Les panneaux solaires
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Dossier technique Thème 2012 Bac STI Génie électronique Thème de construction électronique 2012 Panneau solaire automatisé DOSSIER TECHNIQUE Académie de Nice LGT Lorgues Equipe pédagogique de Lorgues Electronique : Physique appliquée : Construction mécanique : Pascal JEAN Gérald MARCELLIN Serge SIOT-TAILLEFER Jean-Louis TAYAN Fabrice GOMEZ Gilles MONDON David BERNY Lionel CADIERES MISE EN SITUATION ................................................................................................. 2 L’énergie solaire ................................................................................................. 2 Les panneaux solaires ........................................................................................ 2 Suivre le soleil… ................................................................................................. 3 Fonctions de l’objet technique par rapport au besoin ......................................... 4 Phases de fonctionnement ................................................................................. 7 Diagramme sagittal ............................................................................................ 8 Schéma fonctionnel ............................................................................................ 9 FP1 Conversion de l’énergie ............................................................................. 10 FP2 Mesure du courant produit ......................................................................... 10 FP3 Détermination de la position optimale ....................................................... 12 FP4 Modification de la position ......................................................................... 13 FP5 Acquisition des paramètres ....................................................................... 17 FP6 Horloge et position géographique .............................................................. 17 FP7 Affichage ................................................................................................... 18 FA Alimentation ................................................................................................ 18 Régulation de la charge .................................................................................... 19 FP1 Détermination de l’état de charge de la batterie ........................................ 22 FP2 Contrôle du processus de charge ............................................................... 25 FP3 Connecter ou déconnecter les consommateurs .......................................... 27 FP4 Afficher ...................................................................................................... 29 Synthèse de fonctionnement du régulateur ...................................................... 30 Annexes............................................................................................................ 32 Lycée général et technologique de Lorgues 1 /33 Dossier technique Thème 2012 MISE EN SITUATION L’objet technique est un panneau solaire automatique pour camping-car. Il permet de charger une batterie à partir de l’énergie solaire captée pendant la journée. Il est composé d’un panneau solaire motorisé qui se fixe sur le toit du camping-car, d’un boîtier de contrôle et d’un régulateur de charge pour la batterie. L’énergie solaire L’énergie solaire fait partie des énergies renouvelables comme les énergies éolienne, hydraulique, géothermique et de biomasse ; elle est inépuisable. Elle provient de la fusion nucléaire qui se produit au cœur du Soleil. Elle se propage jusqu’à la terre par rayonnement électromagnétique. L’énergie reçue dépend de l’intensité émise par le soleil (fluctuations), la couverture nuageuse, la latitude, la saison et l’heure. Au midi vrai, 1 m² de panneaux exposés en plein soleil reçoivent au maximum 1 kW. Pour un camping-car, l’énergie solaire permet de recharger la batterie gratuitement, écologiquement et sans la nécessité de la connexion au réseau EDF. Les panneaux solaires L’EFFET PHOTOVOLTAÏQUE Une cellule photovoltaïque est composée de plusieurs couches : 1. Une couche de semi-conducteur dopé P Photons 2. Une fine couche de semiconducteur dopé N. (Cette association constitue une jonction PN identique à une diode) 5 3. Une plaque métallique servant 4 d’électrode 4. Une grille métallique servant 2 d’électrode et laissant passer la N lumière P 1 V 5. Une plaque de verre de