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Voiture Solaire

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2 L’École Nationale Supérieure d’Électricité et de Mécanique 2012 /2013

Contenu

I. Remerciements ........................................................................................................................ 4

II. Introduction ............................................................................................................................. 5

III. Présentation d’évènement « Moroccan solar race chalange » .................................................... 6

1. 1ère étape: Concours ...........................................................................................................................6

2. 2ème étape: Course .............................................................................................................................7

IV. Principe de fonctionnement ...................................................................................................... 9

V. Fich technique ........................................................................................................................ 10

VI. Partie mécanique.................................................................................................................... 11

1. Châssis ............................................................................................................................................... 11

2. Transmission de puissance ............................................................................................................... 12

3. Système de direction ........................................................................................................................ 13

4. Système de freinage.......................................................................................................................... 14

VII. Partie électrique ..................................................................................................................... 16

1. Schéma électrique ............................................................................................................................ 16

2. Panneaux photovoltaïque ................................................................................................................. 17

3. Régulateur de charge ........................................................................................................................ 18

4. Batterie ............................................................................................................................................. 19

5. Onduleur ........................................................................................................................................... 19

6. Variateur de fréquence ..................................................................................................................... 20

7. MAS ................................................................................................................................................... 20

VIII. Partie de commande : ............................................................................................................. 22

1. Objectif .............................................................................................................................................. 22

2. Schéma générale ............................................................................................................................... 22

3. Microcontrôleur ................................................................................................................................ 24

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4. Capteur de niveau de la batterie : .................................................................................................... 27

5. Capteur d’accélération ...................................................................................................................... 28

6. Communication avec l’ordinateur .................................................................................................... 29

7. Afficheur LCD .................................................................................................................................... 31

8. Tachymètre ....................................................................................................................................... 32

9. Structure du programme .................................................................................................................. 33

IX. Partie financier ....................................................................................................................... 34

X. Conclusion : ............................................................................................................................ 36

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I. Remerciements

Avant d’entamer au vif de notre rapport, nous adressons nos sincères

remerciements à notre encadrant qui réalise un grand effort pour la

qualité de la formation qu’il nous a offrit et pour leur patience.

Nous tenons tout d’abord à remercier Abdel Karim FANAN et

boulâme Abdellah pour leurs conseils et collaborations durant toute la

période de notre stage et leurs disponibilités.

On saisit cette occasion pour remercier nos professeurs au domaine

de la formation de la filière électronique et télécommunication pour leur

disponibilité tout au long de notre formation.

Enfin, nous formulons notre haute considération et notre gratitude à

la direction de L’ENSEM et à tout personnel du département de génie

électrique.

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II. Introduction

La voiture solaire est un véhicule solaire pour le transport

routier.

Les voitures solaires combinent des technologies typiquement

utilisées dans les domaines de l'aérospatiale, du vélo, des énergies

alternatives et de la construction automobile. Le design du véhicule

solaire est particulièrement limité à cause de la quantité d'énergie

nécessaire dont la voiture a besoin. La plupart des véhicules

solaires sont construits dans le but de participer à des courses de

voitures solaires.

Etant que des étudiants à l’ENSEM dans les filières électriques

et mécaniques on avait l’opportunité de concevoir et réaliser une

voiture solaire comme thème de stage.

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III. Présentation d’évènement « Moroccan solar race chalange »

Suite à l’avis de concours pour le développement de voiture Solaires Sous l’égide du Ministère

de l’Energie, des Mines, de l’Eau et de l’Environnement, l’IRESEN en partenariat avec l’OCP que

s’organise la 1ère édition du Moroccan Solar Race Challenge.

Cette compétition est organisée en deux étapes:

1. 1ère étape: Concours

Le concours intervient «dans un contexte énergétique marocain, où il est nécessaire

d’accompagner, de stimuler et d’encourager nos futurs experts qui contribueront grandement au

développement de ce secteur»

Badr Ikken (directeur général de l’IRESEN).

«Nous voulons faire du Maroc un développeur et concepteur technologique et pas uniquement un

consommateur technologique. L’objectif principal est effectivement de promouvoir la recherche sur

les voitures solaires en particulier et les énergies renouvelables en général,» assure-t-il.

