Nos énergies

Après quelques modifications et mises à jour de notre installation ( voir les articles précédents ),  j'ai constitué un dossier consultable ci-dessous.

N'hésitez pas à poser vos questions, faire des remarques, des suggestions.

Gaulois.

Organigramme et conception technique


Présentation

Le but de l'installation est de recueillir de l'énergie électrique à partir du vent et du soleil. Ceci à l'aide d'une éolienne et de quelques panneaux photovoltaïques. La production est modeste et reste dans le cadre d'une utilisation privée sans revente à EDF. La conception est très personnelle et ne reflète pas forcément les schémas classiques en terme d'installations énergétiques. Je met à profit une bonne connaissance technique et mon expérience de l'électricité et l'électronique.
La figure 0 montre l'organigramme et la conception technique de la mini-centrale.
Bien entendu, il faut un minimum de connaissances en la matière pour les lecteurs de ce dossier. Les autres auront au moins une idée de ce qui peut se faire en terme d'énergie renouvelable. Plus particulièrement lorsque nous habitons la campagne. Mais il y a des possibilités en ville. Il suffit de se renseigner.

La conception technique de notre installation est très simple. Ce qui en fait une réalisation souple facile à dépanner et à modifier. Ceci grâce à de nombreux composants de récupération et un câblage traditionnel. Vous ne verrez pas ici des coffrets rutilants et bourrés de gadgets souvent inutiles et gourmands en énergie.
J'ai d'abord pensé à fabriquer moi-même l'éolienne, ainsi que le convertisseur, mais j'ai fini par en faire directement l'acquisition.

La structure qui est en fait le salon d'été et qui va supporter le tout. Nous l'avons baptisé le Tipi énergie. C'est le début, avec l'éolienne et le 1er panneau de 125 watts.

Aujourd'hui, en août 2012, 13 panneaux sont installés, de l'est à l'ouest. 2 ne sont pas visibles car à l'opposé du photographe, à l'est.

                                                                     

L'éolienne en plein travail

                                                                                            Figure 0

 Voici les détails de cette réalisation en constante évolution et qui fonctionne maintenant depuis bientôt 5 ans. Au tout début, un seul panneau de 125 W fournissait du 12 volts pour charger une batterie et assurer le fonctionnement de quelques accessoires de l'habitation. Il faut savoir qu'il est préférable d'utiliser des appareils prévus en 12 volt  car nous faisons l'économie énergétique des transformateurs qui apportent une perte en rendement non négligeable.
Nous alimentons à partir du 12 volts général quelques points d'éclairage intérieur et extérieur, 2 pompes 12 volts pour le relevage et la mise en pression de l'eau de pluie stockée en cuve enterrée. La box internet, la radio, le téléphone répondeur. Un chargeur universelle d'accus de 1,5 à 9 volts ( nous avons banni les piles ! ), etc...  

Le Synoptique

La figure 1 représente le synoptique organigramme de l'ensemble, de la production à l'utilisation. Nous remarquons deux utilisations : le 12 volts Courant Continu et le 230 volts Alternatif.  

                                                                       Figure 1

Asservissement du convertisseur

La figure 1a, complémentaire du synoptique de la figure 1,  montre la façon dont est asservi le convertisseur. Une description détaillée plus loin donne un aperçu du fonctionnement.  

Figure 1a

Energies

 Les 6 lignes d'énergies recueillies par l'éolienne de 400 W ( plus proche de 250 watts ) et les 13 panneaux photovoltaïques totalisant environ 1500 W maxi, sont dirigées sur un module à 6 fusibles de 30 ampères. Figures 1 et 2.  A noter que les panneaux photovoltaïques sont répartis par paires ou 4 éléments identiques Figure 1b

                                                                                          Figure 1 b

Le synoptique, qui est indicatif ne représente pas le montage exact, mais le principe. Les fusibles de 30 ampères sont pour l'instant sur-calibrés car en attente de quelques autres panneaux.

                                                                                          Figure 2

                                 En haut, les 6 fusibles + 1 en réserve. En bas le caisson des 6 régulateurs.
                                                 A gauche des régulateurs le boîtier du relais à seuil.
                                                                 L'ensemble en cours de câblage.

