7/28/2019 Bac2008_Suiveur de Trajectoire Solaire
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BACCALAUREAT GENERALSession 2008
Srie S Sciences de lingnieur
ETUDE DUN SYSTEME PLURITECHNIQUECoefficient : 4 Dure de lpreuve : 4 heures
Aucun document nest autoris.
Le matriel autoris comprend toutes les calculatrices de poche, y compris les calculatricesprogrammables alphanumriques ou cran graphique, condition que leur fonctionnement soit
autonome et quil ne soit pas fait usage dimprimante, conformment la circulaire n99 -181 du16 novembre 1999.
Les rponses seront communiques sur les documents rponses et des feuilles de copie.Il est conseill de traiter les diffrentes parties dans lordre.
SUIVEUR DE TRAJECTOIRE POUR PANNEAU SOLAIRE
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Figure 1
CONVERTIR
Panneau solairephotovoltaque
Energiesolaire
Energielectrique
RENDEMENT:15%
PRESENTATION DE LETUDE :
A - ENERGIE PHOTOVOLTAQUE
Face lpuisement programm des nergies fossiles et leur impact ngatif surlenvironnement, les nergies renouvelables simposent comme la solution davenir pour satisfairede faon durable les besoins nergtiques mondiaux.
Moins alatoire et plus facile capter que lnergie olienne, lnergie solaire est une sourcednergie 100% propre et disponible de faon quitable en tout point de la plante. Deux grandesfilires permettent dexploiter lnergie solaire : le solaire thermique et le solaire photovoltaque.
Dans le secteur du solaire photovoltaque(en croissance mondiale annuelle de + 30%)lnergie solaire est transforme en nergie
lectrique (fig. 1).Les panneaux photovoltaques assurent
une production dcentralise pour alimenterdes matriels portatifs ou satisfaire des besoinslocaux en des lieux isols, mais ils participentaussi la politique nergtique globale grce leur connexion aux rseaux de distributiondlectricit.
En France, linstallation dquipements photovoltaques permet aux particuliers comme auxentreprises daccder lautonomie nergtique en investissant long terme dans des matrielsfiables et sans entretien, tout en bnficiant daides financires et dun contrat de rachat par EDFde lnergie produite.
Le photovoltaque commence faire sa place au soleil.
B - INTERET DES SUIVEURSLorsquun panneau photovoltaque est
fixe par rapport au sol et orient vers le sud(i l t ti h i h d)
Figure 2
er
C
ou
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Anmomtre
ORGANISATION MATERIELLE DU SYSTEME ETUDIE
Figure 4
surproduction lectrique. Ce problme nadmet pas de solution unique puisque le prix de rachat dellectricit varie selon les pays de la communaut europenne ( titre indicatif, en France :0,55/kWh pour un panneau fixe contre 0,30/kWh pour un panneau suiveur).
C - SYSTEME SUIVEUR DE TRAJECTOIRE SOLAIRE Parmi lensemble des technologies mobilisables pour rpondre cet enjeu, deux familles de
solutions saffrontent :- les suiveurs programms (ncessitant des calculs de prvision de la trajectoire solaire) ;- les suiveurs capteurs (ncessitant la dtection en temps rel de la position solaire).Dans la deuxime famille de solutions, la prsente tude retient le suiveur
DegerTraker 300EL, modle dentre dune gamme innovante de suiveurs pour panneauxphotovoltaques conus par la socit allemande DegerEnergie et destins tre installs sans
aucune modification dans une large zone gographique.
Le fonctionnement de cette famille de suiveurs ne requiert :- aucun programme, aucun calcul de trajectoire, aucune donne informatique ;- aucune liaison avec un ordinateur gourmand en nergie, ni mise en rseau ;- aucun potentiomtre de mesure dangle du panneau, aucun moteur pas pas ;
ce qui simplifie leur conception et rduit leur consommation nergtique.
