Autonomie des systèmes

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1 Autonomie des systèmes Bilan énergétique et optimisation Julien Werly, ingénieur R&D électronique Le CRT CRESITT est soutenu par

2 Autonomie des systèmes Définition : Un module autonome en énergie et en action, est un système capable de réaliser des tâches sans aucune assistance extérieure. Il doit pour cela répondre à 2 critères : L'automatisation des tâches à effectuer. L'autosuffisance énergétique. Un système est autonome pour une durée déterminée. 2

3 Autonomie des systèmes Pour concevoir un système électronique complet, il faut : Le cahier des charges : Quel est notre besoin? Un système : Comment va-t-on répondre au besoin? 3

4 Autonomie des systèmes Pour concevoir un système électronique complet, il faut : Dans le cas du système autonome : Combien d'énergie consomme le système? Le bilan énergétique du système Comment le système consomme l'énergie? Quelle est l'énergie dont je dispose? Le bilan énergétique de l'environnement 4

5 Sommaire 1) Approche système 2) Exemple d'un système autonome Bilan énergétique 3) Optimisation 5

6 Sommaire 1) Approche système 2) Exemple d'un système autonome Bilan énergétique 3) Optimisation 6

7 Approche système 7

8 Approche système Source d'énergie Conversion de l'énergie Système intelligent consommant de l'énergie Stockage d'énergie 8

9 Approche système Source d'énergie Conversion de l'énergie Système intelligent consommant de l'énergie Stockage d'énergie Le bilan énergétique consiste à déterminer la quantité ainsi que la façon de consommer de l'énergie 9

10 Sommaire 1) Approche système 2) Exemple d'un système autonome Bilan énergétique 3) Optimisation 10

11 Exemple d'un système autonome I Cahier des charges II Bilan énergétique III Éléments influençant l'autonomie du système 11

12 Exemple d'un système autonome Cahier des charges : Station météorologique Mesure toutes les minutes de : - la température - l'humidité relative - l'ensoleillement - la vitesse et direction du vent Moyenne horaire de : - la vitesse et direction du vent Transmission des données toutes les heures et mise à jour sur internet : Possibilité de se connecter à la station météorologique 50 minutes par heure entre 8H à 18H (mode debug). 12

13 Exemple d'un système autonome Cahier des charges Station météorologique EMI-SEPAME (37) et instrumentée par le CRESITT 13

14 Exemple d'un système autonome Bilan énergétique Séquences de fonctionnement Motifs de consommation Modes du système 14

15 Exemple d'un système autonome Bilan énergétique : Modes du système État du système lors de la réalisation d'une tâche Séquences de fonctionnement - Veille - Acquisition des capteurs Motifs de consommation - Traitement de l'information - Réception / Transmission radio - Réception radio Modes du système La consommation du système est constante durant tout le mode 15

16 Exemple d'un système autonome Bilan énergétique : Motifs de consommation Séquences de fonctionnement Motifs de consommation Courbes représentant la consommation du système lors de ses différentes phases de fonctionnement Modes du système 16

17 Exemple d'un système autonome Bilan énergétique : Motifs de consommation Motif2 qui se répète durant 40 minutes Motif1 qui se répète durant 10 minutes Les 5 modes de fonctionnements forment 3 motifs de consommation qui durent chacun 1 minute Motif3 qui se répète durant 10 minutes 17

18 Exemple d'un système autonome Bilan énergétique : Séquences de fonctionnement Séquences de fonctionnement Série d'actions se renouvelant à une certaine fréquence et dans un ordre déterminé. Motifs de consommation Modes du système 18

19 Exemple d'un système autonome Bilan énergétique : Séquences de fonctionnement Les 3 motifs de consommation forment 1 séquence de fonctionnement qui dure 1 heure et se répète 24 fois par jour. 19

20 Exemple d'un système autonome Bilan énergétique : En résumé 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 20

21 Exemple d'un système autonome Bilan énergétique : Calcul de la consommation Mode Consommation (mw) Durée de fonctionnement par jour (heure) Énergie consommée pas jour (mwh) Veille , Acquisition des capteurs 372 2, Réception radio 948 9, Traitement des informations 408 1, Émission radio , TOTAL

22 Exemple d'un système autonome Bilan énergétique : Calcul de la consommation Puissance consommée dans chaque mode (mw) Veille Veille Capteurs Réception radio Traitement des données Transmission radio Capteurs Réception Traitement Émission radio données radio 22