Vient ensuite la régulation composée de 6 régulateurs distincts et indépendants ( photo ci-dessus ). Ce principe est volontairement choisi pour trois raisons :
Une plus grande liberté de choix des panneaux photovoltaïques en fonction des offres du marché. Sur les figure 1a et 2, on peut voir 1 panneau de 125 W, 8 de 100 W, 2 de 95 W et 2 de 90 W et l'emplacement de l'éolienne de 400 W. Provisoirement, le panneau de 125 w et l'éolienne sont couplés sur la même ligne de régulation.
L'idéal serait bien sûr de faire l'acquisition d'un parc de panneaux tous identiques et ainsi opter pour un seul régulateur. Mais cela suppose d'acheter l'ensemble des panneaux et le coût financier serait trop brutal. Je laisse donc cette option pour ceux qui ont du fric ou qui s'endettent.
Enfin la 3ème raison offre l'avantage énorme de ne pas paralyser toute la régulation. En cas de défaillance de l'un des régulateurs, les 5 autres continuent de fonctionner.
Nous parlerons des régulateurs plus loin.

Batteries

                                         Le caisson avec ses 6 lignes de batteries en début d'installation.
                            Remarquez les diodes de puissance à droite, sur chaque borne + des batteries.

                                              Le même caisson équipé du Convertisseur 3 KW, à gauche.

Du fait de l'utilisation de batteries différentes en capacité, il n'est pas possible de les mettre « directement » en parallèle.  Actuellement j'utilise 6 batteries de 6 volts de 200 Ampères montées 2 par 2 en série afin d'obtenir 3 lignes de 12 volts. A cela s'ajoute 3 batteries ( de camion ou voiture ) de récupération. Ce qui fait 6 lignes de batteries affectées chacune aux 6 régulateurs et totalisant 850 Ah.
Les lignes de batteries sont donc réunies en parallèle à travers des diodes de puissance afin de les isoler entre elles. Figure 3

                                                                                        Figure 3

Les diodes D1 à D6 servent donc à coupler les lignes de batteries mais sont  également en série dans les sorties de chacun des régulateurs correspondants.
Le synoptique de la figure 1 met parfaitement en évidence le rôle de ces diodes. Elles figurent également en sortie des régulateurs  figure 4
En fait, chaque ligne de régulation et de batterie comporte 2 diodes. L'une est connectée directement. Diode de 150 ampères figure 3b1

                                                                                         Figure 3b1


L'autre diode CTP 50130, figure 3b est connectée en  // sur la première seulement si le 12 volts général est inférieur à 14,4 volts et grâce au dispositif « Commutateur des diodes » de la figure 3 a. Ce sont donc des diodes d'appoint. Sur cette figure je n'ai pas représenté les diodes connectées en permanence. La figure 3 montre le détail de principe.
Au fait, pourquoi 2 diodes en  // ? Tout simplement parce que je n'avais pas envie de retirer les diodes d'origine pour une question de travail électromécanique. Même si ces 2 diodes ont des caractéristiques différentes, leur mise en  // ne pose aucun problème et diminue encore la chute de tension résultante, qui est le but recherché. 

                                                                                           Figure 3 a

Le principe du commutateur des diodes en figure 3 a est très simple. Il s'agit d'un ampli op ( AOP )  LM 741 monté en comparateur de tension non inverseur. L'entrée Pin 2 inverseur est polarisée en tension fixe par une zener à 6,8 volts ( environ la moitié du 12 volts général ). L'entrée non inverseur pin 3 est ajustée par un potentiomètre de 1 k dans le pont diviseur de façon à ce que la tension sur cette pin soit légèrement supérieure à celle de la pin 2, ceci lorsque la tension du 12 volts général atteint 14,3...14,4 volts. La sortie pin 6 devient alors positive et polarise le transistors BC108 et par voie de conséquence le transistors BD136. Le relais HK19F colle. Les 6 relais de puissance collent à leur tour et coupent les diodes complémentaires, ne laissant en service que celles câblées en permanence. Inversement, lorsque le 12 volts général descend sous le seuil de 14,4 volts, le dispositif est au repos. Les diodes complémentaires sont actives et en // sur les diodes permanentes. Si le 12 volt est plus faible, il faut réduire la chute de tension aux bornes des diodes. L'ajustable de 470 kΏ permet d'ajuster un Hystérésis acceptable sur le LM 741 afin d'éviter des battements des relais. J'ai aussi ajouté des condensateurs sur la base des deux transistors, ainsi que sur le collecteur du BD136, réduisant encore l'effet de battement. 
L'astuce de ce montage permet de réduire considérablement la chute de tension car avec l'ajout des diodes, elle est inférieure à 0,32 volts pour 30 ampères. Ce qui en fait un atout appréciable. On gagne ainsi quelques poignées de watts lorsque l'énergie produite est faible ou la charge de sortie optimale.
Sur le synoptique de la figure 1 et la figure 4, je n'ai représenté qu'une seule diode, pour la clarté du schéma.
J'ai trouvé des diodes doubles CPT 50130 de très forte puissance. Figure 3 b

