Rapport T.E.R. Conception d'un chargeur de batterie...
33
DEBAYLE Sébastien HOURDEQUIN Hélène POULIN Marius MASTER 1 SYGELEC Sessions 2010/2011 Rapport T.E.R. Conception d'un chargeur de batterie solaire alimenté par un panneau photovoltaïque industriel
Transcript of Rapport T.E.R. Conception d'un chargeur de batterie...
DEBAYLE Sébastien HOURDEQUIN Hélène POULIN Marius MASTER 1 SYGELEC
Sessions 2010/2011
Rapport T.E.R.
Conception d'un chargeur de batterie solaire alimenté par un panneau
photovoltaïque industriel
Sessions 2010/2011
1
SOMMAIRE
1. INTRODUCTION ............................................................................................................. 2
2. REMERCIEMENTS ......................................................................................................... 3
3. PRESENTATION DU PROJET PAR FONCTIONS ....................................................... 4
4. RAPPELS THEORIQUES ESSENTIELS ........................................................................ 5
4.1 Le panneau photovoltaïque ................................................................................... 5
4.2 Schéma électrique équivalent d’une cellule solaire .............................................. 5
4.3 Courbe caractéristique d’une cellule pour un éclairement considéré ................... 6
4.4 Fonctionnement du hacheur abaisseur (type Buck) .............................................. 6
4.5 Fonctionnement du microcontrôleur PIC ............................................................. 7
4.6 Fonctionnement de la Batterie .............................................................................. 7
4.7 Schéma électrique équivalent d’une batterie au plomb ....................................... 8
4.8 Courbe caractéristique d’une cellule de batterie au plomb ................................... 9
5. ETUDE ET CHOIX DE LA STRUCTURE MPPT ........................................................ 10
5.1 La structure intelligente MPPT (« Maximum Power point tracking ») .............. 10
5.2 Méthodes de recherche du point maximal ......................................................... 10
5.3 Algorithme .......................................................................................................... 11
5.4 Programme final implanté dans le microcontrôleur PIC16F876 ........................ 11
6. MODELISATION ET DIMENSIONNEMENT DE CERTAINES STRUCTURES ..... 12
6.1 Modélisation des cellules photovoltaïque ........................................................... 12
6.2 Dimensionnement du hacheur abaisseur (type Buck) ........................................ 12
6.3 Schéma électrique équivalent de la batterie au plomb ........................................ 12
7. SIMULATIONS SUR LOGICIEL ET COMPARAISON AVEC LA PRATIQUE ....... 14
8. CONCLUSION ............................................................................................................... 15
9. GLOSSAIRE ................................................................................................................... 16
10. BIBLIOGRAPHIE ...................................................................................................... 17
11. ANNEXES .................................................................................................................. 18
Sessions 2010/2011
2
1. INTRODUCTION L'énergie solaire fait partie des nouvelles sources d’énergies renouvelables. Elle
désigne l'énergie récupérée par des panneaux solaires pour la transformer en électricité. Les cellules photovoltaïques du panneau solaire produisent du courant continu à partir du rayonnement solaire. Ce courant peut alors être utilisé pour chauffer, éclairer ou recharger la batterie d'un appareil. Lorsque les installations photovoltaïques sont connectées à un réseau de distribution, la revente de l’énergie solaire produite est possible. Les installations non connectées peuvent directement consommer l'électricité produite ou la stocker.
Le projet que nous avons choisi de réaliser est la conception d'un chargeur de batterie solaire directement alimenté par un panneau photovoltaïque industriel situé sur le toit du bâtiment 3A. Cette étude est réalisée en vue de la préparation de nouveaux Travaux Pratiques dédiés au solaire dans le futur Master EEA-AEETS.
Après une brève étude du panneau photovoltaïque et de la batterie mis à disposition, nous avons réfléchit à une structure intelligente permettant à partir du panneau de charger une batterie en toute sécurité.
Notre dossier débutera par une présentation du projet fonctions par fonctions, de rappels théoriques essentiels de certaines fonctions, une étude approfondie des structures (justifications et dimensionnement), des simulations réalisées à partir de différents logiciels, une réalisation pratique du projet et pour finir une conclusion.
Sessions 2010/2011
3
2. REMERCIEMENTS
Avant tout développement de ce projet, il apparaît opportun de commencer ce rapport par des remerciements, à ceux qui nous ont aidés sur le plan personnel à la réalisation de notre projet.
