Titre : LUMOS - Système de Stockage d’Énergie Solaire Innovant et Durable

Description sommaire

LUMOS est un système de stockage d’énergie solaire utilisant l’énergie potentielle gravitationnelle pour stocker l’électricité produite par des panneaux solaires, offrant une solution écologique et efficace pour répondre aux besoins énergétiques croissants.

Description détaillée

Le projet LUMOS vise à développer un système de stockage d’énergie innovant qui convertit l’énergie solaire en énergie potentielle gravitationnelle. Le système utilise l’électricité générée par des panneaux solaires pour élever des poids, stockant ainsi l’énergie sous forme potentielle. Lorsque l’électricité est nécessaire, les poids sont relâchés, faisant tourner un générateur pour produire de l’électricité. Cette approche offre une alternative durable aux batteries chimiques traditionnelles, avec une durée de vie plus longue et un impact environnemental réduit.

Enjeux à résoudre (Why)

Le projet LUMOS vise à relever les défis cruciaux du stockage d’énergie dans le contexte du virage énergétique du Québec. Face aux limitations des batteries lithium-ion, notamment leur impact environnemental, leurs coûts élevés et les enjeux géopolitiques liés à leur production, notre solution propose une alternative innovante basée sur l’énergie potentielle gravitationnelle. Ce système répond à plusieurs enjeux majeurs : il permet de lisser la demande énergétique pendant les périodes de pointe, soutient la transition vers les énergies renouvelables, et offre une solution durable et écologique. En plus d’être accessible et pratique, notre approche présente l’avantage d’une longue durée de vie avec un entretien minimal. Ce projet s’inscrit parfaitement dans les objectifs d’Hydro-Québec et du gouvernement québécois pour un avenir énergétique durable, tout en offrant une opportunité unique d’innovation technologique et de sensibilisation du public aux enjeux énergétiques actuels.

Limitations des solutions de stockage actuelles (batteries lithium-ion)

• Dépendance aux métaux rares et difficultés d’extraction
• Enjeux géopolitiques liés aux gisements et à la chaîne d’approvisionnement
• Problèmes éthiques liés à l’exploitation de la main-d’œuvre dans certaines régions
• Pollution à long terme due au stockage des batteries usagées
• Risques pour la santé publique (incendies, explosions, fuites)
• Coûts élevés d’acquisition et de remplacement
• Durée de vie limitée (environ 5 ans) et obsolescence programmée

Alignement avec le virage énergétique du Québec

• Soutien aux initiatives d’Hydro-Québec et du gouvernement pour l’adoption de l’énergie solaire
• Contribution à la vision d’un avenir énergétique durable pour le Québec
• Gestion de la vente d’énergie sans compromettre les besoins locaux

Gestion de la demande énergétique

• Lissage de la demande pendant les périodes de pointe (ex: 17h-21h en hiver)
• Réduction de la pression sur le réseau électrique
• Amélioration de la stabilité du réseau en période de forte demande

Transition vers les énergies renouvelables

• Solution de stockage pour l’énergie solaire produite localement
• Alignement de la production d’énergie solaire avec les pics de consommation
• Alternative aux solutions de gestion de la demande contraignantes

Durabilité et écologie

• Utilisation de principes mécaniques simples (gravité, énergie potentielle)
• Réduction de la dépendance aux matériaux rares et polluants
• Minimisation de l’impact environnemental à long terme

Accessibilité et praticité

• Développement d’une solution de stockage abordable
• Facilité de mise en œuvre et d’entretien
• Longue durée de vie avec un minimum d’investissement récurrent

Innovation technologique

• Exploration de nouvelles méthodes de stockage d’énergie
• Application de principes scientifiques (énergie mécanique, potentielle, électrique) à des problèmes concrets
• Possibilité d’expérimentation à différentes échelles (petits et grands bancs d’essai)

Éducation et sensibilisation

• Opportunité de vulgarisation scientifique
• Sensibilisation aux enjeux énergétiques actuels
• Promotion de solutions innovantes et durables auprès du public

Schéma initial

Approche technique (Comment)

1. MARK 1: Banc d’essai de table (petit modèle)

• - Panneau solaire miniature (5-10W)
• - Système de poulies et d’engrenages miniaturisé
• - Poids légers (100g - 1kg)
• - Générateur miniature
• - Système de contrôle Arduino ou Raspberry Pi
• - Capteurs pour mesurer la puissance générée et stockée

2. MARK 2: Banc d’essaie horizontal (doublé)

• Doublons le premier prototype en ajoutant une seconde structure
• Avec son propre poid
• Tenter de réutiliser la tige du premier montage, mais plus longue
• Le système doit être adaptatif:
  • laisser descendre le premier poid (poid 1 tient la tige, poid 2 non)
  • une fois descendu, passer au second poid (poid 1 ne tient pas la tige, poid 2 oui)

2. MARK 3: Banc d’essai grandeur nature (6 pieds)

• Panneau solaire standard (250-300W)
• Système de poulies et d’engrenages robuste
• Poids lourds (50-200kg)
• Générateur électrique de taille moyenne
• Système de contrôle informatisé
• Instruments de mesure de précision pour l’énergie

3. Développement logiciel

• Algorithme d’optimisation pour la charge et la décharge
• Interface utilisateur pour le contrôle et la surveillance
• Système de prédiction de la demande énergétique

Gestion du projet

1. Planification

- Établir un calendrier détaillé avec des jalons clairs
- Définir les rôles et responsabilités de chaque membre de l’équipe
- Créer un budget prévisionnel

2. Recherche et développement

- Effectuer une revue de littérature approfondie
- Consulter des experts en énergie solaire et en mécanique
- Prototyper et tester différentes configurations

3. Construction et tests

- Assembler les bancs d’essai (petit et grand modèles)
- Réaliser des tests rigoureux et collecter des données
- Optimiser le système en fonction des résultats

4. Documentation et présentation

- Rédiger un rapport détaillé (40% des points)
- Créer des affiches informatives et attrayantes
- Préparer une présentation orale convaincante

5. Logistique

- Organiser un espace de travail dédié (QG)
- Planifier le transport du projet pour l’exposition
- Vérifier la conformité aux règlements de l’exposition

Jalons (Milestones)

1. Mois 1 : Finalisation du plan de projet et de la recherche initiale
2. Mois 2 : Achèvement du prototype de table fonctionnel
3. Mois 3 : Premiers tests et optimisations du petit modèle
4. Mois 4 : Début de la construction du grand modèle
5. Mois 5 : Finalisation du grand modèle et tests comparatifs
6. Mois 6 : Rédaction du rapport et préparation des supports visuels
7. Mois 7 : Répétitions de la présentation et ajustements finaux
8. Mois 8 : Participation à l’Expo-Sciences

Fonctionnement

Voici un diagramme Mermaid qui illustre le circuit principal des composantes de votre système, en prenant en compte les différents scénarios que vous avez décrits :

Explication du diagramme

Ce diagramme montre comment le système peut fournir de l’énergie à partir du panneau solaire et du système de masse, tout en permettant l’apport de la grille électrique si nécessaire. Ce système intégré permet une gestion flexible et efficace de l’énergie, en combinant l’énergie solaire, le stockage mécanique (masse), le stockage électrochimique (batterie), et l’apport de la grille électrique. Le contrôleur de charge joue un rôle central en orchestrant ces différentes sources et destinations d’énergie pour répondre de manière optimale à la demande de l’utilisateur tout en maximisant l’utilisation des sources renouvelables.

1. Le soleil fournit de la lumière au panneau solaire.
2. Le panneau solaire convertit la lumière en électricité.
3. L’électricité passe par un contrôleur de charge qui gère la distribution.
4. Le contrôleur de charge est connecté à une batterie qui peut stocker ou fournir de l’énergie selon les besoins.
5. Si il y a un excédent d’énergie (après avoir satisfait la demande de l’utilisateur et chargé la batterie si nécessaire), il est envoyé au moteur.
6. Le moteur fait tourner le gearbox qui élève la masse.
7. Quand la masse atteint le haut, un capteur envoie un signal au contrôleur.
8. Lors de la descente, la masse fait tourner le gearbox.
9. Le gearbox fait tourner une dynamo qui produit de l’électricité.
10. L’électricité de la dynamo est envoyée au contrôleur de charge.
11. Quand la masse atteint le bas, un capteur envoie un signal au contrôleur.
12. Le contrôleur de charge fournit de l’électricité à l’utilisateur, en puisant dans les sources disponibles selon la priorité : panneau solaire, batterie, système de masse, et enfin grille électrique.
13. La grille électrique peut aussi fournir de l’électricité via le contrôleur si les autres sources sont insuffisantes.
14. Le contrôleur gère le fonctionnement du moteur et de la dynamo selon les besoins.

La batterie joue plusieurs rôles cruciaux dans ce système :

• Elle stocke l’excès d’énergie du panneau solaire quand la production dépasse la demande et que le système de masse est déjà “plein”.
• Elle fournit de l’énergie quand la demande dépasse la production solaire et que le système de masse est “vide”.
• Elle sert de tampon pour lisser les fluctuations de production et de demande, améliorant la stabilité du système.
• Elle stocke l’énergie produite par la dynamo lors de la descente de la masse, si cette énergie n’est pas immédiatement utilisée.
• Elle peut être utilisée comme source d’appoint rapide en cas de pic de demande, avant même que le système de masse ne soit activé ou que la grille ne soit sollicitée.

