calcul d'un panneau solaire et d'une supercap

[invite21a51bdd]

Bonjour a tous,
Je suis entrain de faire un projet qui est un panneau d'indication sur fibres optiques avec un module de power led. Pour la partie comande j'ai déja réaliser tout, mon seul problème c est que tout est autonome, je dois alimenter tout ceci avec un panneau solaire avec une supercap, je voudrais savoir comment je peux calculer le panneau solaire et la supercap dont j'aurais besoin ? en sachant que mon circuit en fonctionnement consomme grosso-modo 800mA( power led y compris). Le montage doit fonctionner jour et nuit, pour diminuer la consommation on fait un affichage intermitemps en fonction de la demande de l'utilisateur, c-à-d à chaque fois qu'on aura un piéton qui veut traverser, après sa demande, l'affichage va fonctionner toute les une seconde à une fréquence d'1kHz pendant 10 secondes.

Merci d'avance pour suggestion.
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[PA5CAL]

Bonjour

Pour dimensionner les éléments, on aurait besoin d'un peu plus d'infos. Je pense même que, compte tenu des éléments imposés, tu devras probablement rajouter des circuits (dont tu n'as pas parlé).

1) En fonctionnement normal, on peut considérer qu'un panneau solaire est un générateur de courant aux bornes duquel on doit maintenir une tension afin d'en tirer un maximum de puissance. Le courant est dépend de l'ensoleillement.

L'énergie récupérable dépend énormément des conditions d'utilisation. Pour la calculer, la puissance du rayonnement solaire et sa variation pendant la journée et au cours de l'année (latitude, inclinaison du panneau par rapport au soleil, ombres portées, conditions météo, climat) doivent être prises en compte.

C'est l'énergie minimale reçue quotidiennement qui doit être calculée. On trouve sur Internet tous les outils pour déterminer cette valeur par unité de surface.

Seule une partie de cette énergie sera restituée sous forme électrique, compte tenu du faible rendement des cellules photovoltaïques. Le rendement du type de panneau choisi (c.f. données constructeur) permet de calculer la surface minimale à mettre en oeuvre.


2) Une supercap n'est finalement qu'un gros condensateur. En conséquence, contrairement aux batteries, la tension présente à ses bornes à un instant donné est directement liée à l'énergie emmagasinée.





La tension doit impérativement rester inférieure au maximum fixé par le constructeur.


3) L'appareil utilisateur nécessite selon toute vraisemblance d'être alimenté par une tension comprise entre une valeur minimale et une valeur maximale. S'il ne contient pas de circuits à découpage, sa consommation d'énergie sera probablement d'autant plus grande que sa tension d'alimentation sera élevée.


On constate alors aisément que les trois éléments ne sont a priori pas très compatibles :
- le panneau solaire fournit un courant variable et nécessite une tension relativement fixe,
- la supercap fournit une tension très variable,
- l'appareil à alimenter nécessite une tension pas trop variable.


Il serait possible de brancher directement les trois éléments, mais alors un sur-dimensionnement important serait nécessaire pour répondre à toutes les contraintes :
- la capacité de la supercap devrait être assez importante pour garantir que la tension d'alimentation de l'appareil reste dans les limites autorisées pendant toute la nuit, en tenant compte de la forte consommation d'énergie en début de décharge (du fait de la tension importante fournie à l'appareil),
- le panneau solaire devrait être assez grand pour garantir la charge de cette grosse capacité pendant le jour, en tenant compte des aléas de l'ensoleillement et de la faible puissance électrique disponible en début de charge (du fait de la faible tension de fonctionnement).

Mais un tel sur-dimensionnement est inutile si l'on s'y prend bien.

En effet, on peut grandement améliorer le transfert d'énergie, et par conséquent utiliser des éléments de plus faibles valeur, en utilisant :
- un convertisseur tension-courant entre le panneau et la supercap, de manière à maintenant la tension aux bornes du panneau à sa valeur nominale, voire à sa valeur optimale (plus compliqué, car dépend de beaucoup de paramètres, dont la température) ;
- un convertisseur courant-tension entre la supercap et l'appareil à alimenter, de manière à augmenter la plage de tension utilisable de la supercap et fixer la tension d'alimentation de l'appareil à sa valeur optimale (généralement la plus faible possible).

