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Approche système, bilan
énergétique et application
à un petit système
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Vision industrielle
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Les modules autonomes
Un module autonome, en énergie et en action, est
un système capable de réaliser des taches sans
aucune assistance extérieure.
Il doit pour cela répondre à 2 critères :
L'automatisation des taches à effectuer
L'autosuffisance énergétique
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Les modules autonomes
Pour concevoir un système électronique complet, il
faut :
Le cahier des charges :
Quel est notre besoin ?
Système :
Comment va-t-on le réaliser ?
Dans le cas du système autonome :
Comment et combien je consomme ?
Le bilan énergétique
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Sommaire
1) Approche système
2) Bilan énergétique
3) Exemple d'un système autonome
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1) Approche système
2) Bilan énergétique
3) Exemple d'un système autonome
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Approche système
CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 8
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Approche système
Stockage d'énergie
Source d'énergie
Conversion de l'énergie
Système intelligent
consommant de l'énergie
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1) Approche système
2) Bilan énergétique
3) Exemple d'un système autonome
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Approche système
Stockage d'énergie
Source d'énergie
Conversion de l'énergie
Système intelligent
consommant de l'énergie
Le bilan énergétique consiste à déterminer
la quantité ainsi que la façon de
consommer de l'énergie
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Bilan énergétique
I Les modes de fonctionnement du système
II Fréquence et durée d'utilisation
III Calcul de la consommation énergétique
IV Qu'est-ce qu'un système autonome
performant ?
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Bilan énergétique
BUT : Évaluer la consommation d'un système dans
son fonctionnement global
DONNEES NECESSAIRES :
- Les modes de fonctionnement des éléments
- Consommation des éléments dans chaque mode
- Durée de fonctionnement
OBJECTIF : Déterminer la puissance et la nature des
sources d'énergie nécessaires à l'alimentation et
l'autonomie du système
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Bilan énergétique
Les modes de fonctionnement du système
Un mode de fonctionnement est une phase où la consommation
du système est constante
0 Ampère !!!
D'une dizaine de nA au µA
Diffère en fonction de la tache
accomplie
Arrêt
Veille
Actif
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Bilan énergétique
Les modes de fonctionnement du système
Mode arrêt
Le système est totalement non alimenté. Seule une action
manuelle / externe peut le faire entrer en fonctionnement :
- Bouton
- Relais
- Tag RFID
Mode veille
Le système attend un événement pour se réveiller :
- Bouton / Relais / Tag RFID
- Temps de veille écoulé
- Changement d'état d'une entrée du µcontroleur
- ...
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Bilan énergétique
Les modes de fonctionnement du système
Mode actif
Ce mode réalise des actions définies lors de la rédaction du
cahier des charges. Il peut réaliser par exemple :
l'acquisition des valeurs des capteurs
traiter des informations
transmettre des données
…
Il y a donc plusieurs modes actifs.
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Bilan énergétique
Fréquence et durée d'utilisation
Motifs de
consommation
Séquences de
fonctionnement
Modes du système
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Bilan énergétique
Fréquence et durée d'utilisation
Motifs de
consommation
Séquences de
fonctionnement
Modes du système
État du système lors de la
réalisation d'une tache
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Bilan énergétique
Fréquence et durée d'utilisation
Motifs de
consommation
Séquences de
fonctionnement
Modes du système
Courbes représentant la
consommation du système
lors de ses différentes
phases de fonctionnement
CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 19
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Bilan énergétique
Fréquence et durée d'utilisation
Motifs de
consommation
Séquences de
fonctionnement
Modes du système
Série d'actions se renouvelant
à une certaine fréquence et
dans un ordre déterminé.
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Bilan énergétique
Fréquence et durée d'utilisation
Exemple de système autonome :
Capteur de température et de luminosité indoor avec
transmission radio
Cahier des charges simplifié:
Mesures réalisées une fois par seconde.
Traitement des données (moyenne des 10 valeurs) et
transmission par liaison radio toutes les 10s.