Le fonctionnement est supervis uniquement par les 2 capteurs solaires DegerConecter (fig. 4) qui commandent le suiveur de faon placer en permanence le panneau solaire face ausoleil, de faon capter le maximum de rayonnement solaire direct.
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PARTIE n1 : APPROPRIATION DE LA PROBLEMATIQUE DE SUIVI SOLAIREAPPROPRIATION DU SYSTEME
(Dure conseille : 30 min.)
Un panneau solaire fixe dune surface de 3 m2 (soit environ une puissance de 370 W) produitpar jour densoleillement 5 kWh (kiloWattheure) dnergie lectrique.
La mme installation, mais quipe dun suiveur, peut fournir jusqu 10 kWh par jour.
Le document DT4 prsente les principales caractristiques fournies par le constructeur. Question n1A: A laide de ce document, prciser lnergie consomme par le suiveur 300ELpendant une anne. En dduire, lnergie consomme en moyenne par le suiveur pendant 1 jour,en considrant une consommation uniforme pendant 365 jours.
Question n1B : Dans le cas dun panneau de 3 m2, quip dun suiveur 300EL et produisant10 kWh par jour, calculer en % le rapport entre lnergie consomme par le suiveur et lnergielectrique produite par le module photovoltaque par jour densoleillement. Commentersuccinctement le rsultat obtenu du point de vue du niveau de la consommation propre du suiveur.
PROBLEMATIQUE DE LA TRAJECTOIRE SOLAIREEn un point de la surface terrestre, le rayonnement solaire est difficile capter car la position
apparente du soleil dans la vote cleste ne cesse de changer. Les mouvements relatifs de laTerre par rapport au soleil sont dcrits par les lois complexes de lAstronomie.
Coordonnes du Soleil :Pour un observateur situ en un lieu prcis de la surface terrestre (latitude + longitude), la
position du soleil dans le ciel, un instant donn (date + heure), peut tre repre par2 coordonnes angulaires (fig. 5) :
- LAZIMUT : angle mesur par rapport au sud dans un plan horizontal,- LELEVATION: angle mesur par rapport lhorizontale dans un plan vertical.
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Figure 7
Dans lhmisphre nord, quel que soit le lieu considr, la trajectoire du soleil atteint sonapoge lors du solstice dt : le 21 ou 22 juin, aux alentours de 14 h (heure locale dt). A cetinstant, llvation du soleil est maximale. Le solstice dt est aussi le jour le plus long de lanne :
lamplitude de lazimut entre le lever et le coucher du soleil atteint alors sa valeur maximale.Chaque jour de lanne, le panneau solaire doit suivre le soleil dans lamplitude de sondplacement.
Question n1C : Dans le cas dun panneau photovoltaque install au Mans et pour le jour leplus long de lanne, prciser sur votre copie, laide de la figure 6, page 3 :
- les valeurs minimale et maximale de llvation et lazimut du soleil ;- la dure maximale du rayonnement solaire entre le lever et le coucher du soleil.
Les documents DT1 et DT2 montre le suiveur 300EL en situation, dans 3 configurationsdiffrentes et en vue clate. Le document DT3 dcrit lorganisation fonctionnelle du suiveur etcelle de la chane dnergie dlvation. Question n1D : A laide de ces documents, identifier sur votre copie chacune des solutionsconstructives S1 S5 qui ralisent les fonctions techniques associes : rpondre en prcisant ladsignation des principaux composants concerns.
PARTIE n2 : ETUDE DU PRINCIPE DE LA DETECTION SOLAIRELobjectif est dtudier comment la constitution du capteur solaire permet de suivre la
trajectoire du soleil.Ltude est limite la phase de suivi avec un fort rayonnement solaire direct.
(Dure conseille : 40 min.)