                                                                                          Figure 3b
 
Elles supportent un courant pouvant atteindre 500 ampères, ce qui est ici très  largement sur-dimensionné. Mais elles présentent une chute de tension très faible. A 30 ampères, la chute n'excède pas 0,32 volts, au lieu des 0,6 ou 0,7 volts habituels.

                                                                                            Figure 3 c
       

Les régulateurs

                                       Le caisson des 6 régulateurs, ouvert. C'est du câblage traditionnel.

                           Remarquez la forte section du câblage des ampèremètres, afin de réduire la perte.

                                         Les ventilateurs refroidissent les transistors Mosfets. Voir texte.
                                 Remarquez les platines au câblage très aéré, pratique pour le dépannage.

                                                                 Détails vue arrière des régulateurs.

                 Les radiateurs avec les 3 transistors ballasts et le régulateur LM2940 sur son propre radiateur.

La régulation est indispensable afin de limiter la tension et le courant sur les batteries.  Elle s’intercale naturellement entre la source d'énergie et la batterie.   
Elle est très simple. Les 6 modules sont identiques dans la conception et la Figure 4 n'en représente qu'un. Seule, la régulation en courant diffère. 3 admettent un courant de charge jusqu'à 20 ampères. 2 jusqu'à 13 ampères et 1 jusqu'à 8 ampères. Ces courants de charge sont adaptés aux batteries correspondantes. Figure 2.
Un ballast composé de 3 Transistors de puissance TIP 3055 autorise un courant de passage de 15 A x 3 = 45 ampères. Il assure la protection en tension entre la source  et la batterie. En effet, la tension d'un panneau peut atteindre 21 volts qui serait fatal à la batterie. Il est piloté par un régulateur de tension LM 2940 de 15 volts en sortie et que l'on retrouve sur la base du ballast. Ce régulateur de tension est à très faible perte de tension entre son entrée et sa sortie ( 0,3 volts maxi ), ce qui permet d'exploiter au mieux la tension issue du panneau par ensoleillement faible. La tension n’excède pas 14,9 volts sur l'émetteur du ballast et c'est la tension maximale admise sur la batterie.
La régulation en courant est assurée par la résistance R, qui est en fait un ensemble de résistances montées en parallèle et calculé afin d'obtenir la valeur souhaitée. Elle est  différente en fonction du courant de charge maximum et peut être modifiée en fonction de l'évolution de l'ensemble énergies / batteries. Figure 4.
Lorsque ce courant de charge maxi est atteint, la tension aux bornes de R atteint 0,65 volts. Cette tension se retrouve aux bornes du transistors BD 135 qui devient conducteur. Sa jonction émetteur / collecteur court-circuite l'ensemble base  /  émetteur / R du ballast. Plus le courant tend à augmenter, plus le ballast est freiné car plus le BD 135 conduit.
A noter la présence d'un interrupteur à thermostat à fermeture de contact, fixé sur le radiateur des transistors ballasts. Lorsque la température est excessive, le contact thermostatique se ferme et actionne le ventilateur correspondant.
Si l'on observe le reste du montage, nous avons un détecteur de tension composé de 2 diodes zener de 6,8 volts et d'un potentiomètre de 100 Ώ. Lorsque la tension de batterie  atteint 14,4 volts et que le potentiomètre a été convenablement ajusté, le transistors BC 177 conduit et génère une tension dans la branche potentiométrique de son collecteur. Une fraction de cette tension est prélevée par le potentiomètre de 2,2 k Ώ en direction de la gâchette du Transistors Mosfet IRFP 250. Celui-ci conduit à son tour et alimente la lampe correspondante, assurant ainsi le délestage de l'énergie superflue. La lampe est en fait une ampoule de phare d'automobile utilisée avec ses 2 filaments code / route en série.
  