protection 3 anti-reflet Lorsqu’un photon vient frapper la jonction, il va libérer un électron d’un atome du semi-conducteur ce qui va avoir 2 conséquences : Cet électron va se déplacer et créer un courant électrique. Comme dans une diode une différence de potentiel s’établit entre les 2 électrodes (0,5 à 0,6V pour du silicium). Lycée général et technologique de Lorgues 2 /33 Dossier technique Thème 2012 En plaçant des éléments en série, on atteint des tensions de valeur plus élevée (avec 36 cellules on génère 21V à vide) En plaçant les cellules en parallèle on obtient un courant plus élevé. CARACTERISTIQUE COURANT TENSION DES PANNEAUX SOLAIRES Le courant maximal est obtenu lorsque le panneau est en court circuit fonctionnement en source de courant. La tension maximale est obtenue lorsque le panneau est déconnecté de toute charge fonctionnement en source de tension. Le point de fonctionnement dépend de la résistance de charge. Une installation photovoltaïque nécessite un régulateur de charge placé entre le panneau solaire et la batterie à charger. Celui-ci va permettre de : Optimiser la charge de la batterie. Protéger la batterie et tous les éléments connectés contre les surtensions et sous-tensions. Protéger le panneau en empêchant la batterie de se décharger dans celui-ci la nuit. Suivre le soleil… PANNEAU FIXE OU MOBILE ? Afin de profiter de toute l’énergie solaire, il est nécessaire d’orienter le panneau solaire de façon à ce que les rayons solaires arrivent perpendiculairement à celui-ci. =30° =90° Rendement=50% Lycée général et technologique de Lorgues Rendement=100% 3 /33 Dossier technique Thème 2012 Le graphe ci-contre montre la différence d’énergie captée entre un panneau fixe et un panneau suivant la course du soleil. Un panneau fixe orienté plein sud perd de l’énergie en matinée et en fin d’après midi contrairement à un système avec suiveur. DEFINIR LA POSITION DU SOLEIL Pour être efficace le système doit pouvoir suivre la course du soleil pendant la journée quelque soit la saison et la situation géographique. Il est donc primordial de connaître la position du soleil à tout moment. On la définit avec: L’azimut : angle entre la verticale de la position du soleil et le sud. L’élévation : angle entre la hauteur du soleil et l’horizontale du point local. On constate que la position du soleil dépend : o De l’heure o De la date o De la latitude En connaissant ces 3 paramètres, il est possible de connaître exactement la position du soleil. Fonctions de l’objet technique par rapport au besoin Besoin Charge de la batterie Nécessité de suivre le soleil Orientation différente suivant site Mise en œuvre simple Fonction Régulation de charge avec surveillance Calcul toutes les heures de la position du soleil Recherche automatique de la position initiale Interface homme machine conviviale Lycée général et technologique de Lorgues 4 /33 Dossier technique Thème 2012 LA COURSE DU SOLEIL Course apparente du soleil pour les 21èmes jours des mois de l’année pour une latitude de 48° Nord (Brest). Les courbes des mois symétriques aux solstices Lycée général et technologique de Lorgues sont superposées (par ex : juillet et mai). 5 /33 Dossier technique Course Thème 2012 apparente du soleil pour les 21èmes jours des mois de l’année pour une latitude de 40° Nord (Madrid). Lycée général et technologique de Lorgues 6 /33 Dossier technique Thème 2012 Phases de fonctionnement INITIALISATION DU PANNEAU L’utilisateur règle l’horloge interne (jour, mois, heure) INSTALLATION SUR UN NOUVEAU SITE Le panneau étant fixé à un camping-car, il est impossible de présager ou sera situé le sud par rapport au châssis du panneau. Lors du stationnement du véhicule sur un nouveau site, le système va rechercher automatiquement la position du soleil et se baser par rapport à celle-ci jusqu’à la prochaine mise en service. L’utilisateur allume l’OT. Il renseigne la latitude et valide (l’écran affiche la zone). Le panneau solaire permet de déterminer la latitude de manière simplifiée. L’utilisateur dispose de 3 zones : 01 : Europe centrale (entre 40° et 53°) 02 : Europe du Nord (au dessus de 53°) 03 : Sud Europe, Afrique du Nord (en dessous de 40°) La taille de la zone est de 13°. L’erreur maximale sera de 6,5° ce qui introduit une baisse de rendement de 0,6% Le panneau se lève à l’élévation calculée par rapport à l’heure, la date et la latitude Le panneau se met à tourner dans le sens azimutal horaire. L’écran affiche le courant produit par le