Pointage optimal du panneau :Pour que la production photovoltaque
it i l l t
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Figure 10
-30
+30
ECLAIREMENT DES CELLULES en %
0 20 40- 20- 40 en
100%Cellule n1 SZR Cellule n2 SZL
Cellule n3 SZH
O
Soleil
0
DegerConecter
Cellule n1 SZR Cellule n2 SZL
Arte
Cellule n1 Cellule n2
Cellule n3
PYRAMIDE base triangulaire
Arte
Constitution dun capteur solaire : Figure 9Le DegerConecter prsente la forme
dune pyramide base triangulaire et constitue
un capteur capable de percevoir la prsence etla position relative dune source lumineuse.Chaque capteur est compos de 3 cellulessensibles lclairement solaire (fig. 9).
Principe physique du capteur solaire :Pendant la phase de suivi solaire, les
cellules n1 et n2 sont constamment, maisdiffremment, exposes aux rayons du soleil.
En effet, quand le soleil se dplace, ilapparat un angle relatif entre la direction desrayons du soleil et la normale au panneau, cequi provoque un clairement diffrent descellules n1 et n2, situes de part et dautre delarte frontale du capteur (fig. 10).
Pendant la phase de suivi, la cellule n3oriente vers larrire du panneau reste dans
lombre sans tre directement claire.Le but recherch par le constructeur
est de raliser ainsi un capteur de langle .
Comportement exprimental :Un essai en laboratoire a permis de
mesurer en fonction de langle , les tensions
d f (VSR VSL VSH) dli l 3
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A tout instant, la carte lectronique contenue dans le capteur solaire amplifie, l'aide dunamplificateur de diffrence, la tension VA = V1 V2qui est fonction de langle , et commande lemoteur (dans le sens adquat) de faon rejoindre la position = 0 (fig. 12).
Exemple : Si VA > 0 V, cela signifie que le suiveur est en retard par rapport au soleil, lesuiveur est donc mis en action afin de compenser ce retard jusqu' ce que la tension VA = 0 V.
Le schma structurel de lamplificateur de diffrence est fourni sur le document DT4. Question n2B : A partir de la relation entres / sortie et des valeurs des rsistances associesfournies sur le document DT4, dmontrer par calcul, sur votre copie, que : VS = 20.(V1 - V2).
Question n2C :A laide du schma fonctionnel des fonctions ACQUERIR VA = K1. et EFFECTUER la diffrence (fig. 12), en dduire par calcul que VS = 20.K1.. A partir de la
courbe VA = f() (fig. 13) et des relevs exprimentaux, calculer la valeur du coefficient K1.
Tableau des relevs exprimentaux -10,3 -8,3 -6,2 -4,1 -2,0 0 2,2 4,2 6,3 8,4 10,5
VA -29 -23 -17 -11 -5 0 4 9 14 20 26 mV
Figure 13 : Courbe caractristique VA = f()
Angle
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90
0
Positionde scurit
75
Figure 15
Horizon
Elvation
PARTIE n3 : ETUDE DE LA COMMANDE DES MOUVEMENTS
Lobjectif est dtudier comment on obtient lamplitude et le sens des mouvementssouhaits du suiveur de trajectoire solaire.
Ltude est limite laxe dlvation.(Dure conseille : 50 min.)
Llvation minimale du soleil est obtenue son lever et son coucher et gale 0(horizon). Llvation maximale du soleil est fonction de la latitude du lieu dinstallation.
En fait, dans sa configuration dorigine, lesfins de course du vrin dlvation sont rglespar le constructeur pour atteindre la position
lvation = 75 lorsque la tige du vrin estcompltement rentre (fig. 15).Cette position correspond la position de
scurit du panneau dans laquelle il se place encas de vent violent ou pendant la nuit.
Dans cette position, la faible inclinaisonrsiduelle du panneau (15 par rapport lhorizontale) est destine le protger des effets
du vent, tout en permettant le ruissellement deleau de pluie et la fonte de la neige accumulesur le panneau solaire.
La figure 16 du document rponse DR3 reprsente linstallation solaire dans la vue planecorrespondant la position particulire (azimut = 0, lvation = 0 (horizon)) avec un schmacinmatique incomplet qui modlise le comportement du systme pendant la phase de rglage dellvation. Sur cette figure, la constitution interne du vrin dlvationnest pas dtaille.