Aussi, Nous remercions donc Mr. Thierry PERISSE, Professeur de l’Université pour nous avoir accueillis au sein du Bâtiment A3, salles G45-G46 et qui nous a accompagné et guidé tout au long de notre projet.
Nous remercions également les autres Professeurs du Bâtiment ainsi que le Technicien de nous avoir facilité l’accès aux salles de travails.
Sessions 2010/2011
4
3. PRESENTATION DU PROJET PAR FONCTIONS
La fonction chargeur de batterie photovoltaïque est réalisée à l’aide d’un convertisseur continu/continu. Dans notre cas, le niveau de tension nécessite l’utilisation d’un convertisseur abaisseur de type Buck.
La technique de contrôle communément utilisée consiste à agir sur le rapport cyclique
du convertisseur de manière automatique pour amener le générateur photovoltaïque à sa valeur optimale de fonctionnement qu’elles que soient les instabilités météorologiques ou variations brutales de charges qui peuvent survenir à tout moment. Pour cela nous utilisons une commande extrémale MPPT.
Cahier des charges : Le matériel mit à disposition conditionne directement notre cahier des charges.
Panneau Photovoltaïque
PHOTOWATT PW6-110 Wp - 12V
Batterie SONNENSCHEIN Plomb Gel A512/30 G6 - 12v - 30Ah
PIC MICROELECTRONICA 16F876
Sonde de courant LEM HXS 20-NP
Notre projet consiste à réaliser un régulateur de charge pour batterie en toute sécurité pour celle-ci et de manière optimale.
Le régulateur est l’élément central d’un système photovoltaïque : il contrôle le flux d’énergie. Il doit charger la batterie tout en la protégeant des surcharges et des décharges profondes et réaliser une transformation de puissance (recherche du point de puissance maximum, « Maximum Power point tracking », MPPT).
Sessions 2010/2011
5
4. RAPPELS THEORIQUES ESSENTIELS
4.1 Le panneau photovoltaïque
L’énergie solaire photovoltaïque convertit directement le rayonnement lumineux en électricité. Elle utilise pour ce faire des modules photovoltaïques composés de cellules solaires qui produisent de l’électricité en courant continu.
Le matériau le plus répandu pour les cellules solaires est le silicium*, un semi-conducteur de type IV. Il est dit tétravalent, cela signifie qu’un atome de silicium peut se lier avec 4 autres atomes de même nature. Le silicium solaire est soit cristallin, soit amorphe.
La conversion d’énergie met en jeu trois phénomènes physiques : - l’absorption de la lumière dans le matériau, - le transfert d’énergie des photons aux charges électriques, - la collecte des charges.
La lumière absorbée dans le matériau photovoltaïque sont des photons qui transfèrent
leur énergie à des électrons (charges négatives élémentaires) contenus dans une tranche de silicium dopé au phosphore (dit de type « n ») permettant ainsi aux électrons excédentaires de se libérer de l’attraction de leur noyau. Ces électrons sont ensuite « attirés » par la tranche de silicium dopé au bore (dit de type « p »), excédentaire de trous. Apparaît alors une région entre les deux dopages appelée zone de charge d’espace qui crée un champ électrique*. L’ajout de fils métalliques très fins permet de collecter le courant.
4.2 Schéma électrique équivalent d’une cellule solaire
Le fonctionnement électrique d’une cellule solaire* peut être symbolisé par :
Un générateur de courant délivrant un photo-courant Iph créé par la lumière dans le silicium. Iph est proportionnel à la quantité de lumière et à la surface de la cellule.
Une diode, représentant la jonction P-N dans le silicium. Cette jonction induit une barrière de potentiel, laquelle absorbe un courant Id.
Une résistance shunt, Rsh, et une résistance série Rs.
Sessions 2010/2011
6
Le courant d’une cellule solaire est proportionnel à l’éclairement et à la surface de la cellule. Il augmente avec la température. La tension en circuit ouvert d’une cellule solaire varie de manière logarithmique avec l’éclairement et baisse avec la température.
4.3 Courbe caractéristique d’une cellule pour un éclairement
considéré
La partie intéressante de cette
courbe est celle qui génère de l’énergie. Au point Pm, situé au « coude » de la caractéristique, la puissance est maximale pour l’éclairement considéré. La cellule peut être cependant sollicitée à plus faible puissance.
4.4 Fonctionnement du hacheur abaisseur (type Buck) Un hacheur est un convertisseur statique* continu/continu, il
permet d'obtenir à partir d'une tension continue fixe, une tension continue réglable.