Pour limiter les pertes, ces convertisseurs doivent être de type à découpage (hacheurs).

Le dimensionnement des éléments doit également tenir compte des caractéristiques de ces convertisseurs (rendement, plage de fonctionnement).


Dans ton cas particulier, pour en dire plus il faudrait connaître plus de détails sur ton projet (localisation géographique, tension d'alimentation optimale, contraintes techniques et budgétaires, etc.).



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[invite21a51bdd]

Merci Pascal,
certains éléments de ton analyse étaient très intéressants. Je t'avouerais que je ne suis pas totalement fixé quand à la situation géographique du projet mais toutefois nous sommes en Belgique, ce qui veut dire qu'on n'a un climat similaire du nord de la France. On aura donc des variations tout le long de l'année et qu'il faudrait tenir compte de ces facteurs pour établir le besoin d'énergie nécessaire pour le système.

Pour parler un peu plus concretement du projet, nous avons réaliser une carte de commande pour les powers leds avec un PIC18f2550 qui est alimenté en 5V. Toute notre carte est une 5V à l'exception de la partie carte SD (car enregistrement de données) alimentée en 3V3. Pour obtenir les 2 alimentations nous avons utilisé des régulateurs classiques de type 7805 et LF33.

Pour ce qui est du module des powers leds, on doit l'alimenter en 12V (pour le rendemment lumineux) avec un courant nominal de 700mA. On pensait fournir à la supercap une tension constante via un régulateur à découpage et après la supercap, utiliser un autre régulateur à découpage de type buck boost pour générer du 12V et le courant pour les 2 cartes.

Au niveau de la commande des powers leds, nous avons introduit des variantes selon que nous sommes en journée ou de nuit. C-a-d que softwarement on va diminuer le temps que les leds restent allumées ainsi que le courant pour les driver.

Il faut aussi tenir compte du fait que le projet sera utilisé pour les zones plutot retirées (campagne) et qu'on aura une fréquence d'utilisation moins grande que si on était en métropole.

Merci d'avance pour tes remarques.

[PA5CAL]

Pour ce qui est du module des powers leds, on doit l'alimenter en 12V (pour le rendemment lumineux) avec un courant nominal de 700mA. On pensait fournir à la supercap une tension constante via un régulateur à découpage et après la supercap, utiliser un autre régulateur à découpage de type buck boost pour générer du 12V et le courant pour les 2 cartes.

En fait, le problème principal de ce type de projet étant de perdre le minimum d'énergie de façon inutile, certains points me paraissent nécessaires à préciser.

Alimenter ces régulateurs avec du 12V me paraît totalement inadapté, puisque le seul passage du 12V au 5V implique une perte de ... 58 % !

Partir d'une tension plus faible ne peut qu'améliorer le système. D'ailleurs, si l'on s'oriente dans ce sens, les régulateurs de type 7805 me paraissent assez mal adaptés, puisqu'ils induisent d'emblée une perte supplémentaire allant jusqu'à 30% par rapport à un modèle LDO (du type du LF33 que tu utilises). Un régulateur LDO permettrait de fixer la tension d'entrée à une valeur plus faible, et donc de réduire le gaspillage d'énergie.

Et si c'est possible (CEM à vérifier), il serait même préférable d'utiliser un convertisseur à découpage réalisant du même coup la régulation de la tension de sortie directement à la valeur désirée.


Concernant les leds, le module consommerait 8,4 W, mais sous une tension fixe. Les leds étant par nature des composants contrôlés par le courant, je me pose la question de savoir si le circuit retenu pour réaliser ce module est suffisamment efficace.

En effet, je pense que le meilleurs moyen de réduire les pertes dans ce système très particulier serait pas d'utiliser un convertisseur tension-courant à découpage, piloté par le µC, afin d'alimenter directement les leds, d'une part depuis la supercap, et d'autre part depuis le panneau solaire pour un fonctionnement diurne.


Une autre remarque concernant ceci :

On pensait fournir à la supercap une tension constante

... je rappelle que c'est un courant qu'on doit fournir à la supercap, et non une tension.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite21a51bdd]

Merci encore pour tes remarques,

le 12V dont je parlais c'est pour alimenter le module des leds et quand aux régulateurs, bien qu'étant plus avancé que ce matin, je ne sais toujours pas quel panneau je vais utiliser pour les alimenter.

