomie et à la sécurité doit être portée. De manière

à respecter le cahier des charges (section 2), il est alors nécessaire d"en détailler certaines de ses

fonctionnalités et caractéristiques, notamment dans le but de réaliser un catalogue de solutions.

3.1 Localisation des panneaux photovoltaïques (PV)

L"idée initiale est d"utiliser la surface de voile comme surface solaire. Par conséquent, les panneaux

sont disposés sur une face de la voile. Les PVs étant relativement fragiles, la voile se doit d"être rigide

afin de conserver l"intégrité des PVs.

3.2 Structure de la voile

Comme expliqué au point précédent, il est question d"une voile rigide. Dans une idée d"éco-conception,

cette voile doit être réalisée en fibre naturelle. Une étude approfondie est nécessaire à la définition du

meilleur matériau.

3.3 Type de bateau

Pour les besoins du projet, un ancien voilier de régate a été recyclé comme "plateforme expérimentale".

Mesurant 8.5m de long pour 3.9m de large, l"Observerpermet l"expérimentation de concepts novateurs

sans pour autant nécessiter un budget excessif. Il est déjà muni d"un système de propulsion électrique

comprenant deux batteries au plomb de 55Ah, chacune générant une tension de 48V. Ces batteries

servent à alimenter deux moteurs de 3kW, chacun situé à l"arrière des flotteurs.Figure3.1 - Le catamaran Observer dédié au projet (photo :M.Wuest12 26 mars 2021

Gaël Frochaux Bateau à voile solaire

4 État de l"art

Beaucoup de voiliers sont pourvus de panneaux solaires, ce qui leur garanti une certaine autonomie

énergétique. Ces panneaux servent majoritairement à produire l"énergie nécessaire au bon fonction-

nement des installations électriques du voilier telles que les instruments de navigation, l"éclairage et

le pilote automatique. Les embarcations, animées à la fois par le soleil et par le vent, se font quant à

elles plus rares. De ce fait l"état de l"art se concentre sur différents points clés du projet.

4.1 Voilier solaire

Bien que rare, certains voiliers hybrides sont équipés d"unités photovoltaïques utiles à la propulsion.

La société "La Bella Verde", par exemple, a développé une flotte de voiliers hybrides se propulsant à

l"aide d"un moteur électrique rechargé par des panneaux solaires situés à l"arrière du bateauFigure4.1 - Voilier à propulsion solaire de la société "La Bella Verde" source: ibiza spotlight

4.2 Bateaux polynésiens

La forme de la voile s"inspire directement des bateaux traditionnels polynésiens. Le "Proa» est un

canoë à balancier équipé d"une voile en forme de "pince de crabe". Les Proas ont des caractéristiques

de navigation étonnantes : par exemple, leur rapidité malgré une surface de voilure réduite. Leur voile,

de forme triangulaire, s"élargissant vers le haut, captent le vent bien au-dessus du pont, là où il souffle

avec plus de force et de manière moins turbulente. Ces bateaux sont également stables et faciles à

manoeuvrer.Figure4.2 - Canoë Proa avec voile pince de crabe. source: outrigger sailing canoes13 26 mars 2021

Gaël Frochaux Bateau à voile solaire

4.3 Les ailes rigides

Depuis une dizaine d"années, les ailes rigides ont remplacé les voiles traditionnelles sur des bateaux de

course. Elles permettent d"atteindre des performances en termes de vitesse et d"angle au vent inéga-

lable. Elle possède une prise au vent moins importante et une meilleure portance. Elles se composent

de deux parties : une partie avant dans laquelle se trouve le mât, et un volet arrière permettant le

pilotage de l"incidence de l"aile. Contrairement à une voile, il est impossible d"affaler une aile rigide. Il

faut par conséquent la démonter après chaque utilisation. Ce qui rend leur utilisation peu pratique.Figure4.3 - Un AC45 de BMW Oracle, équipé d"une aile rigide source: Les ailes rigides de voilier

4.4 Modèle réduit avec profil d"aile d"avion

Un passionné de modélisme a conçu un voilier avec un profil d"aile d"avion comme voile. Cette aile est

placée sur un petit mât et pivote autour d"une rotule. Cette solution à l"avantage de pouvoir mettre

facilement l"aile à l"horizontal et peut s"orienter face au soleil dans toutes les directions.Figure4.4 - Modèle réduit avec profil d"aile d"avion photo: "Power Wing Sail System"14 26 mars 2021

Gaël Frochaux Bateau à voile solaire

4.5 Voilier autonome à aile rigide

La firme"saildrone"a développé un voilier équipé d"une aile rigide entièrement autonome. Ce bateau

a été développé à des fins scientifiques pour permettre de récupérer des données dans des endroits

reculés, loin des terres. Il avance au moyen d"une aile symétrique pilotée par un volet placé à l"arrière.