   
Le ventilateur en parallèle sur la lampe sert à refroidir le Mosfet qui peut chauffer énormément. Ce sont des ventilateurs de récupération qui servent à l'origine à refroidir les processeurs d'ordinateurs.

                                                                                           Figure 4

Le montage pourrait s'arrêter là.
En effet, la ligne 12 volts général issue à la fois des batteries et des sources d'énergie est disponible pour les divers besoins. Elle alimente bien sûr le convertisseur qui restitue du 230 volts. Elle sert aussi à alimenter les éléments de sécurité et de commande de l'installation dont je vais parler plus loin. Ce 12 volts est aussi utilisé pour divers appareillages tels que : 2 pompes de relevage et pression de l'eau de pluie stockée en cuve enterrée. Éclairage extérieur et intérieur en des points précis de l'habitation ( bureau, cuisine au dessus évier, et lavabo. Chargeur de petites batteries et téléphone portable. Téléphone fixe amplifié. Box internet, radio. Ces appareillages alimentés directement à partir du 12 volts présentent l'avantage de supprimer les divers transformateurs d'adaptation du 230 volts, ainsi que la perte de rendement de leur propre consommation. De plus, lorsque le convertisseur est en sécurité, donc stoppé, le 12 volts général, même s'il est un peu faible est quand à lui toujours disponible. 

Gestion du convertisseur

Le convertisseur présente un inconvénient non négligeable. Le fait qu'il se mette en sécurité lorsque le 12 volt atteint un seuil maximum ( 15,5 V ) ou minimum ( 10  V ) induit des coupures répétées sur l'utilisation. En fait il s'agit d'un effet de battements répétés qui peuvent être préjudiciables pour les appareils en service.
Pourquoi ces battements ? Lorsque le convertisseur se coupe car sous-alimenté, par exemple à 10,1 volts au lieu de 12 volts, cette tension de batterie tend à remonter, suffisamment pour que le convertisseur redémarre. Mais le 12 volts n'étant pas encore  au mieux de sa forme, il rechute à nouveau, d'où nouvelle coupure et ainsi de suite.   Le nombre de battements varie en fonction de l'apport d'énergie du moment, ainsi que de la charge utilisée sur la sortie du convertisseur.
Pour palier à cet inconvénient dans une large mesure, j'utilise un relais à seuil de ma conception.

