Routeur solaire
Ce routeur solaire a été conçu pour exploiter au maximum l’énergie électrique produit par un ensemble de 6 panneaux photovoltaïques. Le concept est simple: l’objectif est de chauffer l’eau d’un chauffe-eau électrique avec le maximum d’énergie produite par des panneaux photovoltaïques et de minimiser la réinjection de production sur le réseau public.
Le chauffe-eau électrique a les caractéristiques suivantes:
- Contenance: 200 litres
- Puissance: 2200 W
- Consommation 2,7 5,3 kWh par jour en moyenne
L’énergie photovoltaïque est produite par un suiveur solaire d’une puissance maximale de 1500 W (soit 6 panneaux). D’ores et déjà, il apparaît que la puissance maximale de 1500 W des PPV (panneaux photovoltaïques) ne permet pas à elle seule de fournir la puissance de 2200 W absorbée par le chauffe-eau. D’autres parts, la puissance fournie par les panneaux dépend de l’ensoleillement. Par temps couvert, la puissance disponible s’effondre pour ne fournir parfois que quelques dizaines de watts dans la journée à certaines heures. Dans ces conditions, il parait judicieux d’appliquer au chauffe-eau une puissance proportionnelle et équivalente à l’énergie solaire produite et de réguler la puissance délivrée au chauffe-eau pour la calquer sur celle produite par les panneaux.
Fonctionnement:
La solution retenue a été de « découper » la puissance absorbée (arrondie à 2000 W) en une vingtaine de tranches de 100 W chacune; ce qui permet d’établir une vingtaine de « niveaux » :
- Niveau1: 100 W
- Niveau2: 200 W
- Niveau3: 300 W
- Jusqu’au Niveau20
Il suffit ensuite de mesurer la puissance instantanée produite par les panneaux et d’appliquer la puissance correspondante sur la résistance du chauffe-eau. Pour se faire, la demi sinusoïde de la tension secteur a été divisée en 20 parties (correspondant à 5% chacune de la puissance totale). Le chauffage de la résistance est commandé par un TRIAC. La période de chaque demi-sinusoïde étant égale à 10 ms, à chaque tranche de 5% correspond un temps de déclenchement du TRIAC compris entre 0 et 10 ms par rapport au passage par zéro de la tension du secteur.
Un circuit spécialisé Allegro ACS712 a été utilisé pour mesurer l’intensité instantanée circulant en sortie des panneaux photovoltaïques. Celle-ci est convertie par le convertisseur A/D du microcontrôleur pour en obtenir une valeur numérique. Deux sondes de température PT1000 ont été installées sur le chauffe-eau (Chauffe-eau vertical sur socle) ; l’une en partie basse (TB température basse) au niveau du thermostat déjà existant (qui a d’ailleurs été conservé) et la deuxième installée en partie haute (TH température haute) fixée sur le conduit de sortie eau chaude. Le thermostat d’origine à canne embrochable a été remplacé par un thermostat à bulbe. Ceci a permit d’introduire la sonde PT1000 (diamètre de 2 mm) dans le fourreau du thermostat. Celle-ci a été fixée juste à l’arrière du bulbe avec un ruban adhésif aluminium haute température. Le réglage du thermostat à bulbe a été modifié pour couper le courant sur la résistance à la température d’environ 65°. Ainsi, la régulation électronique qui se fait à 60° n’est pas perturbée par le thermostat à bulbe. Le thermostat à bulbe sert de sécurité ; en cas de défaillance de l’électronique, celui-ci pourra couper le courant lorsque la température aura atteinte 65°. Une marche forcée pour une mise en chauffe permanente a également été prévue. Lors de la mise en œuvre de cette marche forcée, la température de l’eau est régulée à 65° par le thermostat à bulbe et la régulation électronique est inopérante durant toute la durée de mise en marche forcée et la puissance maximale (2200W) est envoyée au chauffe-eau.
Un afficheur de 2 lignes de 16 caractères est utilisé. Il renseigne sur:
- La puissance instantanée fournie par les panneaux photovoltaïques (ici 860 W).
- Le niveau de puissance envoyé sur la résistance de chauffage (niveau 8 soit 800 W).
- La température en sortie du chauffe-eau (TH température haute 58°).
- La température en entrée du chauffe-eau (TB température basse 60°).
- La température moyenne (TM température moyenne 59°).
- La température minimale moyenne consignée (TC température minimale de consigne 35°).