• de 0 à αT : K est fermé. La source U alimente la charge
et le courant ne peut pas passer par la diode.
uK =0 , v =U i =iK et iD =0 Le courant augmente
progressivement (la pente dépend de la valeur de L).
• de αT à T : K est ouvert. La bobine maintient le courant
à travers la diode. v =0 ,uK =U i =iD et iK =0
Sessions 2010/2011
7
Comme la charge n’est pas alimentée, le courant diminue progressivement.
La tension de sortie v a pour valeur moyenne : V α U En faisant varier α de 0 à 1, on fait varier V de 0 à U.
Ondulation du courant dans la charge :
∆i
Pour diminuer ∆i, il faut augmenter l’inductance L ou/et la fréquence ƒ.
4.5 Fonctionnement du microcontrôleur PIC
Un microcontrôleur est une unité de traitement de l'information de type microprocesseur à laquelle on a ajouté des périphériques internes permettant de réaliser des montages sans nécessiter l’ajout de composants annexes. Un microcontrôleur peut donc fonctionner de façon autonome après programmation. Le logiciel MikroC, permet de programmer le PIC et le PICFLASH permet de faire la communication entre l’ordinateur et le microcontrôleur.
Le cycle d’horloge interne est donné pour 1/4 de
la fréquence nominale du quartz. Exemple :
Quartz de 4MHz soit
= 1 MHz interne et
= 1 µS de temps de cycle.
4.6 Fonctionnement de la Batterie
La batterie au plomb a été découverte il y a près de 150 ans. Au cours du temps, ça technologie a su évoluer et différentes technologies d’accumulateur* de batterie au plomb on vue le jour. La batterie d'accumulateur au plomb est principalement utilisée pour le démarrage des véhicules (secteur le plus porteur actuellement), la traction (chariots de manutention), les alimentations de secours, le photovoltaïque….
Une batterie est constituée de plusieurs cellules. Chaque cellule à une tension
nominale d'environ 2 Volts, ainsi par une association en série de plusieurs cellules, on peut atteindre les tensions et capacités d'utilisation désirées.
Exemple : Une batterie annoncée "12V" signifie qu'elle comprend six cellules, même si sa force
électromotrice réelle se situe plutôt dans l'intervalle (12,5 à 13V).
Sessions 2010/2011
8
La tension nominale d’équilibre est la somme des équilibres aux deux électrodes :
E +
= 1,7V et E –
= - 0,3V, soit E= 2,0V
4.7 Schéma électrique équivalent d’une batterie au plomb
La modélisation d’une batterie au plomb est extrêmement compliquée à réaliser du fait de la complexité des réactions chimiques et de la variation d’un grand nombre de paramètre.
Différents facteurs entrent en compte :
- la température, - la concentration d’électrolyte de la batterie, - l’état de vieillissement, - l’état de charge, - l’homogénéité de la solution, - la résistance interne de la batterie.
Tous ces paramètres varient différemment et non linéairement entre eux. La solution pour modéliser au mieux la batterie, est de supposer que la tension à ses bornes évolue très peut. Nous utiliserons donc un modèle équivalent constitué d’une source idéale de tension en série avec une résistance.
Une cellule d’accumulateur de 2Vvolts est l'unité
de base d'une batterie au plomb. Elle se compose notamment d'électrodes positives, négatives, d'un séparateur micro poreux et d'un électrolyte*.
L'électrode* positive se comporte comme une
cathode en décharge car le PbO2* est réduit en PbSO4*, et devient anode en charge puisque le PbSO4 s'oxyde en PbO2:
L'électrode négative se comporte comme une anode en décharge car il y a oxydation du Pb* en PbSO4 et devient cathode en charge :
Sessions 2010/2011
9
4.8 Courbe caractéristique d’une cellule de batterie au plomb
La zone 1 :
Cette zone représente la fin de charge de la batterie dans laquelle la tension augmente de manière soudaine. La batterie est proche de sa charge maximum, sa résistance interne augmente fortement afin de limiter le courant. Si l’on souhaite maintenir ce courant constant il faut augmenter la tension d’alimentation. Ainsi on pourra détecter le niveau maximum de charge de la batterie situé à 13,8 Volts (2 ,3V 6 cellules). Cette phase est relativement courte dans le temps et peut être assimilée à la zone de connexion de la charge.