Panneau solaire amorphe
Capteur de
luminosité
Antenne radio
Capteur de
température
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Bilan énergétique
Fréquence et durée d'utilisation
Les modes de fonctionnement sont :
Mode veille
Mode actif 1 : Acquisition des données
Mode actif 2 : Traitement de l'information
Mode actif 3 : Transmission radio
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Bilan énergétique
Fréquence et durée d'utilisation
Motif 1 : Acquisition des données Motif 2 : Acquisition et
transmission radio
Séquence de fonctionnement qui dure 10 secondes
Acquisition des
données
Traitement de
l'information
Veille Transmission des
données
Traitement de
l'information
CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 23
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Bilan énergétique
Fréquence et durée d'utilisation
Pour acquérir la consommation des éléments composant
les système, il existe 2 méthodes :
La lecture des datasheets des composants
La mesure, mais sans perturber le système où le moins
possible.
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Bilan énergétique
Fréquence et durée d'utilisation
Nous venons de définir 3 notions :
Séquence de fonctionnement
Motif de consommation
Mode du système
Il faut que l'unité de mesure de la durée soit la journée
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Bilan énergétique
Calcul de la consommation énergétique
Pour calculer cette consommation il faut au préalable connaître
la consommation de chaque élément dans chacun des motifs de
consommation du système
Exemple pour le mode : Transmission radio
Pmode = 121mW , Tmode = 0,007h
Énergie consommée par jour = 0,85mWh/jour
Energie=∑Tmode∗Pmode
Wh HeureWatt heure Watt
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Bilan énergétique
Élément influençant le système : l'environnement
Trois paramètres interviennent principalement :
La température
L'humidité
Le vieillissement
Modifient les facteurs suivant :
Rendement des panneaux solaires
Rendement des alimentations
Capacité et performance des réserves d'énergie
Consommation des éléments composant le système
Coût et fiabilité
...
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Bilan énergétique
Qu'est-ce qu'un système autonome performant ?
Une formule1 n'est pas une voiture performante dans le désert !
Vitesse / PrécisionVitesse / Précision
CoûtCoût
ConsommationConsommation
Performance
=
Compromis
Performance
=
Compromis
RobustesseRobustesse
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1) Approche système
2) Bilan énergétique
3) Exemple d'un système autonome
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Exemple d'un système autonome
I Description du système
II Bilan énergétique
III Dimensionnement du panneau solaire
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Exemple d'un système autonome
Description du système
Station météorologique EMI-SEPAME (37) et instrumentée
par le CRESITT
http://www.cresitt.com/
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Exemple d'un système autonome
Description du système
Station météorologique EMI-SEPAME (37) et instrumentée
par le CRESITT
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Exemple d'un système autonome
Description du système
Cahier des charges :
Les mesures de la température, de l'humidité relative et
de l'ensoleillement sont réalisées toutes les minutes
La vitesse et la direction du vent sont moyennées sur une
heure et mesurées toutes les minutes
Ces mesures sont transmises chaque heure via une
liaison radio à un ordinateur qui les met à jour sur internet
La liaison radio fonctionne 50 minutes par heure entre 8H
à 18H (mode debug). Le reste du temps elle est éteinte.
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Exemple d'un système autonome
Bilan énergétique
Ce système autonome possède 1 séquence répétée toutes les
heures
Cette séquence est composée de 2 motifs de consommation :
- Acquisition / traitement des mesures des capteurs
- Acquisition / traitement des mesures des capteurs et
transmission radio
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Exemple d'un système autonome
Bilan énergétique
Les motifs de consommation comprennent en tout 5
modes :
- Veille
- Acquisition des capteurs
- Traitement de l'information
- Transmission radio
- Réception radio
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Exemple d'un système autonome
Bilan énergétique
Motif de consommation
A ce motif de consommation il faut rajouter :
Une couche radio : - réception active = 50 min / h
- émission active = 10 min / h
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Exemple d'un système autonome
Bilan énergétique
Mode
Consommation
(mW)
Durée de
fonctionnement par jour
(heure)
Énergie consommée
pas jour (mWh)
Veille 120 10,60 1200
Acquisition des
capteurs
372 2,40 892
Réception
radio
948 9,17 8693
Traitement des
informations
408 1,60 652
Émission radio 1010 1,83 1848
TOTAL 12706
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Exemple d'un système autonome
Bilan énergétique
Puissance consommée dans chaque mode (mW)
Veille Capteurs Réception radio Traitement des données Transmission radio
0
200
400
600
800
1000
1200
Veille Capteurs Réception
radio
Émission
radio
Traitement
données
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Exemple d'un système autonome
Bilan énergétique
Durée d'utilisation de chaque mode (heure)
Durée de fonctionnement sur 24 heures
Veille Capteurs Réception radio Traitement des données Transmission radio
0
2
4
6
8
10
12
Veille Capteurs Réception
radio
Émission
radio
Traitement
données
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Exemple d'un système autonome
Bilan énergétique initial
Les modes qui consomment le plus sont :
Réception radio : 68%
Transmission radio : 15%
Veille : 10%
Veille
Capteurs
Réception radio
Traitement des
données
Transmission
radio
Consommation globale :
13 Wh / jour
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Exemple d'un système autonome
Bilan énergétique après changement du cahier des
charges
La réception radio de la station fonctionne 10 min/h durant 11H00
L'émission radio de la station fonctionne 6 min/h durant 11H00
Veille
Capteurs
Réception radio
Traitement des
données
Transmission
radio
Consommation globale :
< 5 Wh / jour
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Exemple d'un système autonome
Stockage d'énergie
Source d'énergie
Conversion de l'énergie
Système intelligent
consommant de l'énergie
Pour dimensionner un
panneau solaire PV il faut
connaître et comprendre
l'énergie dont nous disposons
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Exemple d'un système autonome
Dimensionnement du panneau solaire
Importance de l'inclinaison d'un panneau solaire
Irradiation solaire sur un plan d'inclinaison variant de 0° (horizontal) à
90° (vertical) et d'orientation 0° (sud) en kWh / m² à Orléans.
