Projet arduino station météo

[ardui-domo]

Bonjour à tous,

Je viens vers vous pour un sujet qui est tout à fait classique et que l'on retrouve un bon nombre de fois sur le forum.
J'aimerai avoir votre avis, pour vérifier que je ne me trompe pas...

Alors le but : Créer une petite "station météo" gérée par une carte arduino, et électriquement autonome grâce à un panneau solaire.
Les informations issues de l'arduino seront envoyées 2x par jour par SMS grâce à un shield GPRS.

Alors, bilan des consommations :
- En consommation classique : arduino + shield + capteurs : 60mA. (environ)

-> Ce qui donne une puissance en WJour (sous 5V avec un coeff de 1.2 de marge) de 24*0.06*5*1.2 = 8,56WJour

- Avec 2 envois SMS par jours, et en considérant que la transmission dure 2s (consommant 1000mA), on arrive à 9,68WJ. (1)

-> J'ai donc considéré q'un panneau de 10W sous 12V était nécessaire, j'en ai choisi un qui débite à puissance maximale
0,57A, avec un courant de court-circuit de 0.65A.

-> La consommation du récepteur équivaut à ( 9.68(WJ)/24(h) ) / 5(V) = 0,08A ou 80mA

- Je souhaite 7 jours d'autonomie, donc il me faudrait une batterie de : 0,08 * 7 (J) * 24 (h) = 13,5Ah.

-> J'en ai trouvé une de 17Ah. Cette batterie serait associée à un chargeur consommant 10mA
avec un courant de charge de 5A.

- Aussi, je souhaitais connaitre le temps de charge/décharge d'une telle batterie.

-> Charge : en considérant la batterie déchargée, le temps de charge serait de : (capacité batterie) /(intensité max panneau - conso chargeur) = 17 / ( 0,57-0,01 ) = env 30h.

-> Décharge : (capacité batterie) / (intensité récep + conso chargeur) = 17 / ( 0,08 + 0,01 ) = env 211h. (8,7 jours)

Les références :
Panneau solaire: UNISUN 10W 12V
Batterie : YUASA NP1712l
Chargeur : BlueSolar PWM Lignt 12/24-5

Mon projet vous parait-il viable ?

Merci par avance de m'avoir lu

Antoine
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[antek]

Pas vérifié les détails mais ça a l'air cohérent.
Reste plus qu'à faire un calcul statistique du nombre de jours par an où le système ne sera pas opérationnel !
Les 10 W PV sont fournis sous certaines conditions, indiquées par le fabricant.

[ardui-domo]

Bonjour Antek, merci de ta réponse.

Alors j'ai essayé de creuser un peu le sujet, mais d'après mes calculs le système est opérationnel 365 jours de l'année
Alors je suis un peu sceptique de mon résultat...

Je t'explique ma démarche :

Par exemple pour 01/01/2016 :
Lever du soleil : 08:39
Coucher du soleil : 17:40
T°c moyenne : 11,15°C

Donc durée d'ensoleillement : 09:01
et durée de nuit : 14:58

D'après un site météorologique, j'ai pu avoir accès à la puissance lumineuse moyenne de ce jour-ci qui fut de : 414,46W/m²


Maintenant, d'après la doc je sais que le panneau fait 310mmx383mm soit 0,12m² donc cette surface obtiendra une puissance de 441.46*0.12 = 49,21W

Toujours d'après la doc, l'efficacité des cellules et de 18,4%, le panneau ne percevra alors que 9,05W (Cohérant pour un panneau de 10W, non ?)

Encore et toujours d'après la doc, la puissance maximale Pm équivaut à -0.4% /°C, comme en moyenne à cette journée là nous avions 11,15°C, nous avons une puissance maximale Pm de 9,05W.

La je bloque un peu pour définir le courant délivré, la tension à puissance maximale correspond à 17,6V et la tension à vide Voc à -0.34%/°C.
Je pense partir sur la deuxième relation ce qui nous donnerait une tension de 17,54V.

P=U*I soit I = 0.52A. (pour 0.57A écrit dans la doc)

Donc théoriquement, sachant que la durée d'ensoleillement est de 9h00, la batterie aura accumulée 9*24*0.52 = 3.54A.

Des 3.54A on soustrait la consommation des récepteurs (arduino + chargeur) : 3.54 - ((0.08+0.01)*durée) soit 2.64A.

de la même manière, elle se déchargera de 2.05A.

Pour cette journée là le ratio est de 0.77 donc à priori pas de manque !

J'ai fait un tableau excel regroupant tous les jours de l'année 2016 et le ratio est toujours positif.