La zone 2 :
Cette phase est la principale zone d’utilisation de la batterie. La batterie maintien une tension de 12 Volts (2V 6 cellules) lors d’une utilisation prolongée. D’un point de vue de charge ou de décharge, l’évolution de cette zone reste constante par conséquence la résistance interne du modèle équivalent est constante. C’est sur cette zone que la résistance du modèle équivalent de la batterie est paramétrée (source de tension en série avec une résistance).
La zone 3 :
Cette zone représente la chute de tension d’une batterie quasiment déchargée. La batterie ne peut plus maintenir une tension du fait de son faible niveau de charge.
Les zone 1 et 3 sont délicates car elles conditionnent la durée de vie de la batterie, en effet une surcharge provoque la corrosion du plomb, la perte de l’électrolyte et l’endommagement des plaques de plomb. Dans le cas d’une décharge profonde, des cristaux de sulfate de plomb se forment et ne peuvent plus participer au stockage.
Le contrôle de la charge et décharge d’une batterie est donc une fonction essentielle.
L’évolution de la courbe suivante permet de caractériser le modèle de la batterie équivalent.
Cette courbe représente l’évolution de la tension d’une cellule de batterie au fil du temps pour une charge ou une décharge à courant constant et intègre donc le niveau de charge de la batterie.
Sessions 2010/2011
10
5. ETUDE ET CHOIX DE LA STRUCTURE MPPT
5.1 La structure intelligente MPPT (« Maximum Power point tracking »)
La commande MPPT est apparue en 1968, pour des applications spatiales ayant pour
générateur électrique des panneaux solaires photovoltaïques. A ce jour des études comparatives montre cette commande obtiens un rendement nettement supérieure à certains dispositifs classiques quelque soit la température. Le seul désavantage que peut avoir la commande est la génération des parasites possible sur des équipements sensibles proches. En effet le convertisseur utilisé en parallèle de la commande MPPT travaille à de hautes fréquences.
Il parait évident que cette technique devient indispensable pour des systèmes de
plusieurs centaines de watts, en effet ceci permet de garantir que le maximum d’énergie sera récupéré quels que soient la température et l’ensoleillement.
Suite à des recherches bibliographiques, nous avons constatés que de nombreuses
méthodes pour la recherche du point maximum de puissance existent sous différentes formes. Dans notre cas, la recherche du point maximum ne peut se faire que jusqu'à une certaine limite. Cette limite étant fixée par le courant de charge de notre batterie de 3Ampères.
5.2 Méthodes de recherche du point maximal
Pour la réalisation d’une telle commande, des phénomènes externes, cités ci-dessous sont à prendre en compte :
- L’ensoleillement (a), - La variation de la température (c), - La variation de la charge présente en sortie du convertisseur(b).
Des courbes d’évolution du MPPT montrant l’influence de chacun des phénomènes sont disponibles en annexe [1].
Plusieurs méthodes existent pour réaliser une commande MPPT, ainsi nous avons jugé bon d’en présenter trois en annexe, car ce sont elles qui nous ont aidées à concevoir une commande propre à notre système.
La première méthode est une commande classique (cf. annexe [2]), la seconde méthode est appelée « perturb and observ » (cf. annexe [3]) et la troisième méthode « Hill Climbing » (cf. annexe [4]).
Suite à l’étude de différentes méthodes MPPT nous avons effectué un type
raisonnement pour permettre d’aboutir sur un algorithme qui sera par la suite transcrit en langage C et implanté dans le microcontrôleur PIC 16F876.
De manière concrète, deux cas s’offre à nous :
- le panneau solaire peut délivrer une énergie supérieure à la limite maximale que peut supporter la batterie lors de sa charge, en conséquence un rapport cyclique α est alors appliqué au convertisseur dans le but de limiter le courant de la batterie Ibat afin de ne pas dépasser le courant maximal de charge Ilimite pour ne pas détériorer la batterie. En outre, cette commande
Sessions 2010/2011
11
MPPT n’est pas utile lorsque les conditions météorologiques sont optimales.
- le panneau solaire ne peut pas délivrer une énergie supérieure ou égale à la limite maximale que peut supporter la batterie, il faut alors chercher à atteindre le MPPT en faisant varier le rapport cyclique α du convertisseur dans le but d’extraire la puissance maximale du panneau solaire tout en veillant à ne pas dépasser le courant maximal de charge Ilimite.
Ajouté à cela, une détection d’état de charge. Lorsque la batterie est complément
chargée, la tension à ses bornes augmente significativement de quelques volts, nous effectuerons une mesure régulière afin de détecter cet état.