-Le 1er prix, « ENSEM SOLAR TEAM», a été remis à huit étudiants de l’ENSEM de Casablanca

-Le 2ème prix revient à l’FST de Tanger.

-Le 3ème prix a été décerné à l’FST Settat et l’EMI.

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2. 2ème étape: Course

La voiture solaire «BELENOS», conçue et réalisée par l’Université française Polytechnique

Clermont-Ferrand, a remporté la 1ère édition du Moroccan Solar Race challenge 2013.

L’équipe «SOLARIS» de l’université turque Dokuz Eylul a franchi la ligne d’arrivée en deuxième

position, suivie de la voiture française «SUNRACER», conçue par l’Institut national de l’énergie solaire

(INES) en collaboration avec le Lycée technique Monge (France).

Au total, 7 équipes étaient en lice pour remporter le Moroccan Solar Race challenge 2013, la

première course du genre au Maroc.

Outre les 3 premières voitures, 4 autres modèles ont participé à cette course. Il s’agit de :

«FAAB SOLAR CAR» de l’Ecole Nationale Supérieure d’Electricité et de Mécanique (ENSEM).

«EMI SOLAR CAR» de l’Ecole Mohammedia d’ingénieurs (EMI) de Rabat.

«GREEN CAR» de l’Université des sciences et techniques (FST) de Settat.

«ORCAR», de la FST Tanger.

Cette course, qui a relié Marrakech à Benguérir sur un trajet de 72 km, a été marquée par la

participation non officielle de la voiture solaire ultramoderne «MATRA GEM», de l’Institut national de

l’énergie solaire (INES) de France et même d’un tricycle solaire français dont la vitesse peut atteindre

jusqu’à 40 km par heure.

La remise des prix aux participants à cette

manifestation s’est déroulée en présence

du ministre de l’Energie, des Mines, de

l’Eau et l’Environnement, Fouad Douiri, du

ministre de l’Enseignement supérieur, de la

Formation des cadres et de la Recherche

scientifique, Lahcen Daoudi, du gouverneur

de la province des Rhamna, Farid Chourak

et du directeur général de l’Institut de

recherche en énergie solaire et en énergies

nouvelles (IRESEN, initiateur de cette

manifestation) Badr Ikken.

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Tout au long de cette journée, et en marge

de la course à Benguérir, les participants

ont eu droit à un riche programme

d’animation, avec un parc de jeux, des

ateliers pédagogiques au profit d’écoliers

ainsi que des expositions de prototypes,

d’inventions et de voitures solaires.

Initiée sous l’égide du ministère de

l’Energie, des Mines, de l’Eau et

l’Environnement, du ministère de

l’Enseignement supérieur, de la Formation

des cadres et de la Recherche scientifique

et du ministère de l’Equipement et du

Transport, avec le soutien de l’OCP, cette

première édition du Moroccan Solar Race

Challenge 2013 a pour but la promotion des

voitures solaires développées par les

universités, les écoles d’ingénieurs et les

établissements d’enseignement supérieur

marocains.

L’évènement «Moroccan Solar Race» combine science et sport tout en respectant pleinement

l’environnement, ce qui a permis à plusieurs étudiants marocains de différentes universités et écoles

d’ingénieurs de mettre en pratique leurs connaissances théoriques sur le terrain en réalisant des

voitures solaires.

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IV. Principe de fonctionnement

Une voiture solaire est une voiture électrique qui utilise le soleil comme carburant.

La partie supérieure de la voiture solaire est couverte de cellules photovoltaïques (cellules

solaires) qui convertissent l'énergie solaire en électricité. L'électricité captée est ensuite

emmagasinée dans les batteries qui alimentent le moteur électrique de la voiture. Des composantes

électriques et électroniques contrôlent le processus.

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V. Fiche technique

Dimensions (mm)

Longueur

3 900

Largeur

1 650

Hauteur 1 200

Données techniques

Motorisation électrique Moteur asynchrone triphasé

1.1KW

Surface des cellules 5 .9 m²

Vitesse maximale 33 Km/h

batterie 4 batteries de 12V - 18Ah

châssis Tube carré d’acier

poids 300 kg

Autre

Durée de réalisations 2 mois

Cout de réalisation 91 000 DH

Atelier de réalisation Garage d’un mécanicien 15m²

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VI. Partie mécanique

1. Châssis

Le châssis tient tout le véhicule ensemble car il est utilisé comme une base sur laquelle les

autres éléments sont montés.

