Titre : système embarqué étude de la recharge. Lieu d activité : Laboratoire d essais des systèmes. Temps prévu : 2 Heures Temps passé : Nom :.. Prénom : Objectif de la séance : Vérifier les caractéristiques du système embarqué «TROTINETTE ELECTRIQUE / PANNEAUX PHOTOVOLTAIQUE» Fonction 5: Essai - Mise en service - Contrôle T5.3 : Réaliser les essais et les mesures nécessaires à la qualification d un équipement. C01 Analyser un dossier C04 Rédiger un document de synthèse C06 Respecter une procédure C17 Mettre en œuvre des moyens de mesurage C18 Interpréter des indicateurs, des résultats de mesure et d'essais C19 Identifier les paramètres de réglage C20 Régler les paramètres Données Dossier technique de réalisation Manuels techniques des constructeurs Indicateurs de performance Les règles de sécurité sont respectées Les mesures sont judicieuses et adaptées Les réglages effectués corrigent les non conformités Résumé : Ce système permet d aborder certaines notions d échange énergie, de pertes, de dimensionnement des modules solaires photovoltaïques. Cheminement de l étude : Analyse du système à partir de la documentation fournie. Relever les dimensions et des caractéristiques photo-électriques des panneaux photovoltaïques. Exprimer les puissances P C délivrée par le capteur solaire et de la puissance consommée par le système. Exprimer la puissance lumineuse reçue P lum. Elaboration du schéma fonctionnel équivalent du régulateur. Etude du principe de fonctionnement du régulateur.
1. LE SYSTEME Le système est constitué d un véhicule électrique (trottinette) à motorisation continu dont la fonction est d assurer confortablement le déplacement d un enfant de six à douze ans. L énergie nécessaire au déplacement du véhicule est fournie par deux batteries d accumulateurs au plomb et est modulée par un convertisseur «DC DC» afin d assurer un déplacement à vitesse variable. La recharge en énergie des batteries est réalisée par une source solaire constituée de deux panneaux photovoltaïques via un régulateur assurant la protection des batteries. Pour des raisons de sécurité et de commodité de mesures, la charge sera simulée par un réglage de la force s exerçant sur la roue motrice arrière de la trottinette dont l intensité sera donnée par une jauge de contrainte extensométrique. Panneau PW500 Vue éclatée La motorisation 2
ETUDE ENERGETIQUE. La distribution d énergie réclamée par notre système est représentée par le synoptique cidessous. Trottinette Panneaux solaires photovoltaïques Régulateur Convertisseur DC - DC Motorisation Charge Batteries 2 Etude des capteurs solaires. (C06 C17- C18 C19) La source d énergie solaire est constituée de deux modules solaires photovoltaïques «Photowatt» de type : PW500 50W, 12 V dont vous trouverez toutes les caractéristiques sur le site «photowatt» principales sont données dans le tableau ci-dessous. 3
Caractéristiques électriques des panneaux solaires en fonction de l ensoleillement E en W.m 2 2.1> Quelle est la technologie utilisée dans ces capteurs solaires? 2.2> Quel est leur principal avantage et leur principal inconvénient? 2.3> Comment sont associés les deux panneaux? Pourquoi? 2.4> De quel type de source électrique s agit-il? 4
2.5> Que représentent les points de fonctionnements marqués en gras sur les caractéristiques de charge d un panneau solaire pour un éclairement donné représenté ci-dessous? I (A) 3,5 3 1 kw/m 2 0,8 kw/m 2 2 0,5 kw/m 2 1 0,5 0,2 kw/m 2 0 5 10 15 20 V (V) 2.6> En appelant U C la tension de sortie du capteur solaire, exprimer cette tension en fonction de la tension U P fournie par un panneau solaire? 2.7> En appelant I C le courant de sortie du capteur solaire, exprimer ce courant en fonction du courant I P fournie par un panneau solaire? 2.8> Exprimer la puissance P C délivrée par le capteur solaire en fonction de U C et I C. Afin d optimiser la puissance fournie par un panneau solaire, on maintient à ses bornes une tension U P égale à 17,5 V à l aide d un hacheur parallèle. 2.9> Tracer la courbe de débit I P en fonction de l éclairement E (irradiance) 2.10> En déduire la puissance fournie par le capteur solaire P C en fonction de l éclairement E : P C = f(e). 2.11> A l aide des données constructeur des panneaux solaires, calculer la surface totale S C du capteur solaire. 2.12> Exprimer la puissance lumineuse reçue P lum par le capteur solaire en fonction de l éclairement et en déduire le rendement énergétique du capteur dans ces conditions de fonctionnement. 5