5.3 Algorithme
Nous avons combiné en un seul algorithme :
- la recherche du MPPT, - la limitation du courant de charge maximal Ilimite, - la détection de l’état de charge maximal.
Voir l’algorithme annexe [5]. La variable Sens correspond à une variable qui prend la valeur « 1 » ou « -1 » suivant
la direction que l’on doit donner à la recherche pour augmenter la puissance en sortie du panneau. Alpha et PPhoto représentent respectivement le rapport cyclique et la puissance du générateur, Pour symbolise la variable d’incrément du rapport cyclique.
Périodiquement, la puissance PPhoto est comparée à la valeur déterminée précédemment Pancien, en fonction du résultat de la comparaison, le signe de la valeur Sens change ou reste identique. Ce qui a pour effet d’incrémenter ou de décrémenter la valeur du rapport cyclique. Une fois le MPPT atteint, le système oscille autour de ce dernier indéfiniment.
5.4 Programme final implanté dans le microcontrôleur PIC16F876
Grace au logiciel MikroC, nous avons crée le programme en langage C correspondant à l’algorithme précédent, ce référer à l’annexe [6] pour voir le programme.
Sessions 2010/2011
12
6. MODELISATION ET DIMENSIONNEMENT DE CERTAINES STRUCTURES
6.1 Modélisation des cellules photovoltaïque
Nous avons fait le choix de modéliser en 7 segments la caractéristique constructeur du
panneau solaire pour un éclairement de 500w/m (cf. annexe [7]) pour s’approcher au mieux de la réalité. Les calculs des résistances équivalentes sont en annexe [8].
6.2 Dimensionnement du hacheur abaisseur (type Buck) En entrée du hacheur :
Générateur photovoltaïque de 100W. Tension en circuit ouvert 21,5V. Intensité de court circuit 6,5A.
En sortie du hacheur : Batterie 12v, devant se charger à 3A. Cf. annexe [9]. En manipulation nous avons utilisé 1,1mH et 4,7µF pour l’ensemble LC et une
fréquence de commande de 50KHz.
6.3 Schéma électrique équivalent de la batterie au plomb
La technologie de la batterie que l’on utilise est un accumulateur au plomb étanche VRLA (« Valve Régulate Lead Acid ») électrolyte gélifié. L'avantage des batteries à électrolyte gélifié est la sécurité (pas de fuite possible) et la durée de vie, double de celles à électrolyte libre. Dans le cas où un additif est ajouté à cet électrolyte gélifié, la durée de vie est alors triplée (cf. annexe [10]).
Pour la détermination du modèle équivalent, nous avons réalisé la même méthode que pour mesurer la résistance interne d’une source d’alimentation.
Sessions 2010/2011
13
Etape1
Nous mesurons la tension à vide de la batterie afin de déterminer la tension que l’on fixera pour notre source de tension idéale.
Etape2
La seconde étape consiste à placer une résistance variable de façon à mesurer cette fois
ci
2.
Pour cette étape nous utiliserons un rhéostat de puissance car un fort courant circulera dans cette résistance d’ou des pertes par effet joules.
Pour obtenir la tension de
il faut faire varier la résistance de façon à faire chuter la
tension que l’on mesure. Plus la valeur du rhéostat est faible plus la tension diminuera. Par conséquent nous nous rapprochons de la résistance interne de la batterie.
Par conséquent, nous venons de déterminer les paramètres, du générateur et de ca résistance interne. Ce modèle reste relativement fiable à condition que notre système fonctionne dans la zone linéaire d’utilisation de la batterie. C’est ce modèle que nous utiliserons durant toutes les phases de simulation.
Méthode de calcul : Etape 1 E 12,37V Etape 2
V
6,18V et Rhéostat 1,2 Ω
Diviseur de tension V !"é$%&&
!"é$%&&'!%() (
Rsérie !"é$%&&
*+ Rhéostat
Rsérie ,34,
5,6+ 1,2 1,2Ω
Sessions 2010/2011
14
7. SIMULATIONS SUR LOGICIEL ET COMPARAISON
AVEC LA PRATIQUE Suite à plusieurs essais de simulations avec différents logiciels de l’ensemble du
système, nous avons décidé de simuler la partie générateur/convertisseur/Batterie à l’aide du logiciel Psim (cf. annexe [11]) et le système entier (ajout du microcontrôleur et de l’afficheur LCD en plus) avec le logiciel Protéus(cf. annexe [12]).