panneau. Arrivé en butée, le panneau revient à l’azimut où il a produit le plus de courant. Une fois l’azimut trouvé, l’OT entre en mode automatique. L’utilisateur peut optimiser la position avec le clavier. MODE AUTOMATIQUE Toutes les heures, l’azimut et l'élévation sont calculés et la position du panneau est corrigée. Au coucher du soleil, le panneau se replie. Au lever du soleil, le panneau se déplie. L’écran affiche la production. REPLI DU PANNEAU En cas de départ ou de vent violent, l’utilisateur peut replier le panneau à l’aide du clavier. Si l’on tourne la clé de contact du camping-car le panneau se replie automatiquement (cette partie ne sera étudiée). Lycée général et technologique de Lorgues 7 /33 Dossier technique Thème 2012 Diagramme sagittal Soleil en mouvement Temps L9 L1 Panneau solaire automatisé L2 Régulateur de charge L4 L3 L7 L5 Utilisateur L8 Batterie Accessoires électriques L6 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 : : : : : : : : : Energie solaire Energie électrique variable selon le rayonnement solaire incident Energie électrique régulée et optimisée Niveau de charge de la batterie Energie électrique Service et confort Paramètres locaux (heure, date, latitude ou ordre de repli) Informations visuelle et sonores Temps qui passe… Lycée général et technologique de Lorgues 8 /33 Dossier technique Thème 2012 Schéma fonctionnel Le microcontrôleur participe aux fonctions mixtes FP2, FP3, FP4, FP5, FP6 et FP7 Energie solaire Conversion l’énergie Energie électrique de FP1 Courant produit Régulateur de charge* Azimut et élévation du panneau Modification de la position Mesure du courant produit FP4 FP2 Consigne position Energie régulée Stockage de l’énergie de COURANT Détermination de la position optimale FP3 Ordre repli Affichage Heure, date, latitude FP7 Infos visuelles de Temps Horloge et position géographique FP6 Paramètres locaux Acquisition des paramètres Appui sur les touches du clavier FP5 Alimentation FA Légende Logiciel Mixte Matériel *Le régulateur de charge fait l’objet d’un schéma fonctionnel indépendant. Lycée général et technologique de Lorgues 9 /33 Dossier technique Thème 2012 FP1 Conversion de l’énergie Fonction matérielle Entrée : Sortie : Structure : Energie solaire Energie électrique brute Panneau solaire PANNEAU SOLAIRE D’ORIGINE Puissance Longueur x Largeur 75 W 1130 x 640 100 W 1250 x 680 110 W 1250 x 680 PANNEAU SOLAIRE DE LA MAQUETTE PEDAGOGIQUE Puissance: 10 Watts Tension à puissance max.: 17,35 Volts Courant à puissance max: 0,58 Ampères Tension de circuit ouvert: 21,46 Volts Courant de court-circuit: 0,67 Ampères Dimensions L x l x P (mm): 360 x 300 x 28 Poids: 1,5 kg. FP2 Mesure du courant produit Fonction mixte Entrée : Sortie : Structure : Ipanneau Courant débité par le panneau COURANT Mot binaire image du courant produit Rshunt, chaîne d’amplification et de filtrage, CAN, microcontrôleur Conversion courant tension Vpan FS21 Amplification FS22 Vsolar Filtrage FS23 VPA0 Conversion analogique numérique COURANT FS24 FS21 CONVERSION COURANT TENSION Fonction matérielle – Carte moteur Entrée : Ipanneau Sortie : Vpan Structure : Rshunt Courant produit Tension image du courant produit Lycée général et technologique de Lorgues 10 /33 Dossier technique Thème 2012 FS22 AMPLIFICATION Fonction matérielle – Carte moteur Entrée : Vpan Tension image du courant Sortie : Vsolar Tension image du courant adaptée Structure : Amplificateur inverseur FS23 FILTRAGE Fonction matérielle – Carte commande Entrée : Vsolar Tension image du courant adaptée Sortie : VPA0 Tension image du courant adaptée et filtrée Structure : filtre passe bas du 2ème ordre FS24 CONVERSION ANALOGIQUE NUMERIQUE Fonction mixte – Carte commande Entrée : VPA0 Sortie : COURANT Structure : CAN Tension image du courant adaptée et filtrée Mot binaire image du courant produit Lycée général et technologique de Lorgues 11 /33 Dossier technique Thème 2012 FP3 Détermination de la position optimale Fonction logicielle Entrées : Sortie : Structure : COURANT Mot binaire image du courant, Heure, date, latitude, Commande de repli Consigne de position Microcontrôleur PHASE DE RECHERCHE DE LA POSITION DONNANT LE COURANT MAXIMAL Au démarrage, le système (initialement replié) : Calcule et modifie l’élévation* selon la date, l’heure et la latitude. Lance une rotation azimutale à partir de la position de repos. Mesure et mémorise le courant fourni par le panneau solaire. Arrivé en butée sur l’azimut maximal (360°), retourne à la