Des panneaux photovoltaïques placés sur le pont et sur l"aile permettent d"alimenter le système de

mesure et de pilotage.Figure4.5 - voilier autonome photo: "p-plus"

4.6 Mât pliable

Balphamasts"est spécialisé dans la fabrication de mâts de voiliers pliables. Au moyen d"une drisse située

en pied de mât, la base du mât coulisse dans un rail pour changer de configuration. Le constructeur

annonce qu"il est possible de plier un mât en cinq minutes.Figure4.6 - mât pliable de la marque balphamast photo: balphamast.com15 26 mars 2021

Gaël Frochaux Bateau à voile solaire

5 Lexique maritime

-Allure :"L"allure détermine la manière dont les voiles doivent être réglées : en fonction de

l"angle entre l"axe du bateau et le vent".Figure5.1 - Les différentes allures d"un voilier source :millessabord.com

-Bâbord :Désigne le côté gauche d"un navire -CarèneDésigne la coque d"un navire -Drisse :Désigne le cordage servant à hisser une voile -Écoute :Désigne le cordage servant à régler une voile -Étrave :Désigne la limite avant de la carène d"un navire -Gîte :Désigne l"inclinaison latérale d"un navire par rapport à la verticale.

-Gréement :Synonyme de bateau ou ensemble des mâts, des voiles et des manoeuvres nécessaires

à la propulsion d"un navire à voiles.

-Hauban :Désigne les câbles assurant le soutient latéral du mât d"un voilier. -Tribord :Désigne le côté droit d"un navire

-Voilier classique :Raccourci de l"auteur désignant un gréement composé d"un mât avec une

grand voile à l"arrière et une voile triangulaire à l"avant16 26 mars 2021

Gaël Frochaux Bateau à voile solaire

6 Éco-conception

6.1 Les matériaux composites

"Un matériau composite se définit généralement par l"assemblage de deux phases : le renfort (sous

forme de fibres le plus souvent) et la matrice. Cette dernière conserve la disposition géométrique des

fibres, et assure, par les interfaces, le transfert de charge entre elles. La matrice (le liant en d"autres

termes) peut appartenir à la famille des polymères, des métaux ou des céramiques" [2]. Dans une idée

d"éco-conception, la voile du catamaran sera réalisée en fibre naturelle, afin de minimiser son impact

écologique. La réalisation de structures avec ce type de fibre est encore peu commune de nos jours.

L"Observerétant un prototype, il fait le parfait candidat pour ce genre d"expérimentation.

6.1.1 Les fibres naturelles

"Sous les mots "fibres naturelles» se retrouvent des fibres organiques, d"origine végétale (cellulosique)

et animale (protéinique), et des fibres minérales telles que l"amiante" [2].

Le choix des fibres naturelles n"est pas simplement une opération de substitution de fibres de synthèses.

Celles-ci ont des spécificités qu"il est intéressant de valoriser, par exemple : une origine naturelle,

leur durabilité et biodégradabilité (ce qui peut être considéré comme un paradoxe), les performances

mécaniques spécifiques importantes de certaines fibres, la faible demande d"énergie nécessaire à leur

production (en comparaison avec les fibres de verre ou de carbone par exemple) et la possibilité de

les incinérer en fin de vie pour récupérer de l"énergie.[2]. Il est important de garder à l"esprit que la

fibre n"est rien sans matrice. Une utilisation de matrice chimique ne permet pas au produit fini d"être

"écologique". Une matrice en polymère biodégradable (biosourcé ou non) permet de réaliser des pièces

qui, "en fin de vie, peuvent être broyées puis incorporées dans un composte industriel"[2].

6.1.2 Énergie de production

En comparaison avec des fibres de synthèse couramment utilisées telles que la fibre de verre ou de

carbone, les fibres naturelles demandent peu d"énergie à leur production.Figure6.1 - Énergie nécessaire à la production de différent type de fibre (lin,basalte, fibre de verre, fibre de

carbone ) en kg de CO2 équivalent par kg source : bicomp.ch

La fibre de carbone constitue un désastre écologique en soi. Comme le présente la figure 6.1, la fibre

de carbone émet trente-quatre fois plus de CO2 qu"un composite à base de fibre de lin. Cependant,17 26 mars 2021

Gaël Frochaux Bateau à voile solaire

cet impact écologique n"est pas uniquement dépendant du matériau, il faut aussi considérer différents

aspects pour rendre les valeurs de ce graphique cohérentes.

La fibre est présen telo calement,aucun transp ortsup erflun"est nécessaire à la fabrication du

renfort.

La fibre est disp onibledans une prop ortionsuffisan te.C"est-à-dire que "le v olumede fibre présen t

sur le marché est suffisant pour réaliser des pièces industrielles."[2]

La pro ductionest effectuée de manière resp onsable(culture, engrais, rouissage, traitemen tmé-

canique, stockage, transport)

"Ces fibres sont souvent considérées comme neutres vis-à-vis des émissions de CO2 dans l"atmosphère

puisque leur combustion ou leur biodégradation ne produit qu"une quantité de dioxyde de carbone

égale à celle que la plante a absorbée pendant sa croissance. Ceci est une approche trop simplifiée, car

en réalité, il est aussi nécessaire de tenir compte des pratiques agricoles, des phases d"extraction, de

transport et de mise en forme des préformes et des composites."[2]. De plus, ce graphique ne prend pas

en compte la quantité de matière nécessaire à l"obtention de caractéristiques mécaniques similaires.

