Voici un projet qui va vous permettre d'utiliser une énergie précieuse avec un maximum d'efficacité. En effet le chauffage électrique a beaucoup d'avantages:
-Souplesse
-Propreté au point d'utilisation
-Facilité d'installation
-Réactivité
-Faible prix des appareils de chauffage
-Agrément d'utilisation
Malheureusement, tous ces avantages sont contrebalancés par un inconvénient de poids:
-Coût d'utilisation
Comment bénéficier des avantages sans avoir à se ruiner?
Il existe des solutions industriellement éprouvées: la plus connue est la pompe à chaleur. Avec 1KW électrique, elle permet d'obtenir deux, trois, ou quatre KW thermiques, selon son rendement ou COP.
Ce n'est malheureusement pas la panacée: c'est un équipement "lourd", comportant des pièces tournantes, de la tuyauterie, des fluides, bien plus coûteux qu'un simple convecteur, et bien plus contraignant à installer. Sans compter que le rendement diminue dans les périodes où l'on en a le plus besoin: lorsqu'il fait froid.
En résumé, une solution moins qu'idéale.
Qu'en est-il de l'équivalent électronique de la pompe à chaleur?
C'est le module Peltier. Il est totalement statique, sans joint, pièces mobiles ou autre. Juste deux fils et deux faces. Apparemment l'idéal, donc. Sauf que la technologie a encore beaucoup de progrès à faire: le rendement est risible, et par rapport aux puissances nécéssaire au chauffage, et la capacité est infime. Il en faudrait donc des quantités impressionnantes, mais comme le prix est élevé, cela signifie une mise de départ disproportionnée, qu'il faudrait des millénaires pour rentabiliser.
Heureusement l'électronique a plus d'un tour dans son sac, et il existe d'autres solutions plus attractives, dont celle que je vais vous présenter ici.
Le principe:
Il va s'agir d'augmenter l'efficacité de la conversion des Watts électriques (WE) en Watts thermiques (WT).
L' efficacité d'un chauffage va se mesurer.... en watts efficaces, pas besoin d'avoir fait polytechnique pour le deviner, et la consommation électrique, celle qui est mesurée par le compteur se calcule en watts moyens.
En électricité classique, en électrotechnique, il existe une relation directe et fixe entre les deux, et les deux unités sont interchangeables.
En électronique par contre, on peut s'affranchir des simples lois linéaires, et le watt efficace (parfois appelé watt efficasse ou watt rms) devient une unité à part entière.
Elle est particulièrement employée dans les domaines où des signaux complexes entrent en jeu, comme par exemple en audio.
D'ailleurs, tous les vrais spécialistes de cette discipline le savent, les watts efficaces sont la seule unité véritablement représentative de la puissance, et des tests réalisés au MIT (Masthasussett Institute of Technophoby) par Joao Silvio Peixe et Aprila Meyer-Schmidt ont prouvé que l'efficacité de chauffage d'un watt rms est d'au moins 25.39% supérieure à celle de n'importe quel autre watt*:
http://home.mit.bme.hu/~lbalogh/pape...-IEEE-2003.pdf
Le but du système sera donc de produire un maximum de watts rms, en consommant le moins possible de watts moyens.
Pour cela, nous allons mettre à profit les propriétés mathématiques de certaines formes d'ondes.
Pour ne pas compliquer inutilement la réalisation, nous allons choisir la plus simple de cette famille, un créneau ayant un rapport cyclique différent de 50%.
Un peu de maths:
Pour une fonction continue f, la définition de la valeur efficace est:
Traduit en français, cela signifie qu'il faut prendre le carré de toutes les valeurs de la fonction, les moyenner sur l'intervalle T, et enfin en prendre la racine carrée.
Appliqué à une puissance, cela donne:
A la sortie, on obtient des watts rms.
Le type de créneau choisi aura un rapport cyclique de 1:10 (encore une fois pour simplifier la réalisation), nous pouvons donc faire le calcul, avec des valeurs discrètes, pour ce cas particulier.
La maquette sera alimentée sous 50V DC, et l'élément de conversion WE --> WT sera une résistance de 5 ohms.
Pendant la phase active du créneau, la puissance dissipée instantanée vaudra: 50²/5 = 500W.
Appliquons la définition:
Cette valeur doit être mise au carrée, et pondérée par la durée du créneau: 500² x 0.1 = 25000
Si nous supposons que la période totale, et donc l'intervalle de référence est unitaire, nous n'avons plus qu'à prendre la racine carrée de cette valeur:
Il nous reste à voir combien nous avons du consommer pour générer cette puissance. Pour cela, il nous suffit de calculer le courant moyen débité par la source (elle sera découplée par un condensateur de forte valeur), et à le multiplier par sa tension:
Multiplié par 50V, cela donne 50W.
Nous pouvons définir un COP, comme pour les pompes à chaleur:
Qui vaut dans ce cas-ci:
Il s'agit d'une valeur théorique: le calcul a été simplifié en supposant que les composants étaient parfaits, et qu'aucune autre puissance ne sera perdue par ailleurs. Ce n'est bien entendu pas le cas, mais cela donne une idée du gain que l'on peut espérer. D'autre part, les pertes ne sont pas véritablement "perdues": elles sont directement transformées en chaleur, mais sans bénéficier du facteur multiplicatif du COP.
Implémentation pratique:
Voir "Schéma":
Un multivibrateur génère une horloge à 4.01KHz, et pilote le compteur CD4017; sa sortie 0 controle le transistor Q1, qui court-circuite en permanence la base des transistors Q2 et Q3, sauf quand la sortie est sélectionnée, càd 1/10ème du temps. A ce moment, ils se saturent, et appliquent la tension d'alimentation sur la résistance de chauffage Rch. Le condensateur C4 lisse le courant, pour que la source de 50V ne voie que la moyenne du courant. Une petite alimentation auxiliaire est aussi dérivée du 50V pour alimenter les circuits de controle en 10V.
Aucun des composants n'est critique, à part les condensateurs de 1.04nF.
La puissance de chauffage de 150W est un peu faible pour des applications réelles, mais elle est suffisante pour une période d'entre-saison, comme maintenant, et pour un démonstrateur, pour mettre en évidence les bénéfices du système.
Voici quelques photos et oscillogrammes relevés sur la maquette.
"Ensemble" est une vue générale du dispositif; au centre, l'électronique de controle, un peu au-dessus, les transistors de puissance, et vers la droite, en haut, la charge de puissance et le calorimètre.
"Oscillog" est la forme d'onde relevée sur le collecteur des transistors de puissance. On voit que le 50V tombe périodiquement à 0, lorsque les transistors sont conducteurs (1/10ème du temps).
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A suivre...
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* Ce lien étant très consulté, les serveurs sont souvent congestionnés. Il ne faut pas hésiter à réessayer plusieurs fois.
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Envoyé par DAUDET78 