3 Le régulateur «SOLSUM». Principe de fonctionnement. Sur une installation photovoltaïque, les batteries servent à stocker l énergie produite par les panneaux solaires. Ces batteries doivent être protégées des surcharges et des décharges profondes. Le rôle du régulateur est d assurer ces deux fonctions. Régulation de charge. Si la tension de batterie est trop importante, l électrolyte à l intérieur est en ébullition et un dégagement gazeux se produit (même sur des batteries de type étanche). Une surcharge prolongée entraîne donc une perte d électrolyte et donc une destruction de la batterie. La régulation de charge a pour but d empêcher cette surcharge batterie afin d augmenter sa durée de vie et de limiter au minimum le dégazage. Le régulateur «SOLSUM» utilise la technologie du découpage haute fréquence MLI (PWM) permettant ainsi de réduire la charge des batteries mais sans interrompre complètement le courant de façon à continuer de charger tout en maintenant la batterie à sa tension optimum sans la dépasser. De plus, la tension de la batterie variant en fonction de la température, un capteur électronique intégré au régulateur adapte automatiquement la charge à cette température. Régulation de décharge. La batterie doit aussi être protégée des décharges profondes qui risquent d endommager voire de détruire cette batterie. C est pourquoi le régulateur protège la batterie en déconnectant les utilisations quand sa tension devient trop basse. Quand le générateur solaire a suffisamment rechargé la batterie, les utilisations sont automatiquement reconnectées. 6
Caractéristiques du régulateur. Affichages : Deux leds de couleurs permettent de vérifier le fonctionnement du générateur solaire. Une led de couleur verte (dans le soleil) est allumée dés que l énergie arrive par le module solaire. Quand on arrive en fin de charge de la batterie (régulation de charge) la led clignote. Une led de couleur variable en fonction de la tension de la batterie. Différentes teintes s affichent, de la couleur verte lorsque la batterie est complètement chargée en passant par la couleur jaune en tension nominale jusqu au rouge lorsque la batterie est déchargée. Avant la coupure des utilisations, la led clignote rapidement afin d avertir l usager. Lorsque la régulation de décharge est effective la led rouge clignote lentement Tableau des valeurs électriques. Caractéristiques du régulateur «SOLSUM» 8.8 à 25 C Tension nominale Courant max du module Courant de charge max Consommation du module Tension de régulation de charge Compensation en température Tension de remise en service Tension de régulation de décharge 24 V 8 A 8 A 100 mw 27,4 V 4 mv/ K/cellule 25,2 V 22,2 V Synoptique du régulateur «SOLSUM» Régulateur D 1 D + Panneaux solaires _ T 1 Commande PWM D 2 + charge _ T 2 + _ batteries 7
3.1 Elaboration du schéma fonctionnel équivalent du régulateur. 3.1.1> A partir du synoptique du régulateur «SOLSUM» montrer qu il est équivalent au schéma fonctionnel ci-dessous : Convertisseur n 1 Convertisseur n 2 + Panneaux solaires _ DC DC DC DC + charge _ 3.1.2> Représenter la structure du convertisseur n 1 3.1.3> De quel type de convertisseur s agit-il? Justifier sa nature à l aide de la nature des sources d entrée et de sortie. 3.1.4> Représenter la structure du convertisseur n 2 3.1.5> De quel type de convertisseur s agit-il? Justifier sa nature à l aide de la nature des sources d entrée et de sortie. 3.2 Etude du principe de fonctionnement du régulateur. Hypothèses : on se place dans le cas où la tension de batteries est inférieure à 22.2 V on assimile les panneaux solaires à une source de courant parfaite I p on assimile chaque batterie à un condensateur pré chargé de capacité C très élevée 3.2.1> quel est l état du transistor T 2? 3.2.2> quel est le sens de transfert de l énergie? 3.2.3> effectuer le schéma de montage dans ce cas. On appellera I p le courant délivré par le capteur solaire (supposé constant) et v B (t) la tension aux bornes des batteries. En appelant α 1 le rapport cyclique du convertisseur n 1 et f H sa fréquence de hachage : étudier l évolution de la tension de batteries v B (t) sur une période de hachage tracer v B (t) sur 3 périodes 3.2.4> pour un rapport cyclique constant α 1 = 0,5 et une fréquence de hachage de 1 khz, calculer le temps de charge des batteries compte tenu des tensions caractéristiques du régulateur «Solsum» et que le capteur solaire délivre une tension de 16 V pour un éclairement de 1kW/m 2. (on considèrera qu une batterie est équivalente à une capacité purement théorique de 50 kf) 8