position qui a donné le courant maximum. PHASE DE CORRECTION DE LA POSITION Toutes les heures ou au lever du soleil*, le système : Calcule et modifie l’élévation* et l’azimut* selon la date, l’heure et la latitude. PHASE DE REPLI Le système replie le panneau lorsque : L’heure correspond à l’heure du coucher du soleil*. L’utilisateur commande un repli avec le clavier. Le contact du camping-car est mis (cette partie ne sera étudiée). Il reste replié jusqu’au lever du jour suivant ou réinitialisation du système. *Ces paramètres sont calculés selon les formules en Annexe 1. Lycée général et technologique de Lorgues 12 /33 Dossier technique Thème 2012 FP4 Modification de la position Fonction mixte Consigne de position Pilotage moteurs des 4 FS41 Position actuelle 2 SENS_AZ SENS_EL Détermination de la position actuelle FS46 Entrée : Sortie : Structure : Axe Elévation Azimut VmotAZ VmotEL IN1 à IN4 Amplification de puissance FS42 Conversion électrique mécanique FS44 Imoteur EN Protection contre les surintensités FS43 Captage de mouvement 2 Codeur_AZ Azimut et élévation du panneau 2 FS45 Codeur_EL Consigne de position AZIMUT_CONS et ELEVATION_CONS (Mots binaires exprimés en nombre d’impulsions des codeurs par rapport à la position de repli) Azimut et élévation du panneau Microcontrôleur, interface de puissance, moteur, partie mécanique, capteurs de position et de fin de course Plage 90° 360° Variation horaire max 10° 30° Variation horaire min 5° 10° FS41 PILOTAGE DES MOTEURS Fonction mixte Entrées : Sortie : Structure : - Consigne de position AZIMUT_CONS et ELEVATION_CONS - Position actuelle AZIMUT et ELEVATION (Mots binaires exprimés en nombre d’impulsions des codeurs par rapport à la position de repli) - EN Signal binaire signalant un blocage des moteurs. (Blocage de la commande des moteurs pour FS41 Blocage de l'interface de puissance pour FS42) - IN1 à IN4 Signaux binaires de commande des moteurs (2 bits par moteurs) - SENS_AZ, SENS_EL bits indiquant le sens de rotation des moteurs Microcontrôleur sur la carte commande Relation entrée/sortie pour l’azimut: EN 1 cas AZIMUT_CONS > AZIMUT IN3 1 IN4 0 Vmot +12V 1 AZIMUT_CONS < AZIMUT 0 1 -12V 1 AZIMUT_CONS = AZIMUT 0 0 0 0 X 0 0 0 Lycée général et technologique de Lorgues déplacement Repli vers butée max Vers le repli Arrêt, azimut atteint Arrêt, blocage moteur ! 13 /33 Dossier technique Thème 2012 Lors de la commande en rotation d’un moteur la fonction FS41 surveille l’état de EN et des signaux SENS_AZ ou SENS_EL délivrés par les capteurs afin de déterminer l’état du moteur. Relation entrée/sortie : EN 1 (pas de surintensité dans le moteur) 1 (pas de surintensité dans le moteur) Codeur_AZ ou Codeur_EL Présence d’impulsions (le moteur tourne) Pas d’impulsions (le moteur est arrêté) 0 ( surintensité) Pas d’impulsions (le moteur est arrêté) Etat Le moteur tourne ; fonctionnement normal. Le moteur est arrivé en fin de course. On peut stopper la commande. Le moteur est bloqué. Il est impératif de stopper la commande et déclencher une alarme. FS42 AMPLIFICATION DE PUISSANCE Fonction matérielle – Carte moteur Entrée : IN1 à IN4 Signaux binaires de commande des moteurs (2 bits par moteurs) Sortie : VmotAZ, VmotEL Différences de potentiel aux bornes des moteurs azimut et élévation EN Signal binaire signalant un blocage des moteurs Structure : Interface de puissance FS43 PROTECTION CONTRE LES SURINTENSITES Fonction matérielle – Carte moteur Entrée : Imoteur Courant moteur élévation ou azimut (les moteurs ne sont jamais commandés simultanément). Sortie : EN Signal binaire signalant un blocage des moteurs Blocage de la commande des moteurs pour FS41 Blocage de l'interface de puissance pour FS42 Structure : Comparateur à hystérésis Lycée général et technologique de Lorgues 14 /33 Dossier technique Thème 2012 FS42 FS43 FS44 CONVERSION ELECTRIQUE MECANIQUE Fonction matérielle – Moteurs, maquette pédagogique Entrée : Vmoteur Azimut et élévation Sortie : Azimut et élévation du panneau Structure : Moteurs, partie mécanique, capteurs de fin de course 2 moto réducteurs à courant continu modifient l’azimut et l’élévation du panneau Le rapport du réducteur est de 1/200 (moteur d’origine) et 1/30 (moteur maquette) Une vis sans fin entraîne la roue dentée : rapport de réduction 1/100 La plage d’azimut est de 360° La plage d’élévation est 90° Replié, le panneau est à plat et en butée gauche Les capteurs de fin de course ouvrent le circuit d’alimentation des moteurs Lycée général et technologique