Tableau réalisé à partir des données INES
Jan Fev Mar Avr Mai Juin Juil Aout Sept Oct Nov Dec Total
0° 1.15 1.83 3.00 4.46 5.66 6.11 5.53 4.75 3.89 2.37 1.25 0.83 3.41
15° 1.49 2.19 3.39 4.76 5.81 6.15 5.59 4.96 4.33 2.83 1.55 1.05 3.68
30° 1.76 2.44 3.62 4.83 5.70 5.93 5.42 4.94 4.57 3.15 1.79 1.22 3.79
45° 1.94 2.59 3.68 4.69 5.34 5.46 5.03 4.71 4.58 3.31 1.93 1.33 3.72
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75° 1.99 2.49 3.28 3.80 4.00 3.95 3.71 3.68 3.95 3.14 1.94 1.36 3.11
90° 1.86 2.25 2.85 3.11 3.12 3.02 2.88 2.95 3.35 2.82 1.79 1.27 2.61
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Exemple d'un système autonome
Dimensionnement du panneau solaire
Ensoleillement mesuré sur le toit du CRESITT (Olivet 45) sur une
durée d'une journée. L'unité de mesure est le kW / m².
Ensoleillement du 1er Mai 2010 : 0,7 kWh/m²
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Exemple d'un système autonome
Dimensionnement du panneau solaire
Ensoleillement du 24 Avril 2010 : 6,65 kWh/m²
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Exemple d'un système autonome
Dimensionnement du panneau solaire
Le Watt crête (Wc)
Le watt crête détermine la puissance d'un panneau solaire sous
CERTAINES conditions :
- Irradiance solaire 1000 W / m²
- Cellules solaires au point de fonctionnement maximum @ 25°C
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Exemple d'un système autonome
Dimensionnement du panneau solaire
1,39 heure @ 1000 Watt / m²
13 Wh / jour
Le panneau doit avoir une puissance de 9,35 Wc
Avec un coefficient pondérateur de 0,7 le panneau sera de 13,4 Wc
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Exemple d'un système autonome
Dimensionnement du panneau solaire
Phénomènes physiques pouvant diminuer l'énergie
récupérée d'un panneau solaire
- Salissures des panneaux
- Éclairage de fin et de début de journée
- Température élevée
- Chute de tension diode série
- Chute de tension régulateur série
- Chute de tension due aux câblages
- Efficacité énergétique de la batterie
- Désaccord entre la batterie et le panneau solaire
Production panneau solaire
Chute de tension
Batterie
Batterie / panneau
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Exemple d'un système autonome
Dimensionnement du panneau solaire
Accord entre le panneau solaire et la batterie
Le point de fonctionnement où travaillera le panneau solaire
photovoltaïque dépend de la charge que l'on place derrière lui.
Panneau solaire Photowatt 125Wc
12V @ 7,5A => 90W
18V @ 7A => 125W
Pour une même irradiance la puissance
récupérable varie en fonction du point de
fonctionnement où l'on place le panneau
solaire.
Pour suivre ce point et optimiser le
transfert d'énergie entre le panneau et la
batterie il faut utiliser un régulateur
MPPT.