Parallèlement à la partie simulation, nous avons conçu le système réel en deux étapes :
- une première fois en utilisant l’ensemble générateur /convertisseur/Batterie, la commande du hacheur étant réalisé avec un signal carré de rapport cyclique variable manuellement (cf. annexe [13]).
- une seconde fois en implantant la commande MPPT. Chaque partie simulée sur ordinateur à été observée en manipulation.
Sessions 2010/2011
15
8. CONCLUSION Notre projet correspond à un système autonome avec stockage mais dans la réalité, il
existe différentes configurations de systèmes photovoltaïques : - Les systèmes autonomes avec ou sans stockage, - Les systèmes d’alimentation autonome hybride photovoltaïque/groupe électrogène, - Les systèmes photovoltaïques raccordés au réseau. La réalisation d’un régulateur de charge avec transformation de puissance (MPPT)
n’est pas forcement utile dans le cas d’un système autonome avec stockage, cependant cette technologie est primordiale lorsque l’énergie est renvoyée sur le réseau.
Grace à la réalisation de ce projet, nous avons fait beaucoup de recherches
bibliographiques et nous a permis d’approfondir nos connaissances en matière d’énergie solaire photovoltaïque, de stockage et des différentes structures intelligentes qui sont les régulateurs de charges. Nous avons également apprit à prendre en main divers logiciels.
Nous n’avons pas rencontré de grandes difficultés durant la réalisation, hormis les
logiciels, certaines versions ne nous permettaient pas de réaliser ce que l’on souhaitait.
Sessions 2010/2011
16
9. GLOSSAIRE Silicium : Composé obtenu à partir de la silice (sable). Champ électrique : Un champ électrique est un champ de force invisible créé par
l'attraction et la répulsion de charges électriques. Il se mesure en Volts par mètre (V/m). Cellule solaire : C’est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons),
génère une tension électrique (volt) (cet effet est appelé l'effet photovoltaïque). Convertisseur statique : Dispositif permettant d’adapter la source d’énergie électrique
à un récepteur donné. Accumulateur : Système de stockage d’énergie. Electrolyte : Substance conductrice contenant des ions permettant de facilité la
réaction d’oxydoréduction. Electrode : C’est un conducteur qui permet une réaction d’oxydoréduction (exemple :
pile, batterie, etc.). L’électrode positive est le siège de l’oxydation (pertes d’électrons) tandis que l’électrode négative est le siège de la réduction (gain d’électrons).
PBO: Oxyde de plomb. PBSO : Sulfate de plomb. Pb : Plomb.
Sessions 2010/2011
17
10. BIBLIOGRAPHIE
Ouvrage et recherche web
« Energie solaire photovoltaïque le manuel du professionnel» Anne Labouret et Michel Villoz
La revue 3EI n° 61 juin 2010 « Système photovoltaïque autonome ou couplé
au réseau, Approche pédagogique sous Psim » jm ROUSSEL IUT de l’Indre Thèse de CABAL CEDRIC (Optimisation énergétique de l’étage d’adaptation
dédié à la conversion photovoltaïque : http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/35/74/87/PDF/These_cedric_cabal.pdf
« Conception et réalisation de modules photovoltaïques électronique » M. Angel Cid Pastor
« Recherche du maximum de puissance sur les générateurs photovoltaïques »
Vincent Boitier, P MAUSSION LASS-CNRS et IUFM Midi Pyrénées Documentation technique
Microcontrôleur : PIC16F876 Datasheet : http://www.microchip.com
Panneau photovoltaïque: PHOTOWATT PW6-110 Wp - 12V –Photowatt technologies
Batterie accumulateur : Industriebatterien – Sonnenschein A500
http://www.elektrotec-berlin.de thierryperisse.free.fr
Sonde de courant : LEM HXS 20-NP http://www.lem.com/docs/products/hxs20np_e.pdf
Sessions 2010/2011
18
11. ANNEXES
[1] : Courbes d’évolution du MPPT en fonction de différents paramètres Algorithme n°1 :
Sessions 2010/2011
19
[2] : Algorithme n°1
Raisonnement commande classique 1) Initialisation des variables (rapport cyclique et
puissance). 2) Mesure tension, courant du panneau. 3) Calcul de la puissance associé à la mesure. 4) La valeur calculée est elle supérieure à la puissance
de départ : - Oui : augmentation du rapport - Non : diminution du rapport
5) Modification du rapport cyclique. 6) Mise à jour de la variable puissance pv.