Question n3A: Modliser les liaisons du vrin dlvation : rpondre sur la figure 16 en
l l h i d 2 li i SE2 / SE5 SE4 / SE1
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Question n3E : Calculer successivement, le nombre de tours de vis n vis puis le nombre detours des cames ncameset enfin langle de rotation des cames cames (en degrs) qui correspondent la course utile Cu du vrin ?
NOTA : Le rglage angulaire des cames de fin de course qui en rsulte ne sera pas tudi.
La figure 19 du document rponse DR1 reprsente le schma lectrique du pont en H dumoteur M2 dlvation, dans un cas particulier de fonctionnement (IM, UM).
Question n3F : Sur le document rponse DR1, complter le tableau en indiquant l'tat (bloquou satur) de chaque transistor MOS dans le quadrant particulier de fonctionnement de lafigure 19. Tracer en couleur sur cette figure le sens de circulation du courant IM dans ce cas
particulier de fonctionnement. Question n3G : Sur les figures 20 et 21 du document rponse DR2, complter le schmalectrique partiel du pont en H en reprsentant le symbole des deux diodes D1 et D2 (*) surchaque microcontact de fin de course, sachant que :
- chaque microcontact est du type NF (normalement ferm) avec une diode branche enparallle ;
- le moteur doit pouvoir redmarrer dans lautre sens lorsquun contact de fin de course estouvert ;
- le branchement des 2 diodes doit respecter les conventions lectriques (UM et IM) indiquessur les figures 20 et 21.
(*) Rappel : Lorsque la diode est passante, elle est quivalente un interrupteur ferm entre Anode et Cathode ensens direct.
Lorsque la diode est bloque, elle est quivalente un interrupteur ouvert entre Anode et Cathode en
i
Symbole d'une diode
CAnode Cathode
I
Sens
direct
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Figure 24Figure 23
90
60
PARTIE n4 : ETUDE DE LIRREVERSIBILITE DE LA CHAINE DENERGIE
Lobjectif est dtudier comment le panneau est immobilis entre 2 oprations depointage quand les moteurs sont larrt.
Ltude est limite laxe dlvation.(Dure conseille : 40 min.)
Lorsque le pointage en direction du soleil est correct, le suiveur doit maintenirtemporairement le panneau solaire immobile, en quilibre, pour garantir une productionphotovoltaque optimale.
Hypothse: On ne sintresse quau poids du panneau solaire et on nglige les effets dusau frottement dans les liaisons et au vent.
Dans la position particulire reprsente sur la figure 16 du document rponse DR3(azimut = 0), un logiciel de simulation mcanique a permis de dterminer la position du centre degravit G de lensemble (E) mobile pendant la phase de rglage de llvation et sa masse totaleM = 68,2 kg (fig. 23).
Une courbe de simulation montre, dans ces condi tions, lvolution de la norme du momentdu poids de lensemble mobile par rapport laxe dlvation, en fonction de langle dlvation de0 75 (fig. 24).
(E) : Ensemblemobile pendant laphase de rglage
de llvation
Moment du poids en N.m x 100
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Figure 26
EST OUEST
Sens - Sens +
POSITION DESECURITE
0
Panneauen scurit
VENT
VIOLENT
NUIT
Sol
Figure 27
MoteurPont en HSoleil
Vent
PRIORITE du VENT sur le SOLEIL :
B ti d
Mode "suivi"
KA1
KA1
+22V
+22V
0
Ordre de commande
PARTIE n5 : CONCEPTION DUN DISPOSITIF DE SECURITE
Situation dtude : Lobjectif est de concevoir un dispositif permettant de mettre enposition de scurit le panneau en cas de vent violent ou pendant la nuit.
Ltude concerne les fins de course de laxe dazimut.(Dure conseille : 30 min.)
En cas de vent violent ou pendant la nuit,le panneau solaire doit tre protg et plac enposition horizontale de scurit (fig. 26).
