Vieillissement mécanique de cellules photovoltaïques intégrées dans la structure composite des ailes d’un drone solaire

Mechanical aging of solar cells integrated into the composite structure of the wings of a solar drone

• Auteur / Autrice : Quentin Rouxel
• Direction : Pascal Casari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 11/07/2022
• Etablissement(s) : Nantes Université
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes ; 2004-....) - Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes ; 2004-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Vidal-Sallé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Antoine Dubos, Shahram Khazaie
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xiao-Jing Gong, Benoit Vieille

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites -- Fatigue

Drones terrestres

Photopiles

Mots clés libres

Cellule photovoltaïque

Matériau composite

Solar cell

Composite materials

Résumé

Afin de réduire les émissions de gaz à effet de serre, les missions de surveillance effectuées par hélicoptère ou avion, peuvent être réalisées par des drones, notamment électriques. Pour augmenter l’autonomie de ces drones, la société XSun a décidé d’intégrer des cellules photovoltaïques aux ailes de leurs drones. C’est dans ce contexte que ce travail de thèse, sur le vieillissement mécanique d’une cellule photovoltaïque intégrée à un matériau composite, est né. Les verrous scientifiques soulevés lors de l’étude tels que le fonctionnement d’une cellule photovoltaïque en fatigue ou le vieillissement de l’interface matériau composite-cellule photovoltaïque permettent d’apporter des réponses scientifiques à un problème industriel. Différents moyens ont été employés et développés afin de caractériser les matériaux constituant les ailes et la structure des ailes en elle-même. Des mesures à bord du drone ont été effectuées avec différents capteurs embarqués afin de suivre diverses grandeurs en vol. Les travaux de caractérisations et les mesures en vol ont permis de concevoir des essais de fatigue représentatifs du vieillissement en vol de la peau de l’aile du drone. Ces essais ont montré que les sollicitations subies en vol ont un impact mineur sur les propriétés mécaniques et électriques de la structure formée. Les caractérisations et mesures en vol alimentent également un modèle numérique étudiant l’influence de paramètres tels que le facteur de charge, la position des ailerons ou la température sur l’état mécanique de l’aile.

In order to reduce greenhouse gas emissions, surveillance missions carried out by helicopter or plane can be carried out with drones, in particular electric ones. To increase the autonomy of these drones, the company XSun has decided to integrate solar cells into the wings of their drones. It is in this context that this thesis, on the mechanical aging of a solar cell integrated into a composite material, was born. The scientific issues raised during the study, such as the operation of a photovoltaic cell in fatigue or the aging of the composite material-photovoltaic cell interface, make it possible to provide scientific answers to an industrial problem. Several means have been used and developed in order to characterize the constituent materials of the wings and the structure of the wings themselves. On board measurements were carried out with various on board sensors in order to monitor various quantities in flight. Characterization work and in-flight measurements have made it possible to design fatigue tests representative of the in-flight aging of the skin of the drone wing. These tests showed that the stresses observed in flight have a minor impact on the mechanical and electrical properties on the structure. Characterizations and in flight measurements also feed a numerical model. It allows the studying of the influence of parameters such as the load factor, the position of the ailerons or the temperature on the mechanical state of the wing.