Sessions 2010/2011
20
[3] : Algorithme n°2
Raisonnement« perturb and observ » 1) Mesures de courant et tension 2) Calcul de la puissance du panneau 3) La puissance trouvée est elle égale à la précédente :
- oui : renouvellement de la mesure - non : étape suivante
4) La variation de puissance est elle positive ? 4.1) oui : détermination du sens de la pente par observation de la variation de
tension. - positive : incrémentation de la tension de référence. - négative : décrémentation celle-ci. 4.2) non : idem que le 4.1) -positive : décrémentation de la tension de référence. -négative : incrémentation de celle-ci.
5) Mise à jour de la variable puissance photovoltaïque.
Sessions 2010/2011
21
Raisonnement commande « Hill climbing »
1) Mesure tension, courant du Panneau. 2) Calcul de la puissance du Panneau. 3) La puissance calculée est elle égale à la
précédente ? -Oui : renouvellement des
mesures. -Non : étape suivante
4) Cette puissance est elle supérieure à la précédente ? : -Oui : modification du rapport cyclique. -Non : modification du signe de la pente puis modification du rapport cyclique en conséquence. 5) Mise à jour du rapport cyclique ainsi que la puissance.
[4] : Algorithme n°3
Sessions 2010/2011
22
[5] : Algorithme
Sessions 2010/2011
23
AsservissementMPPT.c 02/05/2011 18:49:22 1: int controleurtension( float tension) //verification du non depassement de de la t tension max 2: 3: float highvoltage = 14.7; 4: 5: return 1; 6: 7: return 0; 8: 9: int controleurtensionbasse( float tension) 10: 11: float lowvoltage = 7; // valeur de tension à ne pas dépasser le seuil limite 12: if (tension < lowvoltage) 13: 14: return 1; 15: 16: return 0; 17: 18: int controleurcourant(float courant) // verification si le courant de charge ne d depasse pas la limite 19: 20: float highcurrent = 3; 21: 22: if (courant > highcurrent) 23: 24: return 1; 25: 26: return 0; 27: 28: 29: float tranchealpha(float ValDuty) // le alpha "duty de la commande" doit reste er entre 5 et 245 30: 31: 32: if (ValDuty>=245) 33: 34: ValDuty=245; 35: 36: if (ValDuty<5) 37: 38: ValDuty=5; 39: 40: return (ValDuty) ; 41: 42:
[6]: Commande MPPT en langage C
Sessions 2010/2011
24
43: int inverse(int Sens) // cette fonction est la pour changer le sens de variatio on du alpha 44: 45: 46: if (Sens==1) 47: 48: Sens=Sens-2; 49: 50: else 51: 52: Sens=Sens+2; 53: 54: return (Sens); 55: 56: 57: 58: void main() // programme principal 59: // declaration 60: int OK=0,sens,OK2=0; 61: float alpha, pancien,pancien2,ppho,ipho,vpho,vbat,ibat,pas,highcurrent; 62: 63: //configuration du port a pour le can 4 voie 64: ADCON1 = 0x80; // Configure analog inputs and Vref 65: TRISA = 0x0F; 66: // configue du port c pour le pwm 67: PWM1_init(10000);//initialisation de PWM1 pour une frequence donnée 68: TRISC = 0x00; 69: PWM1_Set_Duty(alpha); // initialisation du PWM 70: PWM1_Start(); // lancement du pwm 71: //initialisation 72: sens=1; 73: alpha=10; 74: pancien=0; 75: pancien2=0; 76: pas=0.5; 77: highcurrent=3; 78: 79: do // boucle do elle tourne en permanance 80: 81: //acquisition des 4 valeurs courant et tension 82: ibat= (((0.004888*(Adc_Read(1)))-2.497)*16.66); // 83: vbat= (5*0.004*(Adc_Read(0))); // 5V mesuré sur le can corespond a 20v sur le m montage 84: ipho= (((0.004888*(Adc_Read(2)))-2.497)*16.66); 85: vpho= (5*0.004*(ADC_Read(3))); // 5V mesuré sur le can corespond a 20v sur le