Assemblages

MARK 1

MARK 2

On double la capacité par la croissance horizontale (scale out plutôt que scale up)

Dimensions (cm) excluant la tête
60 hauteur x 40 largeur x 20 hauteur

Pièces

Moteurs

https://www.pololu.com/category/186/12v-high-power-hp-25d-mm-gearmotors

• Avec ou sans “encodeur”. Un encodeur permet de spécifier combien de degré de rotation le moteur fait. Sans encodeur, quand il y a de l’électricité le moteur force.
• Les “gear ratio”. Spécifie l’équivalent d’une transmission (gear box) intégrée au moteur. Par exemple, un ratio 1:1 veut dire aucun changement, alors que 99:1 veut dire que le moteur va tourner 99 fois moins vite, mais il sera 99 fois plus fort!
• Le RPM. C’est le nombre de rotation par minute. Par exemple, les 1:1 sont à 10000 RPM (ils tournent vite) alors que les 34:1 sont à 300 RPM. C’est mesuré sans charge dessus.
• “Extrapolated Stall Torque”. C’est la charge la plus pesante que le moteur peut soutenir, c’est-à-dire si on lui donne de l’électricité, il peut supporter quelle masse sans bouger. Donc si moins de masse: il va commencer à la faire monter. Si plus de masse: même en forçant la masse va descendre. Note: Les blocages peuvent également entraîner des dommages thermiques rapides (potentiellement de l’ordre de quelques secondes) aux enroulements et aux balais du moteur ; une recommandation générale pour le fonctionnement des moteurs DC à balais est de maintenir le courant à 25 % ou moins du courant de blocage.

→ Ce serait à tester, mais à priori un moteur sans encodage comme ceux ci pourrait aussi servir comme dynamo !

Générateur (dynamo, alternateur, …)

Chercher autour d’un Générateur DC 12 V (ex. DALY DC Generator)

Moteur et générateur intégré

Exemple: https://www.amazon.ca/-/fr/Moteur-courant-continu-permanent-G%C3%A9n%C3%A9rateur/dp/B0B21YW465

Batterie

…

Circuit

…

Idées à explorer

• Idée pour le projet Lumos ça serait d’avoir une structure à l’intérieur des pylônes de transport électrique (renforcé).
  • Ça fait beaucoup d’espace déjà utilisable
  • Ils sont déjà collé sur le gros circuit pour ajouter du courant

• On pourrait utiliser l’intelligence artificielle pour prédire la température et le temps d’ensoleillement le lendemain afin de changer automatiquement le rapport de force dans la transmission pour optimiser le rendement

• On pourrait utiliser l’intelligence artificielle (modèle voix à voix) pour les interactions avec le système

• Faire le tour des subreddits qui pourraient parler de ça pour regarder, s’inspirer et demander de l’aide.
  • Demande à perplexity.ai
  • Question: can you find some good subreddits to help with my project of storing electrical energy in the form of a gravity mass battery ?
  • Réponse: Based on the search results, there are a few subreddits that could be helpful for your project on storing electrical energy using a gravity mass battery:
    • Relevant Subreddits

      • r/RenewableEnergy: This is a large subreddit with 131,000 members focused on renewable energy technologies. While not specifically about energy storage, it covers new renewable technologies and could provide useful information and discussions related to your project.
        https://www.reddit.com/r/RenewableEnergy/

      • r/EnergyStorage: This subreddit is specifically dedicated to energy storage technologies. It includes discussions on various forms of energy storage, including batteries, capacitors, and supercapacitors. Your gravity mass battery project would likely fit well within the scope of this community.
        https://www.reddit.com/r/EnergyStorage/

      • r/Renewable: Although not mentioned in detail in the search results, this subreddit appears to cover renewable energy topics. It may have discussions on energy storage solutions, including innovative concepts like gravity batteries.
        https://www.reddit.com/r/Renewable/

    • Additional Resources: https://energy.feedspot.com/energy_storage_blogs/
      • While not subreddits, you might also find valuable information from:
      • Energy Storage News: This is listed as one of the top energy storage blogs and could provide current developments in the field2.
      • Utility Dive’s Energy Storage News: This resource offers in-depth journalism on trends shaping the electric power sector, including energy storage2.
      • California Energy Storage Alliance (CESA) blog: This advocacy group’s blog could provide insights into the latest developments in energy storage technologies2.
      • When engaging with these communities, be sure to read their rules and guidelines before posting. You may find valuable discussions, resources, and potentially connect with others working on similar projects or with expertise in energy storage technologies.
• Utiliser des fils électriques de couleurs différentes pour pouvoir faire la distinction des circuits. Par exemple:
  • bleu et orange autour de la batterie
  • vert et blanc du panneau solaire
  • noir et rouge pour aller vers la prise extérieure
• Mettre des lumières LED à l’intérieur du cadre pour éclairer même derrière des panneaux solaires
  • Pourrait être sur un autre circuit pour garder le circuit solaire / masse “pure”
• Panneau d’affichage pour les différentes forces qui sont dans le système
  • combien on capte des panneaux solaires
  • l’énergie dans la batterie
  • combien qu’on est capable de sortir quand on est en train de consommer par la masse