Relais à seuil  

                                                                                            Figure 5

La figure 5 montre ce relais à seuil temporisé. Lorsqu'il est actif, il pilote le convertisseur par le contact « travail » de RL 1 ( relais miniature HK 19F autorisant un courant de contact de 2 ampères. Bobine de 700 Ώ ). Ce contact étant en série avec l'interrupteur du convertisseur. Il va sans dire que ce dernier reste en position «  Fermé », excepté lors de mise hors service pour maintenance.
Le fonctionnement du module est axé sur le discriminateur TCA 965 B. Ce composant est en fait un double comparateur de tension ou comparateur à fenêtre. C'est-à-dire qu'il détermine une fenêtre de tension de fonctionnement réglable avec P1 et P2. La fenêtre de tension est ici de 12 volts à 14,8 volts. En principe, avec les variations de tension, nous obtenons trois états différenciés sur les pins 2, 13 et 14.
Si la tension 12 Volts passe sous le seuil inférieur de 12 volts, la pin 2 passe à l'état bas. Si la tension se situe entre 12 volts et 14,8 volts, c'est la pin 13 qui bascule à l'état bas. Si la tension dépasse 14,8 volts, c'est la pin 14 qui passe à l'état bas. P1 ajuste le seuil bas. P2 ajuste le seuil haut. Comme on le voit sur le schéma, j'ai monté dans chaque branche des pins 2, 13 et 14 deux relais miniature « Celduc ». Les relais Celduc à contact NO ( normalement ouvert ) alimentent des diodes LED de couleurs différentes. La bleue indique le 12 volt en limite inférieure ( 12 volts ). La verte indique la fenêtre entre 12 et 14,8 volts. La rouge indique une tension limite supérieure ( 14,8 volts ). Le convertisseur fonctionne donc dans la limite de cette fenêtre comprise entre 12 et 14,8 volts. Comment cela fonctionne-t-il ? Lorsque la tension se situe dans la fenêtre, les pins 2 et 14 sont à l'état haut. Les Celduc correspondants à contact NF ( normalement fermé ) restent au repos et sont reliés en série et polarisent la base du transistor BD135, depuis le 12 volts via la résistance de 3,9 kΏ. Le transistor conduit, RL1 est actif et son contact NO colle, alimentant le convertisseur. Si la tension atteint le seuil inférieur ou le seuil supérieur, le relais Celduc correspondant est actif et la polarisation du transistor est interrompue. Le convertisseur est hors service.
A noter que les seuils de 12 volts et 14,8 volts ont été choisis de façon à ce que le dispositif entre en action avant la sécurité du convertisseur. Celui-ci se coupe à 11,6 volts et à 15 volts. Ainsi, on évite les arrêts et remises en route successifs ou battements du convertisseur qui peuvent être préjudiciables. Ces battements engendrent l'inversion répétée du 230 volts EDF avec le 230 volts du convertisseur.
Cependant, l'effet de battement peut intervenir à cause des fluctuations de la tension de 12 volts. ( Il faut comprendre par tension de 12 volts la tension générale de batteries. Tout le dispositif est alimenté à partir de ce 12 volts et le TCA 965 B analyse et exploite ses fluctuations. Les relais sont choisis de sorte qu'ils ne sont pas influencés par les variations ).
En effet, quand le 12 volts est faible, le dispositif se coupe. Le 12 volts remonte et le dispositif se remet en route, pour se couper à nouveau, surtout si la charge du convertisseur est importante ou les batteries insuffisamment rechargées. Pour palier à cet inconvénient, j'ai ajouté un autre relais RL 2 qui est un Finder 8630 temporisé. Il entre en action grâce au contact NF de RL 1  lorsque celui-ci est au repos, donc quand le convertisseur est stoppé. Le contact à ouverture retardée du Finder reste fermé le temps de la temporisation que j'ai réglé à 10 mn. Durant cette temporisation, la base  du transistor est à la masse, même si le TCA 965 B accuse des variations et donc si les pins 2, 13 et 14 changent d'état. En fin de temporisation, la base du transistor est libérée et peut à nouveau conduire si à ce moment-là le TCA 965 B le permet. ( pin 13 à l'état bas ). Le montage fonctionne parfaitement et il n'y a pas de battements. Il est quand-même à noter que lorsque la tempo du Finder est terminée, que le convertisseur se remet en service, il peut se couper à nouveau au bout d'un temps qui varie avec l'état des batteries et / ou de l'ensoleillement, ainsi que de la charge d'utilisation. Mais une nouvelle coupure remet la temporisation du Finder à zéro et la nouvelle remise en service intervient au  bout de 10 mn. Dans l'absolu, un très bon état des batteries et / ou un apport d'énergie  important ou encore une charge d'utilisation faible évitent ces coupures. Dans le cas contraire, les coupures sont fréquentes.

Le relais RL 3 est disposé dans la ligne de sortie 230 volts AC du convertisseur. C' est une sécurité supplémentaire. Lorsque le convertisseur est coupé, pas de 230 volts à sa sortie, RL 3 est au repos, son contact NF alimente le relais Finder. C'est donc une confirmation d'arrêt du convertisseur. Inversement, lorsque le convertisseur est en service, la Led verte « Led 4 » est alimentée par le contact NO qui se ferme.
Ce module est asservi par l'interrupteur crépusculaire qui lui envoie ou non le 12 volts. Il n'est donc pas opérationnel la nuit. Seule, la ligne générale du 12 volts batteries est active en permanence.
La nuit, si EDF est en coupure, et le convertisseur stoppé, notre habitation n'est pas plongée dans le noir ! Puisque la ligne 12 volts de batteries nous permet de disposer de petits éclairages à Leds et de petits halogènes de 10 watