Cet article vous présente la construction d'un Power Router pas à pas.
0. Préambule
Cet article est un compte-rendu et ne prétend pas dire ce qui doit être fait. Imaginez que son rédacteur ne dispose d'aucune formation en électricité ou électronique. Vous devez être vigilant quant au fait que l'électricité tue et que le système utilise le 230 VAC. Si vous n'êtes pas sûr de ce que vous faites, passez votre chemin ou faites vous aider par une personne qualifiée ou compétente. L'association P'tiwatt partage des informations, elle ne vend pas et n'installe pas le Power Router chez vous. Cet article s'adresse à des bricoleurs curieux, libres, autonomes et responsables.
1. L'autoconsommation
Nous avons installé deux modules photovoltaïques d'une puissance crête de 600 Wc.
Ils sont associés à deux micro-onduleurs. La puissance maximum unitaire est de 255 W.
Au maximum, ils sont en capacité d'injecter une puissance de 510 W:
Nous avons également construit et installé une petite éolienne Piggott. Elle produit le jour, mais aussi la nuit. La puissance maximale de l'onduleur est de 500 W. Cette puissance s'ajoute à la puissance du champ de capteurs photovoltaïques. Donc au maximum, l'installation (PV + éolien) est capable de produire 1010 W (255 Wc + 255 Wc +500 W).
Si à l'instant t la puissance produite localement est de 500 W et qu'un grille pain nécessite 800 W, alors la puissance de 500 W sera couverte localement et les 300 W manquants seront fournis par le réseau électrique. La puissance souscrite sur le réseau est donc réduite.
A l'inverse, si à l'instant t nous ne consommons pas d'électricité, alors 800 W seront injectés sur le réseau électrique. Le contrat d'autoconsommation ne rémunère pas l'électricité injectée et ne nous incite pas à le faire. Nous avons donc intérêt à consommer ce surplus par exemple en chauffant de l'eau ou en déclenchant un appareil électrique (machine à laver ...).
Le schéma de principe suivant illustre la situation :
La partie verte est soustraite de la consommation tandis que la partie bleue est injectée sur le réseau.
Le taux d'autoconsommation représente le rapport entre la surface verte et la surface bleue+verte.
Le taux d'autoproduction représente le rapport entre la surface verte et la surface grise+verte.
Plus on installe de capteurs photovoltaïques, plus le taux d'autoconsommation baisse. Autrement dit, le premier capteur est le plus rentable, le second beaucoup moins.
Certains feront installer beaucoup de modules photovoltaïques sur le toit et ne consommeront qu'une petite partie de l'électricité produite tandis que d'autres chercheront à réduire leur consommation, installeront peu de capteurs et chercheront à tout consommer. Devinez où l'on se place...
Si j'installe beaucoup de modules photovoltaïques, j'augmente le taux d'autoproduction mais je baisse le taux d'autoconsommation. L'investissement augmente et la rentabilité diminue.
Si j'installe quelques modules et un routeur solaire, le taux d'autoproduction tend raisonnablement vers 30% et le taux d'autoconsommation vers 90%. L'investissement diminue et la rentabilité augmente.
2. Le rôle du Power Router
Le Power Router que nous allons construire s'inspire des travaux de Robin Emley et du site openenergymonitor.org. Il embarque les modifications proposées par Philippe de Craene visant à améliorer les mesures, notamment en lien avec les fréquentes variations de puissance induites par les rafales de vent sur une éolienne. Ci-après figurent les variations induites par les nuages sur un seul module photovoltaïque. Il faut imaginer que les variations sur une éolienne sont beaucoup plus fréquentes.
Avec le schéma qui suit, OpenEnergyMonitor nous explique comment notre compteur électronique s'incrémente au fil du temps. Chaque fois que nous consommons 1 Wh, le compteur électronique s'incrémente d'1 Wh, au bout de 1000 impulsions, c'est le kWh auquel notre facture d'électricité fait référence.
Source : openenergymonitor.org
Le compteur linky dispose de compteurs de consommation et de production. De la même manière, lorsqu'il y a surplus d'électricité produite par une éolienne, un module photovoltaïque, une génératrice hydraulique... , le compteur de production s'incrémente Wh après Wh.
Afin d'éviter que le compteur de production ne s'incrémente d'1Wh, OpenEnergyMonitor nous propose de consommer l'énergie, mais pas trop, afin de stabiliser la production et la consommation d'énergie autour de zéro selon un cycle d'hystérésis.
Source : openenergymonitor.org
3. Un wattmètre basé sur un Arduino
Sur la base d'un micro-contrôleur Arduino, OpenEnergyMonitor a développé un wattmètre. Il est alimenté par deux capteurs en entrée : un capteur de tension et un capteur de courant.
Lorsque la tension et le courant sont en phase, le système est purement résistif. Cela veut dire que nous sommes en présence d'une résistance pure qui consomme du courant. Ce pourrait être la résistance d'un chauffe-eau, un grille pain ou un convecteur électrique. Le produit de la tension par le courant est positif. La puissance est positive. L'énergie est consommée, il n'y a pas d'injection.
Source : openenergymonitor.org
Lorsque la tension et le courant ne sont plus en phase, le système est capacitif ou inductif. Ce pourrait être un condensateur qui met du temps pour se charger puis se décharge lorsque la tension d'alimentation diminue, ce avec un certain déphasage dans le temps. Cela veut dire que nous sommes en présence d'un moteur, un réfrigérateur, une machine à laver... Le produit de la tension par le courant est souvent positif, mais aussi parfois négatif. La puissance moyenne est positive. L'énergie est consommée, il n'y a pas d'injection.
Source : openenergymonitor.org
Lorsque les courbes de tension et de courant sont en opposition de phase, le produit de la tension par le courant est négatif. La puissance est négative. Ces courbes sont caractéristiques d'une production d'énergie. Nous pourrions être en présence de modules photovoltaïques, d'une éolienne, ... qui produisent plus d'énergie que d'énergie consommée par les appareils électriques. Il a injection.
Source : openenergymonitor.org
4. Principe du Power Router
Rappel : 1 W.h = 3600 W.s = 3600 joules = 3600 J
Lorsque le Power Router détecte un début d'injection via les capteurs de courant et de tension situés en entrée, à partir du seuil de seuil de 1300 J et avant que 3600 J ne déclenche une impulsion au niveau du compteur électrique (tel que décrit ci-dessus), le Power Router alimente, via un module triac situé en sortie, une résistance électrique jusqu'à ce que la puissance liée à la consommation annule la puissance liée à la production électrique.
La consommation et l'injection s'équilibrent autour de zéro. Si l'injection augmente, la consommation augmente. Si l'injection diminue, la consommation diminue. En dessous du seuil de 1300 J, le Power Router cesse d'alimenter la résistance via le module triac.
5. Le triac et le module triac
Un triac est un composant semi-conducteur en silicium avec 3 bornes ou pattes qui permettent au courant de circuler dans les deux sens lorsqu'il est déclenché.
Une fois enclenché par une impulsion sur la gachette (fire), un triac laisse passer le courant pendant deux alternances d'un courant alternatif.
Le module triac permet d'ajuster la quantité d'énergie à dériver dans la résistance. Il est piloté par le Power Router. Voici ci-après le module triac que nous allons utiliser. On voit au milieu le composant triac évoqué ci-dessus.
Suggestion : RobotDyn AC Dimmer 8A/16A/24A 600V
Le schéma de principe ci-dessous illustre le fait que le triac est passant uniquement après le délai α.
A l'issue d'un délai α, calculé par le Power Router, une impulsion (fire) est envoyée au module triac afin d'ajuster la puissance à dériver dans la résistance.
Source https://www.electronics-tutorials.ws/power/diac.html
La durée des 2 alternances ci-dessus est de 20 ms (1 s / 50 Hz). Une seule alternance dure 1 s / 50 Hz / 2 = 10 ms. Pour calculer le déclenchement du triac, la durée d'une alternance a été découpée en 128 intervalles. Chaque intervalle dure 1 s / 50 Hz / 2 / 128 = 0.000078125 s soit environ 78 μs.
Si α est le nombre d'intervalles séparant le point de passage par le zéro (zéro cross) du déclenchement du triac (fire), et que α = 0, alors toute la puissance est dérivée.
Si α = 128, alors le triac ne laisse rien passer.
Lorsqu'il y a production d'énergie, le Power Router intègre la puissance en fonction du temps, c'est à dire qu'il multiplie la puissance par le temps afin de connaître la quantité d'énergie à dériver (E = P x t).
Par exemple, s'il détecte l'injection d'une puissance de 200 W pendant 1 s, puis 300 W pendant 2 s, le Power Router enregistre une quantité d'énergie à dériver de 800 W.s (200 W x 1 s + 300 W x 2 s).
Attention : Notre boîtier contenant le module triac est bien ventilé. Nous utilisons le système depuis plusieurs années sans encombre avec les puissances indiquées ci-dessus (1 010 Wc). Si vous augmentez les puissances, il sera nécessaire d'assurer une ventilation adaptée (voire asservie à la température) du module triac.
6. Zéro Cross
Le module triac que nous utiliserons dispose d'une broche ZC pour Zéro Cross.
Il détecte l'instant où l'onde sinusoïdale du réseau électrique (230 V AC) est à zéro volt d'amplitude.
A cet instant, le module triac envoie un signal sur sa broche ZC.
Dans le graphique ci-dessous, nous pouvons observer trois passages de l'onde sinusoïdale par l'amplitude 0 V : à l'instant t = 0, t = π et t = 2π.
Le signal sur la broche ZC génèrera une interruption au niveau du Power Router lui permettant de connaître précisément l'instant à partir duquel le délai α devra être appliqué. En outre, l'interruption ZC initiera l'instant opportun pour réaliser une série de calcul de tension, intensité et puissance.
La partie puissance du module triac est alimentée par le réseau électrique AC 230V via les connecteurs L et N .
La charge résistive (par exemple la résistance du chauffe-eau) est reliée aux connecteurs LOAD et N du module triac.
La sortie Z-C du module triac est connectée à l’entrée numérique D2 de notre Arduino. C'est par cette liaison que transitera l'interruption Zéro Cross émise par le module triac vers l'Arduino.
L'entrée numérique PSM du module triac est connectée à la sortie numérique D10 de notre Arduino. Le "fire" sera envoyé depuis l'Arduino vers le module triac via cette liaison.
Les pattes GND et VCC alimentent le module triac. Elles seront connectées aux broches GND et +5V de notre Arduino. Les pattes GND et +5V de l'Arduino seront reliées à une carte à trous de prototypage. C'est depuis cette carte de prototypage que nous alimenterons le module triac
Comme indiqué ci-dessus, le module triac génère une interruption lorsqu'il y a passage par le zéro. Si le module triac n'est pas alimenté en 230 V AC, le Power Router ne recevra pas l'interruption et sera figé. C'est la raison pour laquelle, il est nécessaire d'alimenter le module triac, notamment à l'occasion des premiers tests.
7. Un réservoir d'énergie virtuelle
Imaginez un seau rempli, non pas d'eau, mais d'énergie virtuelle. Le Power Router évalue en permanence la quantité d'énergie virtuelle à dériver contenue dans le seau.
Le réservoir dispose d'une capacité de 3600 joules.
Lorsqu'il contient une quantité d'énergie virtuelle inférieure à 1300 joules, le Power Router ne dérive rien. α = 128. Le triac n'est pas passant.
Lorsque la quantité d'énergie virtuelle atteint 1300 joules, le Power Router commence à dériver progressivement dans le triac et de manière linéaire jusqu'à 2300 joules.
A partir de 2300 joules, il dérive toute l'énergie dans le triac. α = 0. Le robinet est ouvert en grand.
A partir de 3600 joules, le power router allume une LED "overload" afin de signaler un problème lié au fait qu'il n'a pas su dériver toute l'énergie dans la résistance. Cela pourrait arriver par exemple si la puissance de la résistance était inférieure à la puisssance à dériver. Dans notre cas, la puissance est de 1200 W (chauffe-eau) pour une puissance à dériver de 1010 W (PV + éolienne).
8. Illustration
Il n'y a pas de production d'énergie. Nous consommons de l'énergie. Par convention la puissance est positive. Elle est de 56 W. Le réservoir virtuel est vide : 0 J. Il n'y a pas d'énergie à dériver donc α = 128.
La production d'énergie est supérieure à la consommmation. II y a surplus d'énergie. Par convention la puissance est négative. Elle est de -235 W. Le réservoir virtuel se remplit. Il est rempli à 852 J. La consigne de 1300 J n'étant pas atteinte, le Power Router ne dérive pas d'énergie donc α = 128.
La production d'énergie est toujours supérieure à la consommmation. II y a surplus d'énergie. Par convention la puissance est négative. Elle est de -238 W. Le réservoir virtuel se remplit. Il est rempli à 1327 J. La consigne de 1300 J est atteinte, le Power Router commence à dériver dans la résistance du chauffe-eau. α = 124.
La consommation d'énergie liée à la dérivation d'énergie dans la résistance du chauffe-eau équilibre la production d'énergie. α = 90. Le Power Router cherche le point d'équilibre autour d'une puissance nulle (cycle d'hystérésis). Le réservoir virtuel se stabilise autour de 1592 J.
9. La sonde de tension
La sonde de tension évoquée ci-dessus est un petit transformateur qui abaisse la tension du réseau et conserve la même fréquence (environ 50 Hz).
Nous allons mesurer la tension en sortie d'un petit transformateur AC 230 -> AC 9V à l'aide d'un multimètre.
(Suggestion : transformateur YHDC Store PE3013-M 230AC/6V AC).
Nous observons une tension alternative de 10.36 V dont une représentation graphique serait similaire à la courbe qui suit.
La tension admissible par le micro-contrôleur Arduino doit être comprise entre 0 V et +5 V. Nous allons devoir travailler le signal issu du petit transformateur afin que la tension soit comprise entre 0 et +5V.
Pour cela, nous allons construire un pont diviseur de tension que nous allons placer entre la masse (GND) et le +5V de notre Arduino afin que le "middle point" ne soit plus 0 V mais 2.5 V.
Dans notre cas, les résistances R1 ont une valeur d'1 kΩ. Le condensateur a une valeur de 10 μF. La résistance R2 est calculée en fonction de la tension efficace mesurée aux bornes du transformateur (voir photo ci-dessus : 10.36V) soit R2 = 0.7 x 10.36 - 1 = 6.252 kΩ.
Ne disposant pas de cette résistance, nous allons mettre en série les résistances disponibles jusqu'à obtenir la résistance immédiatement supérieure afin que la tension en entrée du micro-contrôleur soit inférieure à 5V et ainsi ne pas détériorer notre Arduino. Dans notre cas R2 = 1 kΩ + 1 kΩ + 4.7 kΩ = 6.7 kΩ.
Nous allons poser notre Arduino NANO, insérer puis souder les composants sur une plaque à trous de prototypage. Les connecteurs male ou femelle des câbles "Dupont" sont coupés puis les câbles sont soudés sur la plaque à trous afin de réduire le risque de problème de connexion.
Le condensateur C1 est polarisé. Cela veut dire qu'il y a un sens respecter. La patte négative est plus courte. Elle est repéré "-" sur le composant et est reliée à la masse GND.
La sortie A1 décrite dans le schéma ci-dessus est connectée à l'entrée analogique A1 de notre Arduino.
La masse (GND) et le +5V décrits ci-dessus, sont connectés aux broches GND et +5V de notre Arduino (ici un NANO).
Notre Arduino lira une tension analogique comprise entre 0 V et 5 V qu'il convertira en une valeur numérique comprise entre 0 et 1023 via un convertisseur interne (Convertisseur Analogique Numérique CAN). 2.5V étant le "middle point", alors le chiffre 511 représentera 0 V.
Une calibration de la tension sera effectuée à la mise en route du Power Router afin d'associer précisément la tension lue avec la tension effective du réseau. Pour cela, nous utiliserons un Wattmètre afin de disposer d'une valeur de référence.
10. La sonde de courant
La sonde de courant évoquée ci-dessus est un capteur de courant alternatif à noyau fendu.
(Suggestion : YHDC SCT010 Φ10 80A-26.6mA, sans résistance burden !).
La tension admissible par le micro-contrôleur Arduino doit être comprise entre 0 V et +5 V. Nous allons devoir travailler le signal afin que la tension soit comprise entre 0 et +5V.
Pour cela, nous allons construire un pont diviseur de tension que nous allons placer entre la masse (GND) et le +5V de notre Arduino afin que le "middle point" ne soit plus 0 V mais 2.5 V.
Volontairement, nous avons choisi une sonde de courant sans résistance burden. Par ailleurs, nous avons choisi un modèle de sonde de courant autorisant le passage d'un câble de 10 mm de diamètre. En effet, le diamètre du câble de "phase" arrivant au tableau électrique avec isolant est proche 8 mm.
Le but de la résistance de détection de courant est de générer une tension proportionnelle au courant qui peut être vue par le circuit de mesure de tension. La résistance est le lien entre la tension et le courant (U = R x I). Attention, plus la résistance est grande, plus la tension est élevée !
Nous devons nous assurer que la tension aux bornes de la résistance burden ne dépassera pas 2.5 V afin de ne pas endommager notre Arduino.
Le choix de la résistance burden dépend du courant maximum qui traversera le capteur de courant et du rapport en nombre de tours entre l'enroulement primaire et l'enroulement secondaire.
Par exemple, si nous choisissons le transformateur de courant YHDC SCT010 80 A : 26.6 mA, alors le rapport en nombre de tours entre l'enroulement primaire et l'enroulement secondaire est 80 / 0.0266 soit 3000.
La relation entre la valeur maximale et la valeur efficace pour des tensions alternatives est la suivante : U max = U efficace x √2.
Si le courant efficace admissible par la sonde de tension est de 80 A, alors la valeur maximale du courant sera de 80 A x √2 = 113.13 A. En sortie du capteur de courant, nous obtiendrons une valeur maximale de 113.13 A / 3000 = 0.03771 A. La résistance burden idéale serait de 2.5 V / 0.03771 A = 66 Ω.
Ayant souscrit un abonnement d'une puissance de 6 KVA, l'intensité ne dépassera pas 30 A. La résistance burden idéale est de 2.5 V x 3000 / (√2 x 30 A) = 176 Ω. Pour les raisons invoquées ci-dessus. il est nécessaire de choisir une résistance d'une valeur inférieure. Nous allons donc installer une résistance d'une valeur inférieure à 176 Ω. Nous disposons (en stock) d'une résistance d'une valeur de 100 Ω que nous allons installer aux bornes du capteur de courant (ci-après identifiée R3).
Nous allons souder les composants sur la plaque à trous de prototypage.
Voici une vue de dessous. Les pattes son pliées et soudées afin de réaliser les pistes. La piste +5V a été calée afin d'arriver sur la broche +5V de l'Arduino NANO.
La sortie A0 décrite dans le schéma ci-dessus est connectée à l'entrée analogique A0 de notre Arduino.
La masse (GND) et le +5V décrits ci-dessus, sont connectés aux broches GND et +5V de notre Arduino.
Notre Arduino lira une tension analogique comprise entre 0 V et 5 V qu'il convertira en une valeur numérique comprise entre 0 et 1023 via un convertisseur interne (CAN). 2.5V étant le "middle point", alors le chiffre 511 représentera 0 V. Cette tension sera représentative du courant traversant la sonde de courant. Si la tension est de 2.5 V, cela traduira que la sonde de courant est traversée par aucun courant : 0 A.
Une calibration de l'intensité sera effectuée à la mise en route du Power Router afin d'associer précisément l'intensité lue avec l'intensité effective parcourant la sonde de courant. Pour cela, nous utiliserons un Wattmètre afin de disposer d'une valeur de référence.
11. Module d'alimentation
Du fait que l'alimentation 230V AC est nécessaire pour la sonde de tension, alors nous allons profiter de sa présence pour alimenter un module d'alimentation (convertisseur 230V AC -> 9V DC) afin d'alimenter le micro-contrôleur Arduino NANO par la broche Vin.
(Suggestion : Transformateur abaisseur de précision Buck, AC-DC W, 500mA 9V)
La sortie GND du module d'alimentation est connectée à la broche GND de notre Arduino NANO.
La sortie + 9V DC du module d'alimentation est connectée à la broche Vin de l'Arduino NANO.
12. Afficheur LCD 16x2 I2C
L'installation d'un afficheur LCD est facultative. Le Power Router peut très bien fonctionner sans. Cependant, les informations affichées vous informent de son bon ou mauvais fonctionnement. Elles peuvent vous aider à prendre des décisions. Par exemple : j'ai trop d'énergie, je lance mon lave-linge.
Cet écran permet d'afficher 2 fois 16 caractères en lettres blanches sur fond bleu. Ce type d'écran consomme très peu d'énergie.
I2C est un bus informatique. Le module I2C permet ici de relier facilement le micro-contrôleur Arduino NANO à l'afficheur LCD en utilisant seulement deux lignes : SDA (Serial DAta) et SCL (Serial CLock). Ce module est soudé à l'arrière de l'afficheur LCD.
La broche SDA du module I2C est reliée à la broche A4 de notre Arduino.
La broche SCL du module I2C est reliée à la broche A5 de notre Arduino.
Les broches VCC et GND du module I2C sont respectivement reliées aux broches +5V et GND de notre Arduino
Attention : Parfois, la bibliothèque d'origine LiquidCrystal associée au bus I2C ne fonctionne pas bien. C'est la raison pour laquelle une autre bibliothèque est fournie ci-après au paragraphe 16. Si malgré l'installation de la nouvelle bibliothèque, l'afficheur LCD ne fonctionne pas, tentez d'effacer ou renommer la bibliothèque d'origine. Si malgré les recommandations précédentes l'afficheur ne fonctionne toujours pas, tentez de tourner la vis située à l'arrière de l'afficheur afin de modifier le contraste.