6.1.3 Propriétés mécaniques

Pour pouvoir considérer un composite bio-sourcé comme substitut à une fibre de synthèse, il faut que

ses propriétés soit concurrentielles. Elles peuvent aussi être complémentaires aux fibres synthétiques,

en valorisant par exemple : une origine renouvelable, leur durabilité ou encore leur biodégradabilité.Type de fibreNomModule de

Young [GPa]Allongement

à la rupture en

traction [%]Contrainte

à la rupture en

traction [Gpa]Densité [kg/m3]Verre E721.7 - 2.11200 - 20002.54

Carbone2301.535301.7 - 1.9Fibre de

synthèseAramide1242.936201.44

Chanvre23.5 - 901 - 3.5270-9001.45

Lin38 - 751.7 - 3600-14001.5Fibre

végétaleOrtie872.111594-

Verre à soie5120.61.3Fibre

animaleArraignée8.8200.8781.3

Table1 - Propriétés mécaniques moyennes en traction de différentes fibres végétales comparées à quelques

fibres de renfort de synthèse habituellement utilisées dans l"industrie des matériaux composites [2]

En terme de rigidité et de contrainte à la rupture le carbone reste inégalable. Cependant, lorsque la

masse n"est pas la principale contrainte, la fibre de verre est couramment utilisée. Des plantes euro-

péennes communes telles que le chanvre, le lin ou encore l"ortie permettent d"obtenir des performances

similaires voir supérieures à la fibre de verre. De nos jours, la fibre de lin est la plus communément

utilisée. "En Europe, elle est principalement cultivée en France (principalement en Normandie et dans

le Nord), en Belgique, aux Pays-Bas, en Russie et en Pologne" [2]. Une entreprise Suisse (bcomp) basée

à Fribourg s"est spécialisée dans la conception de pièces mécaniques en matériaux composites à base

de fibre de lin. Une alternative locale et plus durable qu"une fibre de verre est possible dans notre

région.18 26 mars 2021

Gaël Frochaux Bateau à voile solaire

6.2 Panneaux photovoltaïques

Électriquement parlant, la cellule photovoltaïque n"est autre qu"un générateur de courant électrique

commandé par l"énergie solaire. L"assemblage des cellules entre elles permet, à travers un processus

de fabrication, la production de modules photovoltaïques (ou communément appelés panneaux pho-

tovoltaïques). Cela, afin de pouvoir augmenter la surface de production d"électricité. Le courant est

produit selon différentes technologies de cellule :

Cellule en silic iump olycristallin

Cellule en silic iummono cristallin

Cellule m ulti-jonctions

Cellule en silic iumamorphe en c ouchemince

Cellule en c ouchemince CIS (Cuivre Indium Sélénium)

Cellule CZTS (Cuivre Zinc Étain Souffre)

Dans ce projet, des cellules en silicium monocristallin sont utilisées. Par conséquent,la suite de cette

réflexion se base sur cette technologie.

6.2.1 Énergie de production

Le silicium est le principal coupable de l"alourdissement du bilan énergétique des PVs. Les impacts

environnementaux liés à la production de composants électroniques à base de silicium débutent avec

l"exploitation des carrières d"où sont extraits les sables nécessaires à cette industrie. La poursuite du

processus nécessite des combustibles fossiles tels que le charbon de bois dont l"extraction et la produc-

tion ont également un impact environnemental. Enfin, les divers processus de purification nécessaires à

l"obtention de la qualité électronique du silicium auront également un poids considérable dans l"impact

environnemental global des puces électroniques.

"En 1990, la production mondiale de silicium de qualité métallique atteignait 800 000 tonnes. Seule-

ment 32 000 tonnes ont obtenu la qualité électronique. Après les dernières étapes de purification, seules

3 200 tonnes finirent dans des cellules photovoltaïques et 750 tonnes dans des composants électroniques

. Il aura fallu utiliser plus de 100 000 tonnes de chlore et 200 000 tonnes d"acides et solvant divers.

Le traitement industriel du silicium est donc excessivement propice au gaspillage de matière première,

gros consommateur de produits toxiques, d"eau et d"énergie" [4].

Les différentes étapes pour transformer la ressource naturelle (silice) en wafer sont très gourmandes en

énergie. L"énergie nécessaire à l"accomplissement de chaque étape de ce long processus a été évaluée

et on remarque que la chaîne de traitement du wafer est la phase la plus énergivore (cf. graphique

6.2) avec près de 73% de l"énergie totale nécessaire pour le processus global. Au total, 2933 kWh

d"électricité sont nécessaires pour produire 1 kg de wafer en silicium. Ramenée à la production d"1

cm

2de wafer, la dépense énergétique est de 0,34 kWh.1.1. (Source : projet REMODECE 2008 cabinet ENERTECH)

19 26 mars 2021

Gaël Frochaux Bateau à voile solaire

Figure6.2 - Caption

Ce calcul d"énergie parcm2prend uniquement en compte l"énergie nécessaire à la production de wafer.

Cependant, les panneaux sont aussi constitués de composants tels que :

Un cadre de soutien ten aluminium

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