Ais-je fais une boulette ou le raisonnement est bon ?

Merci beaucoup

[ardui-domo]

Ci-joint un graphique (ne pas tenir compte des axes j'ai fais ça très vite) indiquant la décharge (en rouge) par rapport à la charge (en bleue)
L'axe des abscisse représente les jours de l'année

ça me parait un peu trop beau... non ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[antek]

C'est pour ça que j'ai parlé de statistiques.
Ce n'est pas une moyenne qui va illuminer ton panneau mais l'ensoleillement réel, qui peut être inférieur au seuil de charge de la batterie pendant X jours consécutifs.
Reste à trouver X avec une probabilité de Y.

Mais vu ton dimensionnement les jours de non fonctionnement seront peu nombreux.

[ardui-domo]

D'accord,

Je suis pas vraiment calé en probabilité, et je ne vois comment procéder pour trouver ce X, aurais-tu une piste ?

Merci

[Gwinver]

Bonsoir.

D'après un site météorologique, j'ai pu avoir accès à la puissance lumineuse moyenne de ce jour-ci qui fut de : 414,46W/m²

Il faudrait déterminer les conditions dans lesquelles ceci est atteint, en particulier au niveau de l'orientation de la surface considérée.

[Murayama]

Bonjour!

-> Ce qui donne une puissance en WJour (sous 5V avec un coeff de 1.2 de marge)
de 24*0.06*5*1.2 = 8,56WJour

Une remarque: il me semble que vous mélangez les unités.
1W pendant 1h, ça fait 1Wh. De la même façon, 1W pendant 1jour, ça
fait 1WJour et non 24. Par contre, 1WJ, ça fait bien 24 Wh. Donc il faudrait
à mon avis raisonner en Wh sur toute la ligne, parce que c'est une unité plus
standard, ou en joules, en tenant compte du fait que l'énergie varie, ce qui
se traduit par: les joules se suivent et ne se lessemblent pas.
Enfin, c'est vous qui voyez, mais en tout cas il faut utiliser
la même unité. Je continue donce en Wh.

Votre système consomme 60 mA en 5V, ce qui fait 300 mW.
Avec un coefficient de 1.2 (indépendamment du fait de savoir si c'est raisonnable
ou pas), on en est à 360 mW.

Pendant 1 jour, on n'a pas 8.56 WJour, mais 360 mWJour. Et comme vous semblez
multiplier par 24 heures, la valeur 8.56 que vous obtenez, ce sont des Wh et non
des WJ.

Ensuite, la transmission consomme beaucoup en puissance, mais en terme d'énergie,
quasiment rien. En clair: 1000 mA en 5V pendant 2 secondes, ça nous fait 5W pendant 2
secondes, donc 10 Joules. En convertissant en Wh, vous verrez que l'augmentation est
quasiment négligeable, il faudra ajouter 1/360 Wh à vos 8.56. Ou 2 / 360 puisque c'est
2 fois par jour, mais ça ne change quasiment rien, seule la 3ème décimale change.

Bon, ça consomme moins, donc ça vous arrange, mais par contre il me semble que le
calcul de puissance est un peu optimiste. Surtout avec une durée d'ensoleillement
plutôt hivernale. On peut refaire le calcul à l'équinoxe. En supposant que le
panneau n'est pas orientable, mais tout de même incliné de façon à être perpendiculaire
à midi solaire, on a un éclairement sinusoïdal. Si on calcule l'inégrale sur une
demi période, on a une valeur de 2/PI. Donc en moyenne sur 1 jour, c'est 1/PI.
Avec 1000W/m^2 au niveau du sol (perpendiculaire), on a donc un éclairement théorique
moyen de 318 W/m2 sur une période de 24h.
En tenant compte de la surface, on est en gros à 35W, et avec une efficacité, disons
de 18% (optimiste aussi), on arrive dans les 6W.
Et je n'ai pas parlé des nuages, jours de pluie, etc...

Pascal

[ardui-domo]

Merci pour vos réponses,

Gwinver, j'ai envoyé un mail pour avoir plus d'infos, les données sont issues d'un logiciel de calculs dénommé "crepyscule", opensource, développé par Miguel tremblay.

Il s'agit de la valeur théorique maximale qui s'applique à un mètre carré parallèle au sol au courant d'une journée (midi). Donc effectivement mes "stats" sont archi-fausses.

Murayama merci pour vos remarques, en effet le terme Wjour porte à confusion, je vais tout ramener en Wh.
Donc avec une consommation de 60mA, on a pour 24h 0.06*24*5*1.2 (1.2 est arbitraire, il me parait suffisant ?) = 0.864Wh
Et en consommant 1000mA sous 5V pendant 2 secondes, cela revient à une puissance de 0.0027Wh, le tout revenant alors à 867mWh.

Au premier abord je me suis dit que du coup un panneau de 5W suffirait, mais en vous lisant plus loin :

On peut refaire le calcul à l'équinoxe. En supposant que le
panneau n'est pas orientable, mais tout de même incliné de façon à être perpendiculaire
à midi solaire, on a un éclairement sinusoïdal. Si on calcule l'inégrale sur une
demi période, on a une valeur de 2/PI. Donc en moyenne sur 1 jour, c'est 1/PI.
Avec 1000W/m^2 au niveau du sol (perpendiculaire), on a donc un éclairement théorique
moyen de 318 W/m2 sur une période de 24h.

S'il ne reste plus que 6W à l'arrivée, et ce dans des conditions extrêmement favorables et momentanées dans la journée, ça va pas être évident...

Du coup, comment puis-je anticiper tous ces phénomènes, il me faudrait un panneau et une batterie de test à faire tourner une année entière !
La solution la plus simple serait que j'applique un coefficient d' "intempéries" et dimensionne davantage le panneau solaire et la batterie ?

(Ceci dit, du coup, 867mWh reste très faible)

Merci,

[antek]

Du coup, comment puis-je anticiper tous ces phénomènes, il me faudrait un panneau et une batterie de test à faire tourner une année entière !
La solution la plus simple serait que j'applique un coefficient d' "intempéries" et dimensionne davantage le panneau solaire et la batterie ?

Hors calculs et simulations on effectue des estimations grossières.
A la latitude de la France on stocke 25 jours de fonctionnement (énergie restituable).
On divise le résultat en A.h par 2 pour obtenir la puissance crête installée (à tension semblable à celle de la batterie).

Sinon on s'adresse au CNET, CNRS, Météorologie Nationale, etc, qui on développé des méthodes de calcul et des simulateurs . . .

[ardui-domo]

Ok !

Donc pour 24h on consomme 867mWh ce qui revient à 520,2Wh pour 25 jours de fonctionnement.
Sous 12V (tension du panneau), on a un courant délivré de 520/12 = env 43Ah.

Divisé par deux ça reviendrait à un panneau > 22W donc le palier du dessus pour moi ce serait 50W.
Même si le coût global sera plus élevé, si l'installation est pérennisée je m'en porterai mieux.

Peux-tu me confirmer le résultat ?

[antek]

Sous 12V (tension du panneau), on a un courant délivré de 520/12 = env 43Ah.

On a la quantité d'électricité que doit fournir la batterie.
Selon sa technologie, sa température, etc, il faudra majorer cette valeur (de + 5% à + 20%).
Le site d'implantation et l'orientation ont aussi une grande importance.

[RomVi]

Bonjour

D'accord,

Je suis pas vraiment calé en probabilité, et je ne vois comment procéder pour trouver ce X, aurais-tu une piste ?

Merci

On trouve facilement des cartes de france ou des logiciels en ligne avec le potentiel d'ensoleillement, il suffira de prendre en compte la surface et le rendement de ton capteur pour pondérer le résultat.
Une petite remarque au passage : Tu peux réduire très fortement la consommation de ton montage en mettant l'Arduino en mode veille (on tombe alors à quelques mA) et piloter l'alimentation des capteurs, car il n'est pas indispensable de faire des mesures toutes les µsecondes avec une station météo.

[Gwinver]

Bonsoir.

C'est bon signe, on avance vers les détails, mais qui ont tout de même de l'importance.
Parmi ceux-ci, il faut penser aux rendements de conversion, des batteries et éventuellement l'auto décharge.

[Murayama]

Bonjour!

Murayama merci pour vos remarques, en effet le terme Wjour porte à confusion, je vais
tout ramener en Wh. Donc avec une consommation de 60mA, on a pour 24h 0.06*24*5*1.2 (1.2
est arbitraire, il me parait suffisant ?) = 0.864Wh Et en consommant 1000mA sous 5V
pendant 2 secondes, cela revient à une puissance de 0.0027Wh, le tout revenant alors à
867mWh.

Vous devriez arrêter le café, ça fait bégayer les touches de la calculette.
Reprenons: 60 mA avec 5V et un coefficient de 1.2, ça fait 360 mW.
Sur 24 heures, ça fait 8.64 Wh, pas 864 mWh. Pour les 10 joules, on est bien à
0.0027 Wh, et même 0.0028 en arrondissant au plus proche.

NB: Le meilleur moyen de ne pas faire d'erreurs de calcul est de calculer de tête.
Exemple: 0.06 x 24 x 5 x 1.2
5 x 24, ça fait 120 presque sans réfléchir. 12x12. ça fait 144, donc 120 x 1.2 aussi.
Ensuite, 0.06, c'est en gros 1/16. Si vous divisez 144 par 16, vous ne pouvez
en aucun cas trouver zero virgule quelque chose. Et comme 144 n'est pas loin de
160, vous devriez trouver pas loin de 10. Bon, je calcule tout de tête, c'est mon
côté autiste, mais je pense qu'on y gagne tout de même.

S'il ne reste plus que 6W à l'arrivée, et ce dans des conditions extrêmement favorables
et momentanées dans la journée, ça va pas être évident...

Je me suis mal expliqué. Ce sont effectivement des conditions favorables, mais pas
momentanées, c'est l'intégrale (théorique) sur une journée ensoleillée.
La puissance solaire est à la surface du sol 1000W / m^2 pour des rayons bien perpendiculaires.
C'est pour cela que j'ai calculé l'intégrale.
On peut dire que l'angle du soleil sur une journée est sinusoïdal. Pour simplifier, on va
le faire commencer à 0 à 6 heures solaires, et il sera donc de pi à 18 heures (équinoxe).
L'énergie n'existera que pendant la journée, on calcule donc l'intégrale d'une demi
période. En intégrant sin(x) entre 0 et PI, on a 2. Par contre la longueur de la période
étant 2PI, le rapport est donc de 1/PI. Conséquence de quoi si on a 1000W/m^2 à midi,
on a 1000/PI en moyenne sur 24 heures, soit 320 environ. NB: si on se souvient que
PI2 = en gros 10, c'est aussi facile à calculer de tête.
En multipliant par la surface de votre panneau (0.12m^2), on est donc dans les 35 W
en moyenne sur une journée ensoleillée. Et quand je dis journée, je veux dire 24 heures.
Ensuite, avec un rendemnet du panneau d'un peu moins de 20%, on arrive dans les 6~7W,
toujours en moyenne sur 24 heures. Vous pouvez récupérer 144 Wh par jour, et vous
avez besoin de, disons, 10 Wh par jour, ce qui fait que (théoriquement), vous devriez
approcher les 2 semaines d'autonomie. En tenant compte des lois de Murphy, je dirais
qu'une semaine n'est pas déraisonnable.

Pascal

[RomVi]

La puissance solaire est à la surface du sol 1000W / m^2 pour des rayons bien perpendiculaires.
C'est pour cela que j'ai calculé l'intégrale.

Connaitre le maximum d’ensoleillement (qui n'est atteint que très rarement dans une année) ne nous est d'aucune utilité. C'est un peu comme si tu prenais la performance d'Usain Bolt au 100m pour calculer le temps qu'un piéton va mettre pour aller jusqu'à la gare.
Comme je l'ai expliqué plus haut il faut utiliser ça : http://www.onyxsolar.com/smarttools/indexfr.php
Et comme sur les forums, et dans la vie en général, il ne faut pas hésiter à prendre en compte plusieurs avis pour se faire une idée, on a toujours le risque de tomber sur un calculateur mal foutu.

[Murayama]

Bonjour!

Comme je l'ai expliqué plus haut il faut utiliser ça : http://www.onyxsolar.com/smarttools/indexfr.php

C'est vrai que balancer des chiffres dans un programme comme celui de votre lien
sans comprendre ce que ça fait, c'est une approche didactique.

Notez que je ne conteste pas le bien-fondé du site en question, c'est certainement
intéressant quand on a la chance de vouloir résoudre un problème qui précisément
est traité par ce site.

À part ça:
Ceci est un forum d'électronique. On peut lui prêter entre autres un but éducatif, donc.
Il n'y a sans doute aucun mal à s'intéresser aux statistiques régionales, mais vous ne m'ôterez
pas de l'idée qu'il est parfois utile de comprendre le fonctionnement du système et
les différentes pertes d'énergie possibles.

Et comme sur les forums, et dans la vie en général, il ne faut pas hésiter à prendre en
compte plusieurs avis pour se faire une idée, on a toujours le risque de tomber sur un
calculateur mal foutu.

Justement, quand on comprend bien comment l'énergie est distribuée au cours d'une
journée, et qu'on essaie de prendre en compte toutes les étapes, les différentes
pertes, rendements, etc... on a encore moins de chances d'être trompé par un
programme mal foutu.
C'est pareil que pour les calculs, une calculette, c'est bien, mais c'est encore
mieux d'évaluer l'ordre de grandeur avant, de manière à être plus sûr du résultat.