de Lorgues 15 /33 Dossier technique Thème 2012 Vmoteur+ M M M 12V 12V I=0 VmoteurLes capteurs de fin de course sont placés en série avec le moteur et normalement fermés. Arrivé en butée le contact de fin de course s’ouvre et coupe l’alimentation du moteur. Le moteur est arrêté. La diode en parallèle permet le passage du courant dans le sens inverse pour refermer le contact de fin de course, autorisant la rotation du moteur dans l’autre sens. FS45 CAPTAGE DE MOUVEMENT Fonction matérielle – Codeurs des moteurs Entrée : Azimut et élévation du panneau Sortie : Codeur_AZ, Codeur_EL Signaux binaires Structure : Codeur optique placé sur le moteur Relation entrée/sortie : Codeur : 100 impulsions par tour moteur Avec les réductions de 1/100 puis 1/30: 1° en position du panneau 833 impulsions Rotation du panneau 0 à 360° 300000 impulsions FS46 DETERMINATION DE LA POSITION ACTUELLE Fonction mixte Entrée : Sortie : Structure : CZ, CA Signaux binaires SENS_AZ, SENS_EL bits indiquant le sens de rotation des moteurs position actuelle (AZIMUT et ELEVATION mots binaires 16 bits exprimés en nombre d’impulsions des codeurs par rapport à la position de repli) Microcontrôleur sur la carte commande Relation entrée/sortie : A chaque front montant de CZ, Si SENS_AZ = 1 Alors on incrémente AZIMUT Sinon on décrémente AZIMUT Lycée général et technologique de Lorgues 16 /33 Dossier technique Thème 2012 FP5 Acquisition des paramètres Fonction mixte Entrée : Sortie : Structure : Appui sur les touches du clavier Paramètres locaux (heure, date, zone) Ordre de repli Microcontrôleur, clavier matriciel CODE DU CLAVIER Zone Europe centrale Zone Europe du nord Zone Europe du sud Affichage de l’heure Modifier l’heure Mode manuel Mode automatique Mode recherche automatique Etalonnage de la mesure courant Etalonnage des axes Code repli 01 02 03 04 05 06 07 08 10 20 Touche rouge FP6 Horloge et position géographique Fonction mixte Horloge temps réel Mémorisation de la latitude Détermination de l’heure d’été ou hiver Entrée : Sortie : Structure : Paramètres locaux Temps Heure, date et latitude Microcontrôleur, horloge temps réel Lycée général et technologique de Lorgues 17 /33 Dossier technique Thème 2012 FP7 Affichage Fonction mixte Affichage LCD et 7 segments Entrée : Sortie : Structure : Heure, date, zone Courant produit Informations visuelles Microcontrôleur, afficheur LCD, afficheur 7 segments à leds FA Alimentation Fonction matérielle – Carte moteur Entrée : Sortie : Tension de la batterie Tension d’alimentation régulée, visualisation de mise sous tension Structure : Régulateur de tension, protection par fusible Lycée général et technologique de Lorgues 18 /33 Dossier technique Thème 2012 Régulation de la charge Protège le système contre : o Les erreurs de câblage o Les dépassements des valeurs maximum et minimum des différents courants et tensions Optimise la charge de la batterie en : o Déterminant l’état de charge de la batterie o Contrôlant le processus de charge o Connectant ou déconnectant les consommateurs Affiche l’état de charge et de connexion des consommateurs Entrée : Energie électrique Sortie : Energie régulée PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT : Le régulateur de charge contrôle les connexions panneau batterie et batterie consommateurs en commutant les connexions à la masse batterie. Les +12V sont toujours connectés ensemble. Courant panneau Courant consommé Tension batterie Régulateur de charge PROTECTION DU SYSTEME Le régulateur protège la batterie et les circuits électroniques par déconnexion du panneau et/ou des consommateurs CONTRE LES ERREURS DE CABLAGE : Batterie branchée à l’envers Panneau à l’envers Panneau en court circuit Consommateur en court-circuit CONTRE LES DEPASSEMENTS (AVEC UN CABLAGE CORRECT) Surintensité du panneau Surintensité des consommateurs Tension batterie trop forte (15,5V) ou trop faible (11,4V) Décharge de la batterie dans le panneau pendant la nuit Lycée général et technologique de Lorgues 19 /33 Dossier technique Thème 2012 OPTIMISATION DE LA CHARGE 14.2V Courant Vboost Vfloat 80% 13.8V 100% 50% Etat de charge Tension 0% Afin de charger la batterie le plus efficacement possible, le régulateur va réguler la tension en 2 phases distinctes : La phase de charge rapide « boost ». La tension batterie est régulée autour de 14.2V afin de charger rapidement la batterie jusqu’à 80%. Cette phase ne doit pas être prolongée trop longtemps afin de ne pas détériorer la batterie La phase