Pour le vrin dlvation, la mise en
scurit se traduit par la rentre complte de latige jusqu la fin de sa course (fonctionnementtudi la partie n3).
Mais pour laxe dazimut du suiveur300EL, la mise en scurit du panneau nestpas oprationnelle car ses 2 contacts de fin decourse sont dj utiliss pour la dtection desazimuts extrmes : Est et Ouest, alors que laposition de scurit panneau horizontal correspond lazimut = 0 (fig. 26).
La mise en scurit du panneau estprioritaire sur le mode suivi . Elle estassure par un botier de contrle (disponibleen option) qui agit grce des relais surlalimentation du moteur (fig. 27).
Lt d d d d b t d
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La dtection des fins de course au moyen de microcontacts et de cames est frquemmentutilise sur les systmes automatiss. Cette solution est la fois simple et peu onreuse. Pour ledispositif concevoir, ce choix technologique est conserv.
Etat physique du microcontact "a"
0
1
Positionangulaire
- 140 + 1400Etat physique du microcontact "b"
0
1
- 140 + 1400Etat physique du microcontact "c"
0
1
- 140 + 1400Etat physique du microcontact "d"
0
1
- 140 + 1400
Matin
(- 140)
Midi
(0)
Soir(+ 140)
"a"
"b"
"a"
"b"
"a"
"b"
CAME "45"
CAME "44"
CAME "Sens"
CAME "Milieu"
Position angulairedes cames
"a"
"b""c"
"d"
(+)
CAME"45"
CAME"44"
angle a1 = 3
concevoir
concevoir
PRINCIPE ACTUEL DE LA DETECTION DES FINS DE COURSE
Dispositif concevoir
Positionangulaire
Positionangulaire
Positionangulaire
LOGIGRAMME DU DISPOSITIF A CONCEVOIR
Figure 28
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0
90
+
90
CapteurAzimut
HorizonE t Horizon
Angle derotation ?
Panneau enposition de
it
Lever dusoleil
Rayonnement solaire
Figure 31
Question n5C : Prciser sur votre copie quel paramtre gomtrique de lesquisse de lapage 11 doit tre modifi. Proposer une valeur pour ce paramtre.
Question n5D : Sur la figure 29 du document rponse DR2, dessiner main leve la solutionretenue, en prenant en compte la position angulaire que doit avoir la came sens dans laconfiguration particulire midi .
Question n5E : Pour conclure, sur la figure 30 du document rponse DR2, laide de la tablede vrit et des symboles lectriques des composants utiliser (voir tableaux, page 10), complterle schma lectrique de puissance du moteur dazimut M1 afin dobtenir le fonctionnement dsir.
PARTIE n6 : ETUDE DE LALIMENTATION EN ENERGIE
Lobjectif est dtudier lefficacit du convertisseur qui permet daccumuler lnergiencessaire au redmarrage du suiveur.
Ltude concerne laxe dazimut.(Dure conseille : 20 min.)
Dans le cas dune alimentation directe du suiveur par le module photovoltaque, leredmarrage du suiveur pose un problme dorientation, le matin.
En effet, le panneau ayant pass toute lanuit en position horizontale de scurit, il setrouve au lever du soleil lazimut = 0 alorsque les rayons du soleil proviennent delhorizon (fig. 31).
Lalimentation du suiveur, en nergiephotovoltaque, nest donc pas assure alorsque le capteur dazimut (de par sa formepyramidale) dtecte la prsence du soleil et est
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Question n6C : Justifier que le modle simplifi (fig. 32) est satisfaisant du point de vue dutemps en comparant T et T (lu sur loscillogramme du DT4).
La courbe de la figure 33 ci-dessous est le rsultat dune simulation de dclration dumoteur pendant la phase de dcharge du condensateur dcrite la page 12.
La dure de cette simulation est suprieure la dure calcule T .
Question n6D : En dduire langle de rotation du panneau pour le temps T calculprcdemment.
Figure 33
Rotation de la tte dazimut en degr
Temps en seconde
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DT1
8SISCME/LR1
PANNEAU SOLAIRE AVEC SUIVEUR DEGERTRAKER 300 EL DANS 3 CONFIGURATIONS (panneau de dimensions rduites)
Matin Midi Soir
Cames et fin de course de latte dazimut
Cames et fins de coursedu vrin dlvation
Rotation de la tte dazimutRente du vrin dlvation
Rotation de la tte dazimut Sortie du vrin dlvation
Horizon
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DT2VUE EN ECLATE
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DT3FAST DE DESCRIPTION FONCTIONNELLE
Fonction de service Fonctions techniques Solutions techniques
FS1 : POINTER
LE PANNEAUSOLAIRE
EN DIRECTION
DU SOLEIL
Alimenter
en nergie
Panneau solaire +
Convertisseur dnergie
Rgler langledazimut
du panneau solaire
Tourner le panneauselon laxe dazimut
vers le soleil
Acqurir la positionrelative du soleil
DegerConecterdazimut
Moduler lnergielectrique
Carte lectronique +Pont en H
Convertir lnergie Wlecen Wmca de rotation
Moteur lectrique M1
Adapter lnergie
Wmca de rotation
Rducteur R1
Transmettre le mvt derotation au panneau
Axe dazimut + Plaqueset querres de fixation
Guider en rotation lepanneau solaire
Axe dazimut + Palierslisses + Carters
Dtecter les positionsextrmes du panneau
Rducteur R2 + Cames +Micros contacts fdc
Rgler langle
dlvationdu panneau solaire
Tourner le panneau
selon laxe dlvationvers le soleil
Acqurir la position
relative du soleil
S1 : ? (sur copie)
Moduler lnergielectrique
Carte lectronique +Pont en H
Convertir lnergie Wlecen Wmca de rotation
S2 : ? (sur copie)
Adapter lnergieWmca de rotation
S3 : ? (sur copie)
Transformer le mvt de
t ti t l ti
S4 : ? (sur copie)
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DT4CARACTERISTIQUES TECHNIQUES (extrait)
SUIVEUR 300 EL Cas dun panneau photovoltaque de 3 m2Masse maximale du module solaire 55 kg
Systme de contrle DegerConecter
Botier de contrle En optionCommande dazimut Engrenages inclus dans la tte
Commande dlvation Actionneur linaire, course 200 mm
Alimentation Directement partir du module solaire (ou option)
Energie consomme par an 1 kWh
Energie photovoltaque produite Jusqu 10 kWh par jour
Zones dutilisation possibles Entre 25 et 90 de latitude
AMPLIFICATEUR DE DIFFERENCE DE TENSION
Schma structurel simplifi
SZL
V2
V1
+
-
+-
+-
SZH
SZR
+-
VS
R2
200 k
R1
R3
R4
RA
200 k
10 k
10 k
12
3
R l ti t / ti
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DR1
Dbut
Fin
> +1
< -1
SP2SP1
ALGORIGRAMMES : Programme principal partiel
Sous programme SP1 Algorithme de SP1 Sous programme SP2( complter) ( complter)
Dbut-----------------------------------
D b u tDbut
Sens = +1
> 0
Conventions :Sens = +1 (rotation dans le sens diminuer lazimut )Sens = 0 (arrt du moteur M1)
Sens = -1 (rotation dans le sens augmenter lazimut )
Structures proposes :(Si ... Alors ... FinSi)(Tant que ... Faire ... Fin Tant que)(Faire ... Tant que)
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DR2Figure 20 :
Figure 21 :
Figure 29Panneau solaire orient en position midi
Came 45 Came 44
140
C2C1
C2C1
IM
IM M2
UM
A
Placer ici la diode D2
B
Placer ici la diode D1
M2
UM
AB
NOTA : Les grandeurs UM et IM indiques correspondent au redmarrage du moteur.
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DR3
8SISCME/LR1
AEchelle 1 : 3
A0
B0
C0
D0