13. Quelques photos
Voici quelques photos de notre Power Router en cours de fabrication
Une vue de dessous
En voici un autre
14. LEDs indiquant l'activité et l'overload
L'installation de LEDs est facultative. Le Power Router peut très bien fonctionner sans. Cependant, elles informent du bon ou mauvais fonctionnement du Power Router.
Par exemple : l'activation de la LED Overload informe l'utilisateur du fait que le réservoir d'énergie virtuelle a dépassé 3600 joules. Physiquement cela veut dire que le Power Router ne réussit pas à dériver toute l'énergie dans la résistance, et qu'il est fort probable que le surplus d'énergie soit injecté sur le réseau électrique.
La LED bleue Activity est allumée lorsque la réserve d'énergie virtuelle dépasse le seuil de 1300 joules. Elle signale une activité normale.
La LED rouge Overload est allumée lorsque la réserve d'énergie virtuelle dépasse le seuil de 3600 joules. Elle signale une anomalie.
Les LED sont polarisées. Cela veut dire qu'il y a un sens respecter. La patte la plus courte de chacune des deux LED est le coté négatif appelé "cathode".
Si nous alimentons les LED directement en 5 V (tension délivrée par l'Arduino), elles éclairent mais, le courant qui les traverse est excessif et elles finissent par chauffer et griller. Pour limiter le courant, nous allons câbler une résistance en série avec chaque LED.
Les caractéristiques techniques des LED sont normalement données par le constructeur dans un document technique appelée datasheet. N'en disposant pas, nous allons partir sur une tension maximale de 2.1 V aux bornes de la LED et un courant maximal de 20 mA.
Nous calculons la chute de tension nécessaire : U résistance = U alim_5V - U led = 5 V - 2.1 V = 2.9 V.
Nous calculons ensuite, à l'aide de la loi d'Ohm (U = R x I), la valeur de la résistance en tenant compte de la valeur du courant maximal admissible par la LED (20 mA).
R résistance = U résistance / 20 mA = 2.9 V / 0.02 A = 145 Ω.
Ne disposant pas d'une résistance de 145 Ω, nous allons choisir une résistance en stock d'une valeur immédiatement supérieure, soit 220 Ω.
Les cathodes sont chacune reliées à une résistance de 220 Ω afin de limiter le courant traversant la LED. Les résistances sont reliées à la broche GND de notre Arduino.
La patte la plus longue de chacune des deux LED est le coté positif appelé "anode".
L'anode de la LED Overload est reliée à la broche numérique D13 de notre Arduino.
L'anode de la LED Activity est reliée à la broche numérique D3 de notre Arduino.
15. Qu'est-ce qu'Arduino ?
Arduino est un projet mettant en oeuvre une carte électronique (dans notre cas, une carte Nano) et un logiciel multiplateforme. Il a été conçu pour être accessible à tous dans le but de créer des systèmes électroniques, ce que nous sommes entrain de réaliser.
Il est possible qu'Arduino soit nouveau pour vous et que vous ne sachiez pas par où commencer. Auquel cas, nous vous recommandons, pour une prise en main rapide et didactique, le blog d'Eskimon : https://eskimon.fr/. Vous allez devoir investir un peu de votre temps, mais vous ne le regretterez pas.
16. Un algorithme
Voici un algorithme pour votre Power Router : 20201115_PowerRouter_v325.ino
Préalablement au téléversement du programme ci-dessus dans votre Arduino, vous allez devoir installer les bibliothèques suivantes :
TimerOne-r11.zip
Timer-2.1.zip
LiquidCrystal_I2Cbonne.zip
Attention : La bibliothèque LiquidCrystal d'origine peut ne pas bien fonctionner. Il s'agit de la bibliothèque qui gère le bus I2C et donc votre afficheur LCD. C'est la raison pour laquelle nous vous communiquons ci-dessus une autre bibiothèque. Si les problèmes persistent, il peut être nécessaire d'effacer ou de renommer l'ancienne bibliothèque.
17. Calibration du Power Router
Au lancement du Power Router, la lecture de la tension, de l'intensité et de la puissance efficace seront fausses. Il nous faut donc étalonner le Power Router afin de garantir les bonnes mesures et son bon fonctionnement. Étalonner veux dire que nous allons le paramétrer afin que la tension et l'intensité lues avec le Power Router soient identiques avec celles délivrées par un multimètre ou un wattmètre.
Le temps de la calibration, le Power Router va calculer les valeurs efficaces (ou RMS) afin qu'elles soient comparables aux valeurs délivrées par un multimètre ou un wattmètres, dont les valeurs sont efficaces (ou RMS).
Afin de déterminer le courant qui traverse la sonde de courant et la tension du réseau électrique, le Power Router lit des valeurs instantanées lesquelles oscillent en permanence sur une plage comprise entre 0 et 5V.
Le signal obtenu en sortie des sondes de courant et de tension, donc sur les entrées analogiques A0 et A1 de l'Arduino, est de type sinusoïdal.
Le convertisseur analogique numérique (CAN), interne à l'Arduino, convertit la tension délivrée par chaque sonde en un nombre entier compris entre 0 et 1023. Le chiffre 511 représente 2,5V.
Pour calculer l'intensité, la tension puis la puissance efficace, l'algorithme utilise la méthode dite Root Mean Square (RMS).