d’égalisation « float ». La tension est régulée autour de 13.8V pour terminer la charge profonde. Cette phase n’est pas dangereuse pour la batterie et peut être prolongée. Au fur et à mesure de la charge le courant de charge va diminuer. Lycée général et technologique de Lorgues 20 /33 Dossier technique Thème 2012 SCHEMA FONCTIONNEL DU REGULATEUR FP2 Contrôler processus charge FP3 Connecter ou déconnecter les consommateurs le de Etat modulation Etat de charge FP1 Ipanneau Détermination l’état de charge Vbat FP4 Iconsommé FA Alimentation Lycée général et technologique de Lorgues Etat de connexion Infos Afficher +9V +5V 21 /33 Dossier technique Thème 2012 FP1 Détermination de l’état de charge de la batterie Fonction mixte Entrées : Sortie : Structure : Vbat Vbat Tension aux bornes de la batterie Ipanneau Courant débité par le panneau solaire Iconsommé Courant consommé ETAT_CHARGE Etat de charge Pont diviseur, microcontrôleur Mesure de tension batterie la VBAT_MILLI Calcul l’état charge FS11 Ipanneau Iconso Mesure du courant panneau ETAT_CHARGE FS15 IPAN_MILLI FS12 Calcul du courant batterie Mesure du courant consommé FS14 FS13 de de IBAT_MILLI ICONSO_MILLI FP1 La tension aux bornes de la batterie (12V) permet de connaître approximativement l’état de charge. Il est nécessaire de connaître l’évolution du courant de charge ou de décharge de la batterie afin d’évaluer plus précisément l’état de charge. FS11 MESURE DE LA TENSION BATTERIE Fonction mixte Entrées : VBAT+ Tension aux bornes de la batterie Sortie : VBAT_MILLI mot binaire image de la tension batterie en mV Structure : Pont diviseur, CAN Lycée général et technologique de Lorgues 22 /33 Dossier technique Thème 2012 FS12 MESURE DU COURANT PANNEAU Fonction mixte Entrées : Ipanneau Courant débité par le panneau solaire Sortie : IPAN_MILLI mot binaire image du courant débité par le panneau solaire en mA Structure : Rdson, Pont diviseur, CAN PC1 est configuré en entrée pendant la phase de mesure. FS13 MESURE DU COURANT CONSOMME Fonction mixte Entrées : Iconsommé Courant consommé Sortie : ICONSO_MILLI mot binaire image du courant consommé en mA Structure : Rdson, Pont diviseur, CAN Lycée général et technologique de Lorgues 23 /33 Dossier technique Thème 2012 FS14 CALCUL DU COURANT BATTERIE Fonction logicielle Entrées : ICONSO_MILLI IPAN_MILLI Sortie : IBAT_MILLI mot binaire image du courant batterie en mA Ibatterie = Ipanneau - Iconsommé FS15 CALCUL DE L’ETAT DE CHARGE Fonction logicielle Entrées : VBAT_MILLI mot binaire image de la tension batterie en mV IBAT_MILLI mot binaire image du courant batterie en mA Sortie : ETAT_CHARGE Etat de charge Vboost Courant Vfloat 80% 100% 50% Etat de charge Tension 0% La batterie est chargée à 80% lorsque la tension de « boost » 14 ,4V a été maintenue et que le courant de charge a diminué. Ensuite, la tension est régulée autour de la tension de « float » 13,8V, afin de terminer la charge profondément. Les valeurs de tensions doivent être corrigées en fonction la température. Cette fonction n’est pas étudiée. Lycée général et technologique de Lorgues 24 /33 Dossier technique Thème 2012 FP2 Contrôle du processus de charge Fonction mixte Entrées : Sortie : Structure : Puissance débitée par le panneau solaire Vbat Tension aux bornes de la batterie ETAT_CHARGE Etat de charge Puissance fournie à la batterie ETAT_MODULATION Etat de modulation Microcontrôleur, transistors MOS et bipolaires. ETAT_MODULATION ETAT_CHARGE Modulation Puissance panneau Commutation MLI FS21 FS22 Vgs Vbat Vpanneau- Protection contre erreurs de câblage Puissance fournie à la batterie les FS23 FP2 FS21 MODULATION Fonction mixte Entrées : Sortie : Structure : ETAT_CHARGE Etat de charge Vbat Tension aux bornes de la batterie MLI signal binaire ETAT_MODULATION Etat de modulation Microcontrôleur Assure une régulation de tension autour d’une valeur de consigne : ETAT_CHARGE < 80% Tension de consigne : 14.2V « boost » ETAT_CHARGE >80% Tension de consigne : 13.8V « float » Lycée général et technologique de Lorgues 25 /33 Dossier technique Thème 2012 FS22 COMMUTATION Fonction matérielle Entrées : Puissance débitée par le panneau solaire MLI signal binaire Vgs différence de potentiel Sortie : Puissance fournie à la batterie Vpanneau- différence de potentiel Structure : Transistors MOS* et bipolaires. *Voir annexe2 « MOS en anti-série » FS23 PROTECTION CONTRE LES ERREURS DE CABLAGE Fonction matérielle Entrées : potentiel Sortie : potentiel Structure : Lycée général et