Connaitre le maximum d’ensoleillement (qui n'est atteint que très rarement dans une
année) ne nous est d'aucune utilité. C'est un peu comme si tu prenais la performance
d'Usain Bolt au 100m pour calculer le temps qu'un piéton va mettre pour aller jusqu'à
la gare.

Nous nous connaissons?
Merci mon bon, vous m'en apprenez des choses. M'avez-vous lu avant de commenter?
Mon but premier était de corriger les calculs. J'ai ensuite embrayé sur un calcul
qui prend en compte un certain nombre de paramètres, sans aucune prétention d'exhaustivité.
Si vous faites l'effort de me lire (lentement!), vous pourrez constater que contrairement
à ce que vous semblez croire:
- J'ai fait un calcul sur une journée moyenne (équinoxe et non plein été)
- J'ai fait le calcul de l'éclairement moyen sur 24 heures et non l'éclairement maximal
pratique que vous citez, ce qui explique la valeur très éloignée de cet éclairement maximal
(320W/m^2 vs 1000).
- J'ai pris en compte le rendement du panneau, qui m'amène à 36W/m^2, en précisant bien
que ce rendement me semblait optimiste.
- J'ai bien précisé que dans ces conditions il y avait chaque jour ensoleillé de l'énergie
pour tenir une quinzaine de jours quand on compare l'énergie moyenne journalière aux
besoins de l'application, mais qu'il est prudent de prendre en compte la loi de l'emmerdement
maximal (Murphy) et que tabler sur 1 semaine semblait plus raisonnable, j'ai parlé des
jours de pluie, etc.

Alors évidemment quand on sort une phrase au hasard hors de son contexte, il est difficile
d'écrire un commentaire impartial qui reflète ce qui a été écrit.

Pascal

[RomVi]

Nous nous connaissons?

Il n'est jamais agréable de se faire reprendre, mais c'est le risque à mesurer lorsque l'on se permet de se poser en expert dans un domaine que l'on ne connait pas.

Si vous faites l'effort de me lire (lentement!), vous pourrez constater que contrairement
à ce que vous semblez croire:
- J'ai fait un calcul sur une journée moyenne (équinoxe et non plein été)
- J'ai fait le calcul de l'éclairement moyen sur 24 heures et non l'éclairement maximal
pratique que vous citez, ce qui explique la valeur très éloignée de cet éclairement maximal
(320W/m^2 vs 1000).

C'est toi qui a mal compris ma remarque, la valeur de 1000W/m² n'est pas pertinente dans la mesure où il s'agit d'un record absolu, au plus fort de l'été. Je ne m'étendrais pas sur ta méthode mathématique qui n'est pas adaptée non plus, ce n'est pas le but.
En pièce jointe j'ai placé l'évolution de l'irradiance maximale jour par jour, c'est à dire lorsque le soleil est au zénith, pour la ville de Paris. L'irradiance est indiquée en fonction de l'époque de l'année. J'ai calculé ces valeurs à l'aide du modèle de Ryan-Stolzenbach. Pour comparaison j'ai également tracé ce que nous pourrions appeler le "modèle de Muruyama".

C'est vrai que balancer des chiffres dans un programme comme celui de votre lien
sans comprendre ce que ça fait, c'est une approche didactique.

L'auteur n'est pas venu ici pour avoir un cours bancal sur la modélisation de l'irradiance solaire, mais pour savoir si son panneau est suffisant. L'approche d'un calculateur en ligne répond précisément à sa question.

Voyons ce que nous annonce un de ces "programmes en ligne" ; les conditions sont un capteur de 10Wc, orienté de façon optimale (35° plein sud, horizon dégagé).

mois	prod/mois
1	364 Wh
2	552 Wh
3	996 Wh
4	1184 Wh
5	1240 Wh
6	1228 Wh
7	1232 Wh
8	1164 Wh
9	1040 Wh
10	728 Wh
11	412 Wh
12	338 Wh
Total	10477 Wh

mois	puissance moyennée sur le mois
1	0,49 W
2	0,79 W
3	1,34 W
4	1,64 W
5	1,67 W
6	1,71 W
7	1,66 W
8	1,56 W
9	1,44 W
10	0,98 W
11	0,57 W
12	0,45 W

On tombe à 0.45W moyenné sur le mois de décembre, à comparer à ta valeur de 6W (pour laquelle tu ne t'es pas trop mouillé quand même). Dans un cas la réponse laisse penser que ça passe allégrement, dans l'autre se rend on se rend compte que ça ne suffira pas.
Je laisse l'auteur décider quelle approche lui semble la plus pertinente...