Source : https://fr.fmuser.net
Cette méthode élève au carré les valeurs instantanées lues sur les deux sondes, elle les ajoute durant une période, calcule la valeur moyenne, puis effectue la racine carré de la moyenne. Il s'agit d'une moyenne quadratique.
Source : https://fr.fmuser.net
Dans notre cas, le calcul de l'intensité, de la tension et de la puissance efficace est effectué sur 20 alternances. Le top du départ du calcul sur 20 alternances est donné par une interruption générée par le module triac via la fonction Zéro Cross.
Si vous ne disposez pas d'un wattmètre, il est possible d'utiliser une ampoule dont vous connaissez la puissance. Par exemple un ampoule de 75 W branchée sur le réseau électrique sera parcourue par un courant d'environ 0,32 A. Il est recommandé d'étalonner le Power Router à l'aide d'une puissance plus importante, par exemple un grille pain d'environ 1000 W.
Le temps de la calibration, il faut positionner le paramètre bCalibration à la valeur true et utiliser le moniteur série de l'interface de développement Arduino afin de lire les valeurs.
const bool bCalibration = true;
Si la valeur de la tension du réseau électrique lue par le Power Router est trop basse ou trop haute par rapport à la référence donnée par le multimètre ou le wattmètre, il faut ajuster la valeur du paramètre fVCalibration jusqu'à obtenir la valeur attendue.
const float fVCalibration = 0.84;
Si la valeur de l'intensité, parcourant par exemple une ampoule de 75 W, lue par le Power Router est trop basse ou trop haute par rapport à la référence donnée par un wattmètre, il faut ajuster la valeur du paramètre fICalibration jusqu'à obtenir la valeur attendue.
const float fICalibration = 144.0;
A l'issue de la calibration, il faut ne pas oublier de positionner le paramètre bCalibration à la valeur false afin de ne pas consommer inutilement le temps de calcul de l'Arduino (parce que les appels à la fonction d'affichage consomment des ressources et ralentissent les calculs).
const bool bCalibration = false;
18. Calibration et tests
Installez votre banc de test sur votre table de salon. Sur la photo suivante on oberve un PC sous Linux, un câble USB, le power router, deux ampoules à incandescence de 75 W et un wattmètre :
Mesurez la tension efficace du réseau électrique par exemple à l'aide du wattmètre. Ici 243 V :
Mesurez l'intensité efficace induite par l'ampoule A de 75 W branchée sur le wattmètre. Ici, nous observons une intensité efficace de 0.33 A :
Installez votre Power Router. Attention danger, le module triac, le transformateur et l'alimentation du micro-contrôleur Arduino NANO sont alimentés en 240 VAC. La phase de l'ampoule A passe dans la sonde de courant. Le micro-contrôleur est connecté au PC via un câble USB. Pour l'instant, l'ampoule A n'est pas branchée sur le réseau électrique :
Téléchargez le programme 20201115_PowerRouter_v325.ino fourni au paragraphe 16 dans l'interface de développement (IDE) Arduino. Positionnez bVerbose et bCalibration à true et téléversez le nouveau programme dans le micro-contrôleur Arduino :
Lancez le moniteur série en cliquant sur l'icône situé en haut à droite de l'IDE :
Observez la valeur de la tension efficace dans le moniteur série. Ici, nous observons que la valeur Vrms est comprise dans l'intervalle 231 à 232 V :
Ajustez la valeur de fVCalibration jusqu'à obtenir une tension efficace Vrms égale à celle fournie par le wattmètre ci-dessus (243 V). Dans le cas présent, nous augmentons la valeur de fVCalibration jursqu'à obtenir Vrms = 243 V. Ici, nous affectons la valeur 0.86 au paramètre fVCalibration. Téléversez le nouveau programme dans le micro-contrôleur Arduino :
Nous observons ci-dessus dans le moniteur série que la valeur de la l'intensité efficace Irms est presque égale à 0 et que la valeur de la tension efficace Vrms est identique à la valeur fournie par le wattmètre (243 V), c'est OK pour la calibration de la tension.
Passons à la calibration de l'intensité. Pour cela, branchez l'ampoule A sur le réseau électrique et observez l'afficheur du Power Router. Ici, nous observons une puissance P de -75 W. Le fait que la puissance P soit négative représente/simule une injection dans le réseau électrique. C'est la raison pour laquelle le réservoir virtuel R passe de 0 à 3600 J et le paramètre D (dimmer) passe de 128 à 0. Pour la calibration, ce n'est pas gênant.
Pour l'exercice, il est possible de retourner la sonde de courant sur le même câble et d'observer une puissance P de 75 W. Le fait que la puissance soit positive représente/simule une consommation d'énergie :
Observez dans le moniteur série la valeur de l'intensité efficace Irms et comparez là à celle délivrée par le wattmètre ci-dessus ( 0.33A) :
Ajustez la valeur de fICalibration jusqu'à obtenir une intensité efficace Irms égale à celle fournie par le wattmètre ci-dessus (0.33A). Ici, nous affectons la valeur 46 au paramètre fICalibration. Téléversez le nouveau programme dans le micro-contrôleur Arduino. Nous observons une légère augmentation de la valeur de Irms dans le moniteur série :
Nous observons que la valeur de l'intensité efficace Irms obtenue dans le moniteur série est identique à la valeur fournie par le wattmètre (0.33A), c'est OK pour la calibration de l'intensité.