28% de perte !!!
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Exemple d'un système autonome
Dimensionnement du panneau solaire
Travail réalisé en partenariat avec DSA
technologies
Régulateur MPPT de faible à moyenne puissance (du Watt à une
centaine de Watts)
Les régulateurs MPPT du CRESITT s'appuient sur la philosophie
des régulateurs réalisés par DSA technologies.
Régulateur MPPT 10W Régulateur MPPT 50W
CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 50
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Conclusion
L'autonomie d'un module électronique est imposée par le
cahier des charges
Une conception en amont prenant en compte l'aspect
énergétique est primordial
Cette autonomie pose des contraintes fortes sur le choix
des capteurs, de l'intelligence artificielle et sur le
rapatriement des données
Un module autonome est un système complexe, réalisé à
partir de compromis
CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 51
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Conclusion
La conception d'un système autonome commence dès l'ébauche
du projet avec la réalisation du cahier des charges
C'est le cahier des charges qui va déterminer dans sa globalité
les possibilités du système ainsi que son autonomie
Le cahier des chargesLe cahier des charges
Approche systèmeApproche système Bilan énergétiqueBilan énergétique
CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 52
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Formation
Formation sur les systèmes autonomes les 2 et 3
février 2011.
La théorie sur les systèmes autonomes :
– Les énergies disponibles en général et l'énergie solaire en particulier
– Bilan énergétique
– Les technologies de batteries et de panneaux PV
– Le dimensionnement d'un système autonome
La pratique :
– Mesure tension, courant, rendement des régulateurs
– Caractérisation d'un panneau PV
– Charge d'une batterie avec un panneau PV
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Systemes autonomes photovoltaiques

  • 1. Le CRT CRESITT est soutenu par www.cresitt.com Les modules autonomes Approche système, bilan énergétique et application à un petit système photovoltaïque Julien Werly, ingénieur plateau technique
  • 2. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 2 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Le CRT CRESITT Centre de Ressources Technologiques labellisé Notre métier : l'électronique Partenaire de Polytech'Orléans Membre actif du pôle de compétitivité S2E2 Nos activités : Diffusion technologique, séminaires, ingénierie de projets,... R&D et conseil en technologie : veille, conseil, études, projets, démonstrateurs, formation Nos axes de développement : Électronique embarquée Technologies wireless et RFID Systèmes autonomes, gestion de l'énergie Vision industrielle
  • 3. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 3 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Les modules autonomes Un module autonome, en énergie et en action, est un système capable de réaliser des taches sans aucune assistance extérieure. Il doit pour cela répondre à 2 critères : L'automatisation des taches à effectuer L'autosuffisance énergétique
  • 4. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 4 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Les modules autonomes Pour concevoir un système électronique complet, il faut : Le cahier des charges : Quel est notre besoin ? Système : Comment va-t-on le réaliser ? Dans le cas du système autonome : Comment et combien je consomme ? Le bilan énergétique
  • 5. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 5 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Sommaire 1) Approche système 2) Bilan énergétique 3) Exemple d'un système autonome
  • 6. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 6 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie 1) Approche système 2) Bilan énergétique 3) Exemple d'un système autonome
  • 7. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 7 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Approche système
  • 8. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 8 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Approche système Stockage d'énergie Source d'énergie Conversion de l'énergie Système intelligent consommant de l'énergie
  • 9. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 9 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie 1) Approche système 2) Bilan énergétique 3) Exemple d'un système autonome
  • 10. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 10 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Approche système Stockage d'énergie Source d'énergie Conversion de l'énergie Système intelligent consommant de l'énergie Le bilan énergétique consiste à déterminer la quantité ainsi que la façon de consommer de l'énergie
  • 11. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 11 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Bilan énergétique I Les modes de fonctionnement du système II Fréquence et durée d'utilisation III Calcul de la consommation énergétique IV Qu'est-ce qu'un système autonome performant ?