technologique de Lorgues VpanneauVgs différence de différence de Transistor bipolaire 26 /33 Dossier technique Thème 2012 FP3 Connecter ou déconnecter les consommateurs Fonction mixte Entrées : Sortie : Structure : Puissance batterie Puissance consommée ETAT_CONNEXION Etat de connexion des consommateurs Microcontrôleur, transistors MOS et bipolaires. ETAT_CONNEXION Vbatterie Connexion des consommateurs Puissance batterie Commutation PC3 FS31 FS32 Vgs Vconsommateur- Protection contre erreurs de câblage Puissance consommée les FS33 FP3 FS31 CONNEXION DES CONSOMMATEURS Fonction mixte Entrées : Sortie : Structure : Vbatterie Tension aux bornes de la batterie CONSO signal binaire ETAT_CONNEXION Etat de connexion des consommateurs Microcontrôleur. Lorsque Vbatterie passe en dessous de 11.4V, les consommateurs sont déconnectés CONSO = 1. Vbatterie doit repasser au dessus de 12.5V pour reconnecter les consommateurs CONSO = 0 ou en entrée. FS32 COMMUTATION Fonction matérielle Entrées : Puissance batterie Vgs différence de potentiel CONSO signal binaire Sortie : Puissance consommée Vconsomateur- différence de potentiel Structure : Transistors MOS* et bipolaires. . *Voir annexe2 « MOS en anti-série » Lycée général et technologique de Lorgues 27 /33 Dossier technique Thème 2012 FS33 PROTECTION CONTRE LES ERREURS DE CABLAGE Fonction matérielle Entrées : Vconsomateur- différence de potentiel Sortie : Vgs différence de potentiel Structure : Transistor bipolaire. Lycée général et technologique de Lorgues 28 /33 Dossier technique Thème 2012 FP4 Afficher Fonction mixte Entrées : Etat de processus, de charge et de connexion Sortie : Informations lumineuses Structure : microcontrôleur, diodes électroluminescentes Affichages DEL DEL info État Signification Allumée en vert Clignote lentement en rouge DEL rouge de la batterie Clignote rapidement* Fonctionnement normal Défaillance du système - courant de charge trop élevé - surcharge / court-circuit - surchauffe Avec DEL rouge : - tension batterie trop faible Avec DEL verte : - tension batterie trop élevée Batterie vide, avertissement de déconnexion en raison d’une tension faible - les consommateurs sont encore connectés Protection contre les décharges profondes active (LVD) - les consommateurs sont déconnectés Batterie faible - les consommateurs sont connectés Point de reconnexion LVD n’a pas encore été atteint- les consommateurs sont toujours déconnectés Batterie chargée Batterie pleine - régulation de charge activée Clignote lentement* DEL jaune de la batterie Allumée DEL verte de la batterie Allumée Clignote express en vert* * Clignote lentement en jaune* Clignote lentement : 0,4 Hz : 4 fois en 10 secondes ; Clignote rapidement : 3Hz : 3 fois en 1 seconde Lycée général et technologique de Lorgues 29 /33 Dossier technique Thème 2012 Synthèse de fonctionnement du régulateur Soleil 14.4V 13.8V Tension batterie 12.6V 12.6V 12.5V 12V 11.4V t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 Affichage Connexions Lycée général et technologique de Lorgues 30 /33 Dossier technique Thème 2012 Description des états caractéristiques : La courbe précédente représente l’évolution de la tension aux bornes de la batterie, l’état de l’affichage et des connexions entre panneau et consommateur pendant 24h. On suppose que l’ensoleillement est important pendant le jour et que la consommation électrique est forte pendant la nuit. t0 Le panneau ne débite pas une puissance très importante. Il est connecté en permanence à la batterie. t1 Modulation de puissance Le soleil est haut. Le panneau débite une puissance maximale. Le régulateur module la puissance fournie par le panneau afin de réguler la tension autour de 14.4V. Lorsque le courant de charge de la batterie atteint une valeur faible la batterie est alors chargée à 80%, on régule la tension à 13.8V pour compléter la charge. La led verte clignote rapidement. t2 idem t0. t3 La batterie se déchargeant, la tension à ses bornes passe en dessous de 12.6V. La led orange est allumée. t4 Déconnexion du panneau Le soleil est couché. Le panneau ne fournit plus de puissance et le régulateur le déconnecte afin d’éviter que la batterie ne se décharge dans celui-ci. t5 La batterie se décharge toujours et sa tension passe en dessous de 12V. Le led rouge s’allume et clignote rapidement afin de signaler une déconnexion prochaine des consommateurs. t6 Déconnexion des consommateurs La tension batterie est passée en dessous de 11.4V. Les consommateurs sont déconnectés