Toiture à absorption thermique variable
Thème 2024 : l’ingénierie au service des enjeux énergétiques
Présentation
Objectif
Optimiser l’apport énergétique solaire dans une habitation au niveau de sa toiture.
Principe
Dispositif pour toiture permettant d’adapter ses capacités d’absorption thermique (par coloration en noir ou en blanc) selon le besoin du moment :
- l’été : réfléchir le rayonnement solaire
- l’hiver : absorber le rayonnement solaire
Ressources : https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/bilan-radiatif-terre1.xml
Matériel
- Capteur de température DS18B20
- Motoréducteur GM3 (chez Gotronic)
- Pilote de moteur DRV8876
- Arduino UNO
- Microrupteurs
Modélisation et Simulation
Modélisation multiphysique
Données pour paramétrage du modèle
- Parois en MDF :
- Masse volumique du MDF (parois) : \(\rho_b=926\;\text{kg/m}^3\)
- Chaleur spécifique du MDF : \(c_b=1880\;\text{J/K/kg}\)
- Conductivité thermique du MDF : \(\lambda_b=0,18\;\text{W/K/m}\)
- Air intérieur :
- Masse volumique de l’air : \(\rho_b=1,204\;\text{kg/m}^3\)
- Chaleur spécifique du MDF : \(c_b=1004\;\text{J/K/kg}\)
- Dimensions : (voir maquette volumique)
Mesures des grandeurs liées à l’irradiance
On mesure l’irradiance moyenne directement à l’aide d’un appareil de mesure placé à bonne distance et orienté comme la toiture.
- \(I_r=900\;\text{W/m}^2\)
On détermine le coefficient absorption de chaque couleur de toiture en mesurant le rayonnement réfléchi :
\(a=\frac{\Phi_{reçu}-\Phi_{réfléchi}}{\Phi_{reçu}}\)
- \(a_{noir}=95%\)
- \(a_{blanc}=67%\)
Maquette volumique
document OnShapeChaîne de puissance
Motoréducteur → vis+écrou (sur joint de Oldham)
Positionnement des butées
Travail à réaliser
3 activités partiellement indépendantes :
- Construire la maquette de la maison et sa toiture (découpe laser, impression 3D, …)
- Concevoir la motorisation sur le modèle volumique OnShape (Arduino UNO, servomoteur, …)
- Mesurer les écarts d’apport énergétique et automatiser le pilotage (Arduino UNO, capteurs de température et de luminosité, …)
TP Arduino préalables (avec le kit personnel)
- mettre en œuvre un capteur de température (LM35)
- acquisition analogique avec un potentiomètre
- piloter un servomoteur