  • 12. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 12 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Bilan énergétique BUT : Évaluer la consommation d'un système dans son fonctionnement global DONNEES NECESSAIRES : - Les modes de fonctionnement des éléments - Consommation des éléments dans chaque mode - Durée de fonctionnement OBJECTIF : Déterminer la puissance et la nature des sources d'énergie nécessaires à l'alimentation et l'autonomie du système
  • 13. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 13 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Bilan énergétique Les modes de fonctionnement du système Un mode de fonctionnement est une phase où la consommation du système est constante 0 Ampère !!! D'une dizaine de nA au µA Diffère en fonction de la tache accomplie Arrêt Veille Actif
  • 14. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 14 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Bilan énergétique Les modes de fonctionnement du système Mode arrêt Le système est totalement non alimenté. Seule une action manuelle / externe peut le faire entrer en fonctionnement : - Bouton - Relais - Tag RFID Mode veille Le système attend un événement pour se réveiller : - Bouton / Relais / Tag RFID - Temps de veille écoulé - Changement d'état d'une entrée du µcontroleur - ...
  • 15. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 15 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Bilan énergétique Les modes de fonctionnement du système Mode actif Ce mode réalise des actions définies lors de la rédaction du cahier des charges. Il peut réaliser par exemple : l'acquisition des valeurs des capteurs traiter des informations transmettre des données … Il y a donc plusieurs modes actifs.
  • 16. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 16 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Bilan énergétique Fréquence et durée d'utilisation Motifs de consommation Séquences de fonctionnement Modes du système
  • 17. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 17 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Bilan énergétique Fréquence et durée d'utilisation Motifs de consommation Séquences de fonctionnement Modes du système État du système lors de la réalisation d'une tache
  • 18. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 18 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Bilan énergétique Fréquence et durée d'utilisation Motifs de consommation Séquences de fonctionnement Modes du système Courbes représentant la consommation du système lors de ses différentes phases de fonctionnement
  • 19. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 19 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Bilan énergétique Fréquence et durée d'utilisation Motifs de consommation Séquences de fonctionnement Modes du système Série d'actions se renouvelant à une certaine fréquence et dans un ordre déterminé.
  • 20. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 20 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Bilan énergétique Fréquence et durée d'utilisation Exemple de système autonome : Capteur de température et de luminosité indoor avec transmission radio Cahier des charges simplifié: Mesures réalisées une fois par seconde. Traitement des données (moyenne des 10 valeurs) et transmission par liaison radio toutes les 10s. Panneau solaire amorphe Capteur de luminosité Antenne radio Capteur de température
  • 21. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 21 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Bilan énergétique Fréquence et durée d'utilisation Les modes de fonctionnement sont : Mode veille Mode actif 1 : Acquisition des données Mode actif 2 : Traitement de l'information Mode actif 3 : Transmission radio
  • 22. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 22 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Bilan énergétique Fréquence et durée d'utilisation Motif 1 : Acquisition des données Motif 2 : Acquisition et transmission radio Séquence de fonctionnement qui dure 10 secondes Acquisition des données Traitement de l'information Veille Transmission des données Traitement de l'information
  • 23. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 23 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Bilan énergétique Fréquence et durée d'utilisation Pour acquérir la consommation des éléments composant les système, il existe 2 méthodes : La lecture des datasheets des composants La mesure, mais sans perturber le système où le moins possible.
  • 24. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 24 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Bilan énergétique Fréquence et durée d'utilisation Nous venons de définir 3 notions : Séquence de fonctionnement Motif de consommation Mode du système Il faut que l'unité de mesure de la durée soit la journée
  • 25. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 25 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Bilan énergétique Calcul de la consommation énergétique Pour calculer cette consommation il faut au préalable connaître la consommation de chaque élément dans chacun des motifs de consommation du système Exemple pour le mode : Transmission radio Pmode = 121mW , Tmode = 0,007h Énergie consommée par jour = 0,85mWh/jour Energie=∑Tmode∗Pmode Wh HeureWatt heure Watt
  • 26. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 26 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Bilan énergétique Élément influençant le système : l'environnement Trois paramètres interviennent principalement : La température L'humidité Le vieillissement Modifient les facteurs suivant : Rendement des panneaux solaires Rendement des alimentations Capacité et performance des réserves d'énergie Consommation des éléments composant le système Coût et fiabilité ...
