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Systemes autonomes photovoltaiques

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Présentation de l’approche méthodologique et bilan énergétique applicable aux petits systèmes ou objets autonomes. Focus sur l’alimentation photovoltaïque.
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Systemes autonomes photovoltaiques

  1. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 7. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 7 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie Approche système
  8. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 53. CONFIDENTIEL Les modules autonomes / Julien Werly 53 www.cresitt.com © 2010 CRESITT Industrie MERCI DE VOTRE ATTENTION QUESTIONS ?

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