montage 86: 87: //test de la tension de bat "representatif du niveau de charge" 88: ok=controleurtension(vbat) ; 89: ok2=controleurtensionbasse(vbat) ; 90: if ((ok||ok2)=1)
Sessions 2010/2011
25
91: 92: PWM1_Set_Duty(10); // si il y a un depassement on regle le duty au plus pet tit 93: 94: ////////////////////////////////////// 95: if (ibat<highcurrent) 96: // partie MPPT 97: ppho=ipho *vpho; // calcul de la puissance du photovoltaique 98: 99: if (ppho>pancien) 100: // on varie dans le bon sens la puissance augmente 101: alpha=alpha + (sens)*pas; 102: 103: alpha= tranchealpha (alpha); 104: pancien=ppho; 105: PWM1_Set_Duty(alpha); 106: delay_ms(10); 107: 108: 109: else // notre nouvelle puissance est inferieur à la precedente do onc 110: // c'est que on n'a pas fait varié le alpha dans le bon sens s 111: // il faut chancer le sens. 112: sens=inverse(sens); 113: alpha=alpha + (sens)*pas ;
Sessions 2010/2011
26
[7]: Courbe caractéristique tension courant pour une température de 25°C
Sessions 2010/2011
27
Pour 500W/m² :
Voc 20.4 Isc 3.48 C
Ipmax 3.1 C Vpmax 16.6
Id1 HIJ + H2
Ron1 L 2 + 1M
HN1
Ron1 L 10.1 + 0.1M
L3.49 + 3.40M
Ron1 111.111 Ohms Von1 0.1
Id2 H2 + H3
Ron2 L 3 + 2M
HN2
Ron2 L 16.1 + 10.1M
L3.40 + 3.12M
Ron2 21.78 Ohms Von2 10.1
Id3 H3 + H4
Ron3 L 4 + 3M
HN3
Ron32 L 16.6 + 16.2M
L3.12 + 3M
Ron3 3.33 Ohms Von3 16.2
Id4 H4 + H5
Ron4 L 5 + 4M
HN4
Ron4 L 17.6 + 16.6M
L3 + 2.76M
Ron4 4.16 Ohms Von4 16.6
Id5 H5 + H6
Ron5 L 6 + 5M
HN5
Ron5 L 18.4 + 17.6M
L2.76 + 2.52M
Ron5 3.33 Ohms Von5 17.6
Id6 I6 + I7
Ron6 L V7 + V6M
Id6
Ron6 L 19.2 + 18.4M
L2.52 + 1.54M
Ron6 0.816 Ohms Von6 18.4 V
Id7 I7 + I8
Ron7 L V8 + V7M
Id7
Ron7 L 20.4 + 19.3M
L1.54 + 0.01M
Von7 19.3 V
Ron7 0.71895 Ohms
R 17 10R L 50M
L2,5 105 M
Résistance des câbles : Résistivité du cuivre S 17 T 10RΩ. m Longueur L 50 m Section S 2,5 mm² 2,5 105 m²
R 0,34 Ω
[8] : Calcul pour la réalisation du générateur équivalent
Sessions 2010/2011
28
Epv 21,5V tension du panneau solaire maximale, Vbatt 12 + 10% 12 13,2V tension de la batterie, α rapport cyclique, ∆I ondulation de courant admissible, F 20KHz fréquence de commutation, Icharge 3A courant de charge de la batterie, ∆Us 0,1Vondulation de tension admise aux bornes de la batterie. Lorsque la tension du panneau solaire et de la batterie sont fixes, on règle la valeur du
courant de charge en agissant sur α. Dans la mesure où le courant de charge est toujours positif, la conduction est toujours continue.
[9] : Calcul des éléments du Hacheur
α VW&&
X*
∆I 5% Icharge 0,15A ∆T αT
Y
Z
Epv – Vbatt L∆
∆[
Epv (1- α) L∆
∆[
L X* LYMY
∆ Z
L ,\L],\M],\
],\]]^
L 1, 79 mH
_`abcde f∆gh
∆i
C _`abcde
∆gh ∆i
C _`abcde j
∆ghk
C lm,n
m,opmoml
C 750µF
Sessions 2010/2011
29
[10] : La batterie au plomb VRLA électrolyte gélifié
Sessions 2010/2011
30
Allure du modèle générateur/convertisseur/batterie, pour un α de 80%.
[11] : Modélisation sous logiciel Psim
Sessions 2010/2011
31
[12] : Modélisation sous logiciel Protéus
Sessions 2010/2011
32
Journée du 8 avril à 11h15
Journée du 7 avril à 15h45
0
10
20
30
40
50
60
0 5 10 15 20 25
I (A)
P (W)
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20 25
I (A)
P (W)
[11] : Courbes expérimentales du panneau photovoltaïque