  • 27. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 27 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Bilan énergétique Qu'est-ce qu'un système autonome performant ? Une formule1 n'est pas une voiture performante dans le désert ! Vitesse / PrécisionVitesse / Précision CoûtCoût ConsommationConsommation Performance = Compromis Performance = Compromis RobustesseRobustesse
  • 28. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 28 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie 1) Approche système 2) Bilan énergétique 3) Exemple d'un système autonome
  • 29. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 29 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Exemple d'un système autonome I Description du système II Bilan énergétique III Dimensionnement du panneau solaire
  • 30. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 30 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Exemple d'un système autonome Description du système Station météorologique EMI-SEPAME (37) et instrumentée par le CRESITT http://www.cresitt.com/
  • 31. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 31 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Exemple d'un système autonome Description du système Station météorologique EMI-SEPAME (37) et instrumentée par le CRESITT http://www.cresitt.com/
  • 32. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 32 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Exemple d'un système autonome Description du système Cahier des charges : Les mesures de la température, de l'humidité relative et de l'ensoleillement sont réalisées toutes les minutes La vitesse et la direction du vent sont moyennées sur une heure et mesurées toutes les minutes Ces mesures sont transmises chaque heure via une liaison radio à un ordinateur qui les met à jour sur internet La liaison radio fonctionne 50 minutes par heure entre 8H à 18H (mode debug). Le reste du temps elle est éteinte.
  • 33. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 33 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Exemple d'un système autonome Bilan énergétique Ce système autonome possède 1 séquence répétée toutes les heures Cette séquence est composée de 2 motifs de consommation : - Acquisition / traitement des mesures des capteurs - Acquisition / traitement des mesures des capteurs et transmission radio
  • 34. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 34 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Exemple d'un système autonome Bilan énergétique Les motifs de consommation comprennent en tout 5 modes : - Veille - Acquisition des capteurs - Traitement de l'information - Transmission radio - Réception radio
  • 35. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 35 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Exemple d'un système autonome Bilan énergétique Motif de consommation A ce motif de consommation il faut rajouter : Une couche radio : - réception active = 50 min / h - émission active = 10 min / h
  • 36. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 36 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Exemple d'un système autonome Bilan énergétique Mode Consommation (mW) Durée de fonctionnement par jour (heure) Énergie consommée pas jour (mWh) Veille 120 10,60 1200 Acquisition des capteurs 372 2,40 892 Réception radio 948 9,17 8693 Traitement des informations 408 1,60 652 Émission radio 1010 1,83 1848 TOTAL 12706
  • 37. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 37 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Exemple d'un système autonome Bilan énergétique Puissance consommée dans chaque mode (mW) Veille Capteurs Réception radio Traitement des données Transmission radio 0 200 400 600 800 1000 1200 Veille Capteurs Réception radio Émission radio Traitement données
  • 38. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 38 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Exemple d'un système autonome Bilan énergétique Durée d'utilisation de chaque mode (heure) Durée de fonctionnement sur 24 heures Veille Capteurs Réception radio Traitement des données Transmission radio 0 2 4 6 8 10 12 Veille Capteurs Réception radio Émission radio Traitement données
  • 39. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 39 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Exemple d'un système autonome Bilan énergétique initial Les modes qui consomment le plus sont : Réception radio : 68% Transmission radio : 15% Veille : 10% Veille Capteurs Réception radio Traitement des données Transmission radio Consommation globale : 13 Wh / jour
  • 40. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 40 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Exemple d'un système autonome Bilan énergétique après changement du cahier des charges La réception radio de la station fonctionne 10 min/h durant 11H00 L'émission radio de la station fonctionne 6 min/h durant 11H00 Veille Capteurs Réception radio Traitement des données Transmission radio Consommation globale : < 5 Wh / jour
  • 41. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 41 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Exemple d'un système autonome Stockage d'énergie Source d'énergie Conversion de l'énergie Système intelligent consommant de l'énergie Pour dimensionner un panneau solaire PV il faut connaître et comprendre l'énergie dont nous disposons