Vous constatez ci-dessus que la puissance apparente aP et la puissance réelle rP sont presque identiques et environ égales à 76 W. Le paramètre pF (power factor) ou cos φ est presque égal à 1 (0.99). Cette valeur témoigne de la présence d'un appareil électrique résistif (ici une ampoule à incandescence).
Positionnez bVerbose et bCalibration à false afin de ne pas ralentir le Power Router et téléversez le nouveau programme :
=> Votre Power Router est calibré !
Conseil n°1 : Il est possible d'effectuer une seconde calibration de l'intensité à l'aide d'un appareil électrique résistif plus puissant tel qu'un grille pain (d'une puissance de 1000 W environ) afin de vous assurer du bon fonctionnement du Power Router sur un autre plage de puissance.
Conseil n°2 : Notez les valeurs affectées aux paramètres fVCalibration et fICalibration sur le boitier du Power Router ou dans un carnet. Cela pourrait être utile de conserver une trace de ces valeurs pour une maintenance future.
Observation : La puissance électrique affichée par le wattmètre est une puissance efficace (ou RMS) exprimée en W. La puissance affichée par le Power Router est une puissance réelle (ou active) exprimée en W. La puissance affichée par le Linky est une puissance apparente exprimée en VA. Les appareils électriques capacitifs ou inductifs (moteurs...) induisent des variations du paramètre cos φ. C'est la raison pour laquelle il est possible d'observer un écart avec l'affichage de votre Linky selon les appareils électriques composant votre réseau électrique.
Vous pouvez profiter de ce banc de test pour tester et comprendre le fonctionnement de votre Power Router.
Pour la suite, le PC n'est plus utile, il peut être déconnecté.
L'ampoule A simule une injection (par exemple -75 W).
Dans un premier temps, nous retournons la sonde de courant sur la phase de l' ampoule A afin de simuler une injection.
Nous installons une deuxième ampoule à incandescence (B) sur le module triac. De préférence, la puissance de ampoule B sera supérieure à celle de l'ampoule A :
Ensuite, nous passons la phase de l'ampoule B également dans la sonde courant afin de simuler la charge :
Nous alimentons le Power Router puis alimentons l'ampoule A.
Nous observons une puissance P de -75 W au niveau de l'afficheur. Lorsque le réservoir virtuel R atteint 1300 joules, l'ampoule B, qui simule la charge, commence à s'allumer.
Si la puissance P de l'ampoule B s'ajoute à celle de l'ampoule A au niveau de l'afficheur lorsque le réservoir virtuel R atteint 1300 J, c'est qu'il faut inverser le sens du câble de l'ampoule dans la sonde de courant. Dans ce cas éteindre le tout et inverser le sens du câble de l'ampoule B dans la sonde courant.
Si tout va bien, nous observons une puissance P de -75 W au niveau de l'afficheur. Lorsque le réservoir virtuel R atteint 1300 joules, l'ampoule B, qui simule la charge, s'allume progressivement :
Le champ induit par l'ampoule B vient annuler le champ induit par l'ampoule A. Le paramètre D (dimmer) passe de 128 à une valeur inférieure. La puissance P affichée par le Power Router oscillera autour de 0 W. Le réservoir virtuel d'énergie R et le paramètre D vont se stabiliser autour d'une valeur d'équilibre. L'énergie consommée par la charge de l'ampoule B annule l'énergie injectée et simulée par l'ampoule A.
Progressivement, les ampoules A et B éclairent de la même manière :
Lorsque nous éteignons l'ampoule A, l'ampoule B continue d'éclairer, mais se met à décliner, ce jusqu'à ce que le réservoir virtuel R atteigne 1300 J :
=> Ça fonctionne !
19. Schéma de raccordement
Le signal en sortie du module triac est hashé. C'est à dire qu'il ne peut pas alimenter un appareil qui attend un signal électrique propre tel que délivré par le réseau électrique. Cette énergie sera utilisée dans un système résistif dépourvu d'électronique comme par exemple la résistance d'un chauffe-eau et la résistance d'un radiateur électrique.
Dans notre cas, nous sommes équipés d'un petit chauffe-eau de 100 litres, disposant d'une carte électronique et d'une résistance stéatite de 1200 W qui dépasse la puissance crète de l'installation (ici 1010 Wc pour l'éolienne et le PV). Le fait que la puissance de la résistance (1200 W) soit supérieure à la puissance de l'installation (1010 Wc) assure le fait au système la capacité à absorber toute l'énergie et de ne pas injecter l'énergie sur le réseau électrique.
Dans le cas contraire, la résistance ne sera pas en capacité d'absorber toute l'énergie, laquelle sera injectée sur le réseau électrique. En pareil cas, le niveau du réservoir d'énergie virtuelle atteindra 3600 joules et la led Overload s'allumera.
Le signal de la carte électronique a été dérivé pour piloter 1 relais.
Lorsque le chauffe-eau électrique atteint sa température nominale (par exemple 60°C), le thermostat pilote un relais qui dirige le surplus énergétique vers un radiateur résistif (dans notre cas 1200 W) pour dissiper les calories gratuites dont le réseau électrique ne veut pas. Cela contribue au chauffage de votre eau chaude et de votre logement. Par ailleurs, cette solution protège votre chauffe-eau électrique d'une trop haute température. La température sera limitée à la température de consigne du chauffe-eau, soit environ 60°C.
Le système est complété par une minuterie. La minuterie déclenche l'appoint électrique, par exemple la nuit (de 2h à 6h), à un moment qui pose moins de contraintes sur le réseau électrique (c'est mieux qu'à 19h). Cet appoint nocturne, nous l'utilisons uniquement en hiver jusqu'à la mi-avril, mois à partir duquel nous sommes très souvent autonomes en énergie solaire thermique. Trois options permettent de déclencher l'appoint électrique : il peut être 1-forcé, 2-lié à la minuterie, 3-désactivé.
Conseil : Tant que possible, préférez le mode 3-désactivé afin de stocker un maximum d'énergie solaire dans votre chauffe-eau. Activez l'appoint (mode 2-lié à la minuterie) uniquement lorsque cela devient nécessaire (lorsque votre douche est froide).
Le système est protégé par des disjoncteurs C2 et C16 choisis en adéquation avec notre configuration. Les relais sont également choisis en adéquation avec les puissances indiquées. Le schéma du câblage du système est le suivant :
Les relais utilisés sont limités à 8A. La référence des relais est Schneider Électrique DPDT RSB2A080P7 de 8A série RSB).
Ils sont montés sur un socle : Schneider Électrique RSZE1S48M Embase 10A 250 VAC série Zéliov. L’usage de ce relais (8A) est possible parce que la puissance crête de notre installation photovoltaïque couplée à l’éolienne est faible (1 010 Wc).
Si vous cherchez un relais un peu plus costaud, il vous faut chercher un relais DPDT, dont la bobine peut être alimentée par une tension de 230 VAC et acceptant une tension au niveau des contacts de 250 VAC minimum. A priori, le relais Finder réf. N°62.32.8.230.0000 et la base Finder réf. n°92.03 font l'affaire. Ce relais peut être monté sur un rail et accepte 16A. A vous de vérifiez cela auprès de votre électricien préféré.
Observation : La sonde de courant doit être positionnée sur la phase arrivant au tableau électrique (voir le schéma au paragraphe 4). Au moment de l'installation, vérifier qu'en présence d'appareils électriques consommateurs (sans production photovoltaïque ou éolienne) l'afficheur du Power Router indique une puissance P positive. Si la puissance P affichée est négative, alors inversez le sens de la sonde de courant sur le câble de phase.
20. Résultats et limites
Nous pensons que ce système est vertueux lorsqu'il est associé à une petite installation photovoltaïque ( < 1 000 Wc) du fait qu'il augmente le taux d'autoconsommation, c'est à dire la part consommée de l'énergie produite. Il réduit ainsi la facture énergétique. Il limite l'investissement matériel, financier et réduit en conséquence l'impact sur l'environnement. En outre, lorsqu'il est mis en œuvre par des personnes éclairées, le système aide à prendre conscience des consommations électriques et à adopter des comportements plus sobres et vertueux, ce, sans nuire au confort.
Notre consommation électrique quotidienne moyenne est d'environ 2.6 kWh/j. Lorsque la situation s'y prette, une petite éolienne couplée au champ photovoltaïque permet de disposer d'une production hybride d'élecricité et d'effacer le bruit de fond nocturne voire d'effacer la consommation électrique en situation ventée et sans soleil :
Journée sans soleil, avec vent, consommation de 0.4 kWh le 22 février 2022
Nous avons constaté que la seule automatisation des transferts de l'énergie dans l'eau chaude via les 2 relais et la minuterie a réduit notre facture énergétique de 25%. Nous concernant, l'automatisation a permis à notre consommation électrique de passer de 1 250 kWh à 925 kWh.
Sachant que la consommation électrique moyenne d'un foyer français est d'environ 5 000 kWh, le coût de notre énergie électrique annuelle consommée est d'environ 161€ (925 kWh x 0,1740 €). Ces chiffres sont donnés sous réserve d'appliquer quelques principes évidents de sobriété/sevrage énergétique.
L'investissement dans l'installation photovoltaïque est inférieur à 600 € (pour 600 Wc). Le Power Router, les relais, la minuterie, les disjoncteurs ... coûtent moins de 100€.
Ce système permet de disposer d'eau chaude au réveil et de placer le chauffe-eau dans un état (c'est à dire plus froid) tel qui pourra recevoir/absorber l'énergie solaire du jour. L'appoint, lorsqu'il est nécessaire, est décalé en milieu de nuit, à moment qui pose moins de contraintes au réseau électrique.
Nous n'avons pas testé le système à plus de 1 010 Wc parce que nous n'en voyons pas l'intérêt. En effet, nous utilisons l'énergie solaire thermique qui convient mieux à la production de chaleur ou de chauffage et présente de meilleurs rendements. Le Power Router est pour nous un moyen de stocker un faible surplus dans de l'eau chaude. Nous aurions préféré ne pas le mettre en place et être encouragé à dériver gratuitement ces surplus dans le réseau électrique.
Quant au fait de dériver le surplus énergétique dans des batteries et/ou véhicules électriques qui serait la conséquence de l'acquisition d'une trop grosse installation, nous ne l'évoquerons pas. Les systèmes à batteries présentent un très mauvais rendement en raison notamment des nombreuses conversions physico-chimiques. Les batteries ne durent pas très longtemps, elles sont très chères, elles exigent une surveillance constante, elles sont néfastes pour l'environnement, elles sont dangereuses (elles présentent des risques d'explosion et d'incendie), elles crééent un faux sentiment d'indépendance et d'autonomie... Elles sont souvent le choix de pseudo écologistes et survivalistes fortunés qui, craignant de devoir modifier leur comportement et ne sachant pas dimensionner correctement leur système en amont, installent ou font installer une grosse installation solaire photovoltaïque et cherchent à postériori à récupérer les surplus énergétiques qu'ils n'ont pas su anticiper.
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