La température moyenne (TM) est calculée à partir des 2 températures TB et TH. La température minimale consignée (TC) est définie par l’utilisateur. C’est la température en dessous de laquelle la température moyenne ne descendra en aucun cas. Si on fixe par exemple cette température à 40°, elle sera minimale et suffisante pour prendre une simple douche. On pourra fixer cette température à 50° par exemple si on désire une eau plus chaude. Au printemps, en été ou en automne, la température de consigne TC pourra même être réglée sur 35° alors que les températures basses ou hautes pourront afficher des températures entre 55° à 60° comme on le voit sur la photo ci-dessus prise un 4 avril vers 16h00 par temps ensoleillé. La température maximale basse (TB) est régulée à une température de 60° (soit une température maximale de 61°).
Lorsque la puissance fournie par les PPV reste faible, cette température n’est pas forcément atteinte. Si la puissance est maximale lors de journées très ensoleillées, la température « TB » est régulée et oscille entre 60° et 61°. L’hiver et par très mauvais temps, la puissance des PPV peut rester assez faible pendant plusieurs jours. En
conséquence, le niveau appliqué sur la résistance de chauffage reste faible et la température globale de l’eau tend à diminuer d’une façon importante. Pour palier à cette situation, le système contrôle en permanence la valeur de la température moyenne (TM). Si celle-ci descend au dessous de la température minimale consignée (TC), on applique alors sur la résistance de chauffage un niveau suffisant pour que cette même température ne puisse pas continuer à diminuer. Dans ce cas, le niveau appliqué est de l’ordre de 10 (soit 1000 W – valeur par défaut). Ce niveau est paramétrable et on peut en modifier la valeur en appuyant sur la touche « Menu » pour le faire varier dans une fourchette de 5 à 15. Ainsi, par très mauvais temps, la température moyenne est régulée à la température minimale consignée. Lorsque le temps devient ensuite plus clément, la température globale de l’eau s’élève et peut atteindre sa valeur maximale qui est de 61°. Une amélioration du programme est prévue pour prévenir les risques liés à la légionellose en amenant la température minimale à environ 55° ou 60° pendant 2 h au moins 1 fois par semaine.
Un clavier de 4 touches permet facilement d’effectuer le paramétrage et de fixer les 2 valeurs suivantes :
1°) – La température moyenne minimale consignée (valeur comprise entre 30 et 50)
2°) – Le facteur de puissance qui détermine la puissance à appliquer sur la résistance de chauffage lorsque la température moyenne atteint le seuil minimal consigné (valeur comprise entre 5 et 15). Valeur par défaut : 10 (soit 1000 W).
L’électronique
La carte électronique est organisée autour du microcontrôleur 16F886 de Microchip.
Celui-ci se charge d’effectuer les principales fonctions énumérées ci-après :
1 – Mesure de la puissance instantanée produite par les panneaux photovoltaïques
Un circuit spécialisé Allegro ACS712 a été utilisé pour mesurer l’intensité instantanée circulant en sortie des panneaux photovoltaïques. Celle-ci est convertie par le convertisseur A/D du microcontrôleur pour en obtenir une valeur numérique. La tension instantanée est directement mesurée après abaissement à l’aide du transformateur TF2 230V/9V, redressement et filtrage puis convertie par le convertisseur A/D du microcontrôleur pour en obtenir une valeur numérique.
La puissance est bien entendu obtenue suivant la formule : P=UI
2 – Détection de passage à zéro de la tension du secteur
La tension alternative est captée à la sortie du pont de diode PDD1. Un simple transistor 2N2222 permet d’obtenir une d’impulsion à chaque passage par zéro de la tension du secteur.
3 – Mesure de la température de l’eau au niveau des 2 sondes de température TH et TB. La mesure est faite à partir d’un simple pont diviseur dont l’une des résistances est constituée par la sonde PT1000 (valeur de 1000 ohms à la température de 0°C). La tension prélevée aux bornes de ce pont diviseur est ensuite convertie par le convertisseur A/D du microcontrôleur pour en obtenir une valeur numérique.
4 – Commande de la puissance délivrée sur la résistance de chauffage
Le circuit de commande est constitué d’un triac BTA16-600BW associé à un circuit optoélectronique MOC3020. Celui-ci est directement commandé par la broche RC5 du microcontrôleur.
5 – Affichage des températures, de la puissance des PPV et du niveau de puissance appliqué sur le CEE. Cet affichage est constitué par un afficheur de 2 lignes de 16 caractères. Il est commandé en mode 4 bits.
6 – Paramétrages à l’aide d’un clavier à 4 touches
Le clavier à 4 touches est constitué de simples boutons-poussoirs miniatures.
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7 – Alimentation 5V
Obtenue à partir de la tension secteur 230 V, le transformateur TF1, le pont de diodes PDD1 et un régulateur de tension MC7805.
Le schéma
La nomenclature des composants de la carte électronique
Affectation des broches du microcontrôleur
Typon
Le clavier a été réalisé sur une petite carte de circuit imprimé séparée du circuit principal.
Câblage et panneau de contrôle
Le panneau de contrôle (photo en haut de page) comporte :
- Un compteur comptabilisant l’énergie totale consommé par le chauffe-eau
- Un tableautin comportant des connecteurs et un interrupteur marche forcée
- Le boîtier renfermant la carte électronique
Le programme
Le programme est constitué d’un programme principal et de différents sous-programmes.
Initialisation :
A la mise sous tension, la valeur de délai de déclenchement du triac (en ms) pour chacun des 19 niveaux de puissance est placée en mémoire RAM (registres : Puiss+0, Puiss+1, Puiss+3…..jusqu’à Puiss+19).
Sous-programmes :
1°) – ACQ230AC :
Acquisition de la tension 230 V
La tension continue proportionnelle à la tension alternative du secteur est transformée en une valeur numérique par le convertisseur A/D du microcontrôleur et sauvegardée dans les registres « TensionAC+0 et TensionAC+1 »
2°) – ACQINTPPV :
Acquisition de l’intensité fournie par les PPV
La tension continue captée en sortie du circuit intégré spécialisé ACS712 est transformée en une valeur numérique par le convertisseur A/D du microcontrôleur et sauvegardée dans les registres « IntppvAC+0 et IntppvAC+1 »
3°) – PUISS_PPV :
Puissance délivrée par les PPV
La puissance est ici calculée en appliquant la simple formule : P=UI
4°) – FACT_PUISS :
Facteur de puissance
Le facteur de puissance (nombre de 1 à 19) est simplement calculé en divisant la puissance PPV par 100 en ne conservant que la partie entière du résultat. Par exemple pour une puissance de 870 W, le facteur de puissance sera 8, pour une puissance de 1420 W, le facteur de puissance sera 14). Ainsi, la puissance délivrée sur la résistance de chauffage sera toujours égale ou inférieure à la puissance fournie par les panneaux (inférieure dans la limite de 90 W).
5°) – ACQCELS_B :
Acquisition de la température basse (en degrés Celsius)
La tension continue prélevée aux bornes de la sonde PT1000 basse est transformée en une valeur numérique par le convertisseur A/D du microcontrôleur et sauvegardée dans les registres « TB+0 et TB+1 »
6°) – ACQCELS_H :
Acquisition de la température haute (en degrés Celsius)
La tension continue prélevée aux bornes de la sonde PT1000 haute est transformée en une valeur numérique par le convertisseur A/D du microcontrôleur et sauvegardée dans les registres « TH+0 et TH+1 »
7°) – TMOYENNE :
Température moyenne
C’est la moyenne entre la température basse et la température haute. Cette valeur est sauvegardée dans le registre « TM »
7°) – TRIAC :
Commande du triac
Cette commande envoie une impulsion sur le MOC3020 pour déclencher la conduction du triac en fonction de la puissance à fournir sur la résistance de chauffage ; c’est à dire en fonction du facteur de puissance qui a été calculé.
8°) – REG_TMC :
Paramétrage de la température minimale de consigne
Réglage en appuyant sur la touche « Menu ». Valeur possible entre 30 et 50 (valeur par défaut : 40).
9°) – REG_FP :
Paramétrage du facteur de puissance pour la température minimale de consigne atteinte
Réglage effectué juste après le paramètre TMC. Valeur possible entre 5 et 15 (valeur par défaut : 10).
10°) – AFF_LIGNE1 :
Affichage de la première ligne de l’afficheur
11°) – AFF_LIGNE2 :
Affichage de la deuxième ligne de l’afficheur
12°) – AFFICHE_8BS :
Affichage d’un nombre sur 1 octet (8 bits) avec signe
13°) – AFFICHE_24BS :
Affichage d’un nombre sur 3 octets (24 bits) avec signe
En outre, le programme utilise des sous-programmes pour les calculs (additions, multiplications, divisions), pour la gestion de l’afficheur et des sous-programmes de temporisations.
Synoptique du programme principal