afin d’éviter la détérioration de la batterie par décharge profonde. Le led rouge s’allume et clignote lentement. t7 Connexion du panneau Le jour se lève. Le panneau recommence à fournir de la puissance. Il est connecté en permanence. Lorsque la tension de la batterie dépasse 12V, la led orange clignote lentement. Les consommateurs sont toujours déconnectés. t8 Connexion des consommateurs La tension batterie passe au dessus de 12.5V, le régulateur reconnecte les consommateurs. La led reste allumée. t9 La tension batterie dépasse 12.6V, la led verte s’allume. Lycée général et technologique de Lorgues 31 /33 Dossier technique Thème 2012 Annexes ANNEXE 1 : CALCUL DE L’AZIMUT, L’ELEVATION ET DES HEURES DE LEVER ET COUCHER DU SOLEIL DECLINAISON SOLAIRE La déclinaison (Dec) est l'angle que forme le vecteur "centre de la terre->soleil" et le plan équatorial de la terre. La déclinaison varie de +23°,45 en degrés décimaux (23° 27' en degrés sexagésimaux) au solstice d'été (22 juin) à -23,45° au solstice d'hiver (22 décembre) (+ ou -23°,27' en degrés sexagésimaux) en passant par la valeur 0 aux équinoxes (21 mars et 23 septembre). Cette déclinaison est due à l'inclinaison de l'axe des pôles terrestres par rapport au plan écliptique ce qui nous donne les différentes saisons (la terre est plus proche du soleil en hiver mais pour la France les rayons étant plus rasants, la chaleur reçue est plus faible) Dec = ArcSin(0,398 x Sin(0,985 x j - 80)) (j ordre du jour de 1 à 365) L'ANGLE HORAIRE. L'angle horaire (Ah) mesure le mouvement du soleil par rapport à midi qui est l'instant où le soleil passe au plan méridien du lieu (zénith). Cet angle horaire est négatif si le temps solaire est inférieur à 12 h. Ah = 180 x (tSV / 12 - 1) LA HAUTEUR DU SOLEIL. La hauteur du soleil (h), ou encore l'ELEVATION, est l'angle formé par le plan horizontal du lieu considéré et le vecteur "point local->soleil". Cette hauteur du soleil intervient fortement sur la valeur de l'éclairement solaire et pour apprécier cette valeur en un point et une heure donnés il est nécessaire de calculer cette hauteur. h = ArcSin(Sin(Lat) x Sin(Dec) + Cos(Lat) x Cos(Dec) x Cos(Ah)) L'AZIMUT DU SOLEIL. L'azimut solaire (a) est l'angle horizontal formé par le plan méridien (axe nord-sud) et le plan vertical du vecteur "point local->soleil". Le signe de l'azimut est le même que celui de l'angle horaire. a = ArcSin((Cos(Dec) x Sin(Ah)) / Cos(h)) HEURES DE LEVER ET DE COUCHER DU SOLEIL. A partir de la latitude et de la déclinaison, il est possible de connaître l'heure solaire vrai du lever et du coucher de soleil : tSVLever = 12 - (ArcCos( -Tan(Lat) x Tan(Dec))) / 15 tSVCoucher = 12 + (ArcCos( -Tan(Lat) x Tan(Dec))) / 15 Pour la France : tSV = tLocal - 1 en hiver tSV = tLocal - 2 en été. Lycée général et technologique de Lorgues 32 /33 Dossier technique Thème 2012 ANNEXE 2 : TRANSISTORS MOS EN ANTI-SERIE CAHIER DES CHARGES i Commande L’objectif de cette structure est de réaliser un interrupteur commandable pouvant : Commuter un courant positif ou négatif Tenir des tensions positives et négatives. Commande 1 0 Interrupteur Fermé Ouvert Courant Positif ou négatif 0 Un composant unique (transistor MOS ou bipolaire) ne permet pas de réaliser ce cahier des charges. Il est nécessaire d’associer 2 transistors en série ou en parallèle. TRANSISTOR MOS Le transistor MOS à enrichissement canal N présente la structure ci-contre. Lorsque la tension Vgs dépasse une valeur de seuil Vth (de l’ordre du Volt), les électrons (charge négative) se déplacent de la source vers le drain créant un courant du drain vers la source. La symétrie de la structure des MOS leur confère aussi une zone de conduction inverse où le courant peut aller de la source vers le drain. MONTAGE EN ANTI-SERIE i Commande L’association dite en anti-série consiste à mettre 2 transistors Mos en série en inversant le sens entre drain et source. Les deux grilles sont connectées ensemble. Le cahier des charges ci-dessus est alors rempli : L’interrupteur commute un signal positif ou négatif à partir d’une commande binaire et peut supporter une tension positive et négative. La résistance équivalente est la somme des 2 RDSON. Pour plus de renseignements : « Étude des commutations pour interrupteurs quatre quadrants, exemple d’application utilisant les transistors MOS » Siemaszko, D. ; Barrade, P. ; Rufer, A. http://leiwww.epfl.ch/publications/siemaszko_barrade_rufer_epf_06.pdf Lycée général et technologique de Lorgues 33 /33