J'ai fais une étude énergétique pour déterminer les différentes caractéristiques du panneau solaire ainsi de la supercap qu'il me faudrais.. Je suis arrivé plus ou moins à une conclusion pour le panneau solaire, en surdimensionnant le système mais le problème c'est que je ne trouve pas assez de documentation pour les supercaps, par exemple pour les données en terme d'énergie stockée (en Wh).

Et pour la supercap c'est bien en courant constant qu'on doit l'alimenter ^^

Ma question serais donc de savoir si tu pourrais avoir des indications beaucoup plus précises sur les supercaps (rendement, autonomie, profondeur de vidage,...) ?

Si tu as une idée de l'irradiation solaire moyenne journalière pour un pays de l'europe occidentale ?

Quand à ta question d'hier, nous n'avons pas de budget particulier car c'est le projet de stage pour une société, mais nous avons biensur une obligation de rendement puisque le système doit être commercialisé.

Bien à toi et merci d'avance.

[PA5CAL]

On peut trouver des supercaps allant de quelques farads à plusieurs milliers de farads.

En fonctionnement normal, elles peuvent fournir un courant très important (quelques ampères à plusieurs centaines d'ampères), la résistance interne étant très faible.

L'énergie stockable est de l'ordre de quelques mW.h/cm³.

Elles peuvent être totalement vidées (tension nulle), contrairement aux batteries.

La tension maximale de charge est assez faible (quelques volts), de sorte que pour des tensions élevées, il faut avoir recours à la mise en série de plusieurs éléments.

Elles sont polarisées, et doivent donc pas supporter de tensions négatives (prévoir en parallèle un diode montée en inverse ou bien un diode zener, surtout dans le cas d'une mise en série de plusieurs éléments).

Elles présentent un courant de fuite notable (de quelques microampère à plusieurs milliampères), ce qui entraîne des pertes d'énergie importantes pour de longues durée de stockage d'énergie.

Elles sont encore très chères.


Voir par ici un exemple disponible dans le commerce grand public.

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[PA5CAL]

Concernant l'énergie solaire reçue en fonction du lieu géographique, il existe de nombreuses références sur Internet donnant les valeurs moyennes, compte tenu de la latitude et de l'altitude des territoires concernés.

Mais pour avoir une idée assez exacte de ce qu'on obtient, il est nécessaire de tenir compte :
- de l'inclinaison des panneaux,
- de la course du soleil au-dessus de l'horizon (angle d'élévation) pendant la journée et pendant l'année,
- de la météo,
- des éventuels obstacles qui porteraient des ombres sur les panneaux,
- parfois de la pollution atmosphérique.


Pour donner tout de même un ordre de grandeur, à Bruxelles (lat.=50,84°N) on obtient en moyenne journalière :
- de 495 Wh/m² (décembre) à 4850 Wh/m² (juillet) sur un plan horizontal
- de 750 Wh/m² (décembre) à 4830 Wh/m² (juillet) sur un plan fixe incliné à 34° (valeur optimale annuelle)
- de 825 Wh/m² (décembre) à 3980 Wh/m² (juillet) sur un plan fixe incliné à 63° (valeur optimale solstice d'hiver)

[PA5CAL]

Avec un système de poursuite automatique du soleil, la meilleure valeur moyenne journalière minimale (décembre) qu'on peut espérer est de 870 Wh/m².

[invite21a51bdd]

ok, merci pour toutes ces informations, j en parlerai a mon collègue demain matin et je te tiendrai au courant de l'évolution demain.

Merci encore et bonne soirée.

[invite21a51bdd]

salut pascal,

Nous sommes entrain de réfléchir pour le panneau solaire et la supercap, je continuerai la conversation demain ou la semaine prochaine.

Merci encore pour tout et a très bientot.

[invite21a51bdd]

Bonjour,
après calcul de la supercap nous sommes arrivé à une supercap de 100 F 5V, etant donné que nous n'avons pas trouvé une tel valeur en 5V il nous en aurait fallu 2 de 200F 2,5V. Nous avons donc décidé de choisir une batterie...

Merci encore pour tout et a bientot.

Alfonso.