23 Exemple d'un système autonome Bilan énergétique : Calcul de la consommation Durée d'utilisation de chaque mode (heure) Veille Veille Capteurs Capteurs Réception radio Réception radio Traitement données Traitement des données Émission radio Transmission radio Durée de fonctionnement sur 24 heures 23

24 Exemple d'un système autonome Bilan énergétique : Calcul de la consommation Veille Capteurs Réception radio Traitement des données Transmission radio Consommation globale : 13 Wh / jour Les modes qui consomment le plus sont : Réception radio : 68% Transmission radio : 15% Veille : 10% 24

25 Exemple d'un système autonome 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... 25

26 Sommaire 1) Approche système 2) Exemple d'un système autonome Bilan énergétique 3) Optimisation 26

27 Optimisation Optimisation de la consommation Source d'énergie Conversion de l'énergie Système intelligent consommant de l'énergie Stockage d'énergie Il doit y avoir une adéquation entre le cahier des charges et le potentiel énergétique de l'environnement du système. 27

28 Optimisation Optimisation de la consommation La réception radio de la station fonctionne 10 min/h durant 11H00 L'émission radio de la station fonctionne 6 min/h durant 11H00 Consommation globale : < 5 Wh / jour Veille Capteurs Réception radio Traitement des données Transmission radio 28

29 Optimisation Optimisation de la récupération d'énergie Source d'énergie Pour dimensionner et optimiser un panneau solaire il faut connaître et comprendre l'énergie dont nous disposons Conversion de l'énergie Système intelligent consommant de l'énergie Stockage d'énergie 29

30 Optimisation Optimisation de la récupération d'énergie 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. Jan Fev Mar Avr Mai Juin Juil Aout Sept Oct Nov Dec Total Tableau réalisé à partir des données INES 30

31 Exemple d'un système autonome Optimisation de la récupération d'énergie 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 31

32 Exemple d'un système autonome Optimisation de la récupération d'énergie Ensoleillement du 24 Avril 2010 : 6,65 kwh/m² 32

33 Exemple d'un système autonome Optimisation de la récupération d'énergie 1, 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 33

34 Optimisation Optimisation du transfert d'énergie Source d'énergie Conversion de l'énergie Système intelligent consommant de l'énergie Stockage d'énergie Les transferts d'énergie entre les différents éléments d'un système autonome en énergie représentent des pertes importantes 34

35 Optimisation Optimisation du couplage panneau PV / Batterie Il n'y a aucune raison pour que les points de fonctionnement du panneau solaire PV et de la batterie coïncident 35

36 Exemple d'un système autonome Optimisation du couplage panneau PV / Batterie 7,5A => 90W 7A => 125W 28% de perte!!! 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. Panneau solaire Photowatt 125Wc 36

37 Optimisation Optimisation du couplage panneau PV / Batterie Travail réalisé en partenariat avec DSA technologies Régulateur MPPT de faible à moyenne puissance Régulateur MPPT 30W Les régulateurs MPPT du CRESITT s'appuient sur la philosophie des régulateurs réalisés par DSA technologies. 37

38 Optimisation Optimisation du stockage de l'énergie Source d'énergie Conversion de l'énergie Système intelligent consommant de l'énergie Stockage d'énergie La qualité du stockage de l'énergie déterminera notamment la durée de fonctionnement entre 2 périodes de maintenance 38

39 Optimisation Optimisation du stockage de l'énergie Il existe différentes technologies de batterie. Il n'existe pas de technologie idéale!!! Les optimisations sur les batteries portent sur : La capacité Le courant de charge et de décharge La température de fonctionnement Le nombre de cycles La difficulté consiste à déterminer les coefficients pondérateurs 39

40 Conclusion Le Lecahier cahierdes descharges charges Approche Approchesystème système Bilan Bilanénergétique énergétique La conception d'un système autonome commence dès l'ébauche du projet avec la réalisation du cahier des charges C'est l'environnement extérieur au système qui va déterminer dans sa globalité ses performances ainsi que son autonomie 40

41 Autonomie des systèmes Formation sur les systèmes autonomes le 19 et 20 octobre 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 courant, tension, rendement des régulateurs Caractérisation d'un panneau PV Charge d'une batterie avec un panneau PV 41

42 Autonomie des systèmes Projet PERSyA : 42

43 MERCI DE VOTRE ATTENTION QUESTIONS? 43