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2. Transmission de puissance

*rapport de transmission est 1/18

Donc un couple de démarrage égale à 54 N

Et une vitesse maxi : 33 km/h

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3. Système de direction

Fonctions de la direction Le train avant et le système de direction ont pour mission de permettre le

braquage des roues directrices afin d’assurer le guidage et le contrôle du véhicule

Le train avant et le système de direction ont une géométrie qui doit permettre de:

Limiter la transmission vers le volant des chocs de la route.

Eviter les pertes d’adhérences en virage comme en ligne droite.

Introduire une coupe de rappel pour maintenir les roues en position de ligne droite.

Eviter un braquage incontrôlé lors des débattements de suspension.

Limiter les efforts à assurer pour effectuer le braquage.

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Influences du système de direction La conception du système de direction a une influence sur les

Performance de la direction:

Sensation du centrage Retour au point neutre Efforts dans la direction …

En outre, le système a aussi un impact sur le comportement dynamique du véhicule:

Réponse transitoire Comportement en virage Stabilité en freinage

4. Système de freinage

L’efficacité des freins est très importante ; en effet, le freinage a une part très importante dans le pilotage et le gain de temps, sur un circuit. Le freinage permet, outre de s’arrêter, de ralentir ou de placer son voiture à l’entrée d’un virage. Un coup de frein progressif, en appui, permettra de tenir une bonne trajectoire avec beaucoup d’adhérence dans une grande courbe, alors qu’un coup de frein brusque, permettra le pivotement de voiture à l’entrée d’une courbe rapide ou d’une épingle. Ces deux types de freinage vous permettront selon le type du virage une ré-accélération plus rapide et ainsi de gagner du temps. Plus le disque de frein sera généreusement dimensionné, meilleure sera la puissance de freinage. (Suivre les règlements pour les compétitions) Il existe deux types de freins : les freins mécaniques et les freins hydrauliques.

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Les freins hydrauliques sont beaucoup plus performants que les freins mécaniques. Pour votre sécurité et celle des autres pilotes, il est très important de contrôler et d’entretenir son système de freinage.

Freins mécaniques :

Le câble doit être doublé, et il est conseillé de les huiler et de les passer dans une durite d’essence au niveau de la boucle de la pédale, car ils ont une tendance à s'effilocher et à casser. Lorsque vous jugerez votre course de pédale trop longue, suite à l’usure des plaquettes, il conviendra de démonter une cale entre les deux demi-étriers, plutôt que de retendre les câbles.

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VII. Partie électrique

1. Schéma électrique

Les panneaux solaires fournis une tension continue varie de 21V à 33V, pour stabiliser la tension en

24V on utilise un régulateur MPPT connecté avec 4 batteries 18Ah.

La partie motorisation est basée d’un moteur asynchrone triphasé pour cela il faut convertie l’énergie

fournie par des panneaux solaire (de la tension continue 24V a tension alternatif triphasé 380V), onduleur

assure la conversion a 220V alternatif qui convertie en 380V alternatif par le variateur de vitesse

(variateur de fréquence).

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2. Panneaux photovoltaïque

Pour exploiter la surface de 6m² d’une façon optimum on utilise les panneaux suivant : - 3 panneaux de 250Wc

- 2 panneaux de 50Wc

La puissance totale maximal délivrer par les panneaux est : P=850W

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3. Régulateur de charge

Le régulateur de charge protège toute l’installation photovoltaïque, et notamment la

batterie qui est l’élément le plus sensible. Il est au cœur du système, branché à la fois sur le module

solaire, la batterie et les appareils qui consomment l’électricité.

Comme son nom l’indique, le

régulateur de charge/décharge régule les

charges et les décharges de la batterie. Si la

batterie était à pleine charge et que les modules

continuaient de lui fournir de l’énergie, il y

aurait alors surcharge et la batterie se

détériorerait. De même, il est recommandé de

ne pas vider entièrement une batterie. Ainsi,

même s’il s’agit d’une batterie à décharge

profonde, il vaut mieux ne pas descendre en

dessous de 50% à 80% de décharge pour ne pas trop la dégrader. Le régulateur augmente donc sa

durée de vie en lui évitant des états extrêmes.