  • 42. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 42 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Exemple d'un système autonome Dimensionnement du panneau solaire Importance de l'inclinaison d'un panneau solaire Irradiation solaire sur un plan d'inclinaison variant de 0° (horizontal) à 90° (vertical) et d'orientation 0° (sud) en kWh / m² à Orléans. Tableau réalisé à partir des données INES Jan Fev Mar Avr Mai Juin Juil Aout Sept Oct Nov Dec Total 0° 1.15 1.83 3.00 4.46 5.66 6.11 5.53 4.75 3.89 2.37 1.25 0.83 3.41 15° 1.49 2.19 3.39 4.76 5.81 6.15 5.59 4.96 4.33 2.83 1.55 1.05 3.68 30° 1.76 2.44 3.62 4.83 5.70 5.93 5.42 4.94 4.57 3.15 1.79 1.22 3.79 45° 1.94 2.59 3.68 4.69 5.34 5.46 5.03 4.71 4.58 3.31 1.93 1.33 3.72 60° 2.02 2.60 3.56 4.34 4.76 4.78 4.45 4.28 4.37 3.31 1.99 1.38 3.49 75° 1.99 2.49 3.28 3.80 4.00 3.95 3.71 3.68 3.95 3.14 1.94 1.36 3.11 90° 1.86 2.25 2.85 3.11 3.12 3.02 2.88 2.95 3.35 2.82 1.79 1.27 2.61
  • 43. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 43 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Exemple d'un système autonome Dimensionnement du panneau solaire Ensoleillement mesuré sur le toit du CRESITT (Olivet 45) sur une durée d'une journée. L'unité de mesure est le kW / m². Ensoleillement du 1er Mai 2010 : 0,7 kWh/m²
  • 44. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 44 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Exemple d'un système autonome Dimensionnement du panneau solaire Ensoleillement du 24 Avril 2010 : 6,65 kWh/m²
  • 45. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 45 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Exemple d'un système autonome Dimensionnement du panneau solaire Le Watt crête (Wc) Le watt crête détermine la puissance d'un panneau solaire sous CERTAINES conditions : - Irradiance solaire 1000 W / m² - Cellules solaires au point de fonctionnement maximum @ 25°C - Flux lumineux incidence directe - Spectre solaire à A.M. 1,5
  • 46. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 46 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Exemple d'un système autonome Dimensionnement du panneau solaire 1,39 heure @ 1000 Watt / m² 13 Wh / jour Le panneau doit avoir une puissance de 9,35 Wc Avec un coefficient pondérateur de 0,7 le panneau sera de 13,4 Wc
  • 47. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 47 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Exemple d'un système autonome Dimensionnement du panneau solaire Phénomènes physiques pouvant diminuer l'énergie récupérée d'un panneau solaire - Salissures des panneaux - Éclairage de fin et de début de journée - Température élevée - Chute de tension diode série - Chute de tension régulateur série - Chute de tension due aux câblages - Efficacité énergétique de la batterie - Désaccord entre la batterie et le panneau solaire Production panneau solaire Chute de tension Batterie Batterie / panneau
  • 48. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 48 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Exemple d'un système autonome Dimensionnement du panneau solaire Accord entre le panneau solaire et la batterie Le point de fonctionnement où travaillera le panneau solaire photovoltaïque dépend de la charge que l'on place derrière lui. Panneau solaire Photowatt 125Wc 12V @ 7,5A => 90W 18V @ 7A => 125W Pour une même irradiance la puissance récupérable varie en fonction du point de fonctionnement où l'on place le panneau solaire. Pour suivre ce point et optimiser le transfert d'énergie entre le panneau et la batterie il faut utiliser un régulateur MPPT. 28% de perte !!!
  • 49. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 49 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Exemple d'un système autonome Dimensionnement du panneau solaire Travail réalisé en partenariat avec DSA technologies Régulateur MPPT de faible à moyenne puissance (du Watt à une centaine de Watts) Les régulateurs MPPT du CRESITT s'appuient sur la philosophie des régulateurs réalisés par DSA technologies. Régulateur MPPT 10W Régulateur MPPT 50W
  • 50. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 50 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Conclusion L'autonomie d'un module électronique est imposée par le cahier des charges Une conception en amont prenant en compte l'aspect énergétique est primordial Cette autonomie pose des contraintes fortes sur le choix des capteurs, de l'intelligence artificielle et sur le rapatriement des données Un module autonome est un système complexe, réalisé à partir de compromis
  • 51. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 51 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Conclusion La conception d'un système autonome commence dès l'ébauche du projet avec la réalisation du cahier des charges C'est le cahier des charges qui va déterminer dans sa globalité les possibilités du système ainsi que son autonomie Le cahier des chargesLe cahier des charges Approche systèmeApproche système Bilan énergétiqueBilan énergétique
  • 52. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 52 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Formation Formation sur les systèmes autonomes les 2 et 3 février 2011. La théorie sur les systèmes autonomes : – Les énergies disponibles en général et l'énergie solaire en particulier – Bilan énergétique – Les technologies de batteries et de panneaux PV – Le dimensionnement d'un système autonome La pratique : – Mesure tension, courant, rendement des régulateurs – Caractérisation d'un panneau PV – Charge d'une batterie avec un panneau PV
  • 53. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 53 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie MERCI DE VOTRE ATTENTION QUESTIONS ?