Les caractéristiques de Steca:

o Régulation MLI

o Reconnexion automatique du consommateur

o Fonctions de protection électroniques

o Protection contre les surcharges

o Protection contre les décharges profondes

o Protection contre une polarité inversée des panneaux solaires et de la batterie

o Protection contre une polarité inversée par fusible interne

o Protection contre les courts-circuits des consommateurs et des panneaux solaires

o Protection contre circuit ouvert sans batterie

o Protection contre-courant inverse pendant la nuit

o Protection contre sur température et surcharge

o Déconnexion en cas de surtension de la batterie

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4. Batterie

La batterie permet le stockage de l’énergie électrique produite par les modules solaires. Ce

ne peut être qu’un stockage court terme et tout stockage inter saisonnier ne peut être envisagé dans

l’ »état actuel d’avancement technologique des batteries

Pb/acide, Cd/Ni, Su/Na... Ce n’est pas l’élément le plus

fiable dans une installation photovoltaïque mais une

bonne gestion en limitera la faiblesse intrinsèque ?une

batterie au Pb/acide qui est la batterie la plus

couramment utilisée dans les installations

photovoltaïque ne doit jamais être laissée dans un état

de décharge profond pendant une longue période. Nous

pouvons observer sur la figure une gamme de batterie «

solaire ».

Les batteries utilise sont 4 batteries de 18 Ah.

5. Onduleur

Les convertisseurs DC-AC permettent de

transformer la tension continue 24V (DC) des

batteries en tension alternative 230V (AC). De plus

ils protègent la batterie contre la décharge

profonde qui la détruirait.

Phoenix inverter 1.2KW est "PUR-SINUS".

Il permet l'utilisation de tous les appareils

électrique sans risque de dysfonctionnement.

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6. Variateur de fréquence

Le variateur de vitesse ATV312 1.1KW permet

de commander la vitesse d’un moteur électrique

triphasé asynchrone en faisant varier la fréquence

d'alimentation. Ces variateurs, appelés aussi variateurs

de fréquence permettent de régler manuellement la

vitesse du moteur avec le potentiomètre en face avant

ou par l’intermédiaire d’u partie de commande à l’aide

d’un pédale électrique.

Le variateur de fréquence permet aussi de disposer d’une alimentation triphasée à partir

d’une installation ou seule l’alimentation monophasée, ce qui permet de câbler avec l’onduleur

monophasé.

7. MAS

Choix de moteur

*

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La meilleure solution sont des moteur bruchlesse ou moteur synchrone auto piloté mais ils ne

sont pas disponible au Maroc est la durée de réalisation est trop petit pour commande de extérieur

pour cela ont adapté la solution d’utiliser moteur asynchrone qu’est plus performant que courant

continue.

Asynchrones en exécution fermée ventilation

extérieure - rotor à cage

Classe d'isolation F - Degré de protection IP

55, multifréquence 50 - 60 HZ

Puissance 1 .1 kW –

2Pôles / Vitesse 3000-T/Min

Tension 230 Y / 400 Δ (taille 50 à 112)

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VIII. Partie de commande :

1. Objectif

La partie commande s’avère très indispensable dans la conception d’une voiture

solaire, par conséquent cette Partie va nous donner des informations sur la vitesse

et niveau de batterie et l’asservi de vitesse.

2. Schéma générale

Le circuit de commande est basé sur un microcontrôleur de famille AVR qui

assure la lecture du niveau de batterie, capteur d’accélération, vitesse,

communication au PC et l’affichage du paramètre au conducteur de voiture

Le composant électrique

Max 232, 4 condensateurs, Afficheur LCD, microcontrôleur, 4 résistances,

Tachymètre

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L’alimentation du circuit Pour l’alimentation de circuit de

commande on utilise un régulateur 5V à

partir de batterie

Circuit imprimé

Vue en 3D

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3. Microcontrôleur

Un microcontrôleur est un circuit

intégré qui rassemble les éléments

essentiels d'un ordinateur car il se présente

sous la forme d’un circuit intégré réunissant

tous les éléments d’une structure à base de

microprocesseur:

Un microprocesseur (C.P.U.),

mémoire de donnée (RAM et EEPROM),

mémoire programme (ROM, OTPROM, UVPROM ou EEPROM),

interfaces parallèles pour la connexion des entrées / sorties,

interfaces séries (synchrone ou asynchrone) pour le dialogue avec d’autres unités,

timers pour générer ou mesurer des signaux avec une grande précision Temporelle,

convertisseurs analogique / numérique pour le traitement de signaux

Analogiques : CAN

Les microcontrôleurs sont fréquemment utilisés dans les systèmes embarqués, comme les contrôleurs des moteurs automobiles, les télécommandes, les appareils de bureau, l'électroménager, les jouets, la téléphonie mobile, etc.

Leur Avantages :

Encombrement réduit,

Circuit imprimé peu complexe,

Faible consommation,

Coût réduit. Leur Inconvénient :

Système de développement onéreux,

Programmation nécessitant un matériel adapté

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L’ATmega16 :

Les microcontrôleurs de la famille ATMEGA en technologie CMOS sont des

modèles à 8 bits AVR basés sur l’architecture RISC. En exécutant des instructions

dans un cycle d'horloge simple, l'ATMEGA réalise des opérations s'approchant de 1

MIPS par MHZ permettant de réaliser des systèmes à faible consommation

électrique et simple au niveau électronique.L’ATmega16 est un microcontrôleur 8-

bits de type RISC (Reduced Instruction Set Computer). Il sera utilisé dans le cadre

du laboratoire d’ELE-542 pour échantillonner un signal analogique et l’envoyer par

lien RS-232 à un PC qui fera le traitement et l’affichage de ce signal .

Port d’Entrée/Sortie

Tous les ports du microcontrôleur ont une vraie

fonctionnalité de « Lecture-Modification-Écriture »

quand ils sont utilisés comme un port d’E/S

numérique général.

Cela signifie que la direction d’une broche de port

peut être changée sans changement de direction

involontaire des autres broches avec les

instructions « SBI» et « CBI ». Pour plus de

détails sur les ports d’E/S.

Les broches d’Atmega 16

Port A (PA7... PA0) le Port A est un port d'entrée-

sortie à 8 bits bidirectionnel avec des résistances

internes de tirage (choisi pour chaque bit). Il sert

aussi pour les entrées analogiques du convertisseur

A/D.

Port B (PB7... PB0) le Port B est un port d'entrée-sortie à 8 bits bidirectionnel avec des

résistances internes de tirage (choisi pour chaque bit). Il sert aussi de comparateur

analogique (sortie sur PB2, PB3), ou de SPI.

VCC broches d'alimentation du microcontrôleur (+3 à +5V).

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GND masse de l’alimentation.

Choix de microcontrôleur

Notre choix du microcontrôleur et basé sur la comparaison des

performances deux type des microcontrôleurs PIC16F628 et ATMEGA 16.

D’après le tableau on a choisirai atmega 16 grâce au certaine paramètre qui ont le

convertisseur analogique / numérique.

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4. Capteur de niveau de la batterie :

Ce capteur permet de la lecture de niveau de batterie,

La tension U au borne de batterie varie de 0 à 24V à l’aide d’un diviseur de

tension on obtienne une tension entre 0 et 5V.

s

A partir des valeurs max de V=5V et

U=24V

On détermine les valeurs des

résistances :

R1=380Ω R2=100Ω

V varie entre 0 et 5V ce qui permet

de la convertir on numérique à l’aide d’un convertisseur analogique

numérique intégré au microcontrôleur

ADC0 : représente la valeur du convertisseur

analogique Numérique

A : la valeur de niveau de batterie en pourcentage

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5. Capteur d’accélération

La consigne de vitesse que nous allons envoyer au circuit de commande

d’onduleur est proportionnelle au niveau d’inclinaison de la pédale.

« ADC1 représente la valeur

d’inclinaison de la pédale »

Le 1ere convertisseur est réservé pour

le capteur de niveau de batterie.

Capteur de pédale est connecté à

l’ADC1

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6. Communication avec l’ordinateur

Schéma de câblage

Ce circuit est assuré la communication entre le pc portale et le

microcontrôleur.

Pour logiciel de diagnostic de la voiture on a créé notre propre interface

avec l’environnement suivant :

1. Langage : C Sharp.

2. Software : visuel C# pour construire la liaison avec USART du

microcontrôleur (ATmega16).

Schéma de fonctionnement :

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7. Afficheur LCD

Ce fonctionne permet de l’affichage continue du paramètre au

conducteur de voiture.

Affichage de la vitesse :

Indicateur de niveau de batterie :

La commutation entre les deux paramètres ce fait chuque 3 seconds

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8. Tachymètre

Ce capteur permet la lecture de la

vitesse réelle de la voiture

Le principe de fonctionnement se

résume à ce que la tension aux bornes

du tachymètre varie en fonction de la

vitesse Ω.

Avec Umax =10V et V= 5V

Donc R1=R2=100Ω

Après la conversion de la tension V en valeur numérique on détermine la

vitesse Ω, et finalement la vitesse on Km /h par l’équation suivant :

Avec R = 0.25 m rayon de la roue motrice

Et K coefficient du tachymètre U = K*N (tr /min)

La valeur de la vitesse si dessous va être affichée dans l’afficheur LCD

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9. Structure du programme

Le programme télécharger au microcontrôleur et constituer par 3 grand fonction

sont :

Fonction de convertisseur analogique numérique :

Capteur de la pédale

Niveau de batterie

Tachymètre (vitesse)

Bibliothèque d’afficheur LCD

Définir des caractères

Taille et le style d’écriture

Communication avec PC pour le diagnostic de partie de commande

Fonction principale qui assure la coordination, commande et contrôle

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IX. Partie financière

La partie qui concerne l’organisation des budgets et minimisation des pertes.

Désignation Fournisseur Montant

Composants Electrique et Electronique

C2Ez 1 627

Régulateur MPPT + équipements de connexion et câblage

YAKELEC 2 032

Convertisseur + appareille de protection

YAKELEC 3 010

Panneaux solaires ABOUNAIM MOUHAMMED 7 560

Extincteur Forvis 616

4 Roue MSM 4 700

Contacteur + des Boutons FIABEL 2 683

Note de frais 1 1 400

3 moteurs universels MSM 4 800

Variateur de vitesse FIABEL 1 802

volant SAROURI 430

4 Batterie YAKELEC 2 600

Soudage de chassie FANANE 5 000

Tube carrée acier 2 000

Réducteur de vitesse 3 000

Système de direction

4 200

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Casque + uniforme MOUATAIF 2 600

2 Roue de secours MOUATAIF 1 420

Moteur asynchrone CASAMES 2 500

2 batteries YAKELEC 1 200

Note de frais 2 2 000

armoire + bornier + canalisation compact électrique 1 230

ONDULEUR fadesol 8 490

Motorola radiofréquences Forvis 2 160

Les amortisseurs MSM 4 000

coussin automobile MSM 1 500

tournage MSM 5 000

Autre pièce mécanique MSM 5 000

Frais de location d’espace de travail (2 mois)

4 440

Note de frais 3 2 000

TOTAL 91 000

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X. Conclusion :

C'est avec le plus grand honneur que nous avons travaillé avec notre

équipe d'ingénieur pour la réalisation de ce projet, projet lancé sous l’égide du

Ministère de l’Energie, des Mines, de l’Eau et de l’Environnement, l’IRESEN en

partenariat avec en 1ère édition du Moroccan Solar Race Challenge.

Nous avons mobilisé tout notre savoir-faire en qualité d’ingénierie

électrique Mécanique et Automobile afin de rependre au cahier de charges et ainsi

relever les défis de réaliser une voiture 100% solaire.

Ce projet nous a permis de mettre aussi en pratique nos compétences en

matière du génie Électrique Mécanique et Automobile.

Les différents étapes de réalisation de notre projet nous a permis

l’acquisition d’autre points essentielle et bénéfique pouvant être essentielle et

importantes dans notre vie professionnelle à savoir :

Baguage technique d’énergie solaire

L’organisation du temps

L’Etude financier d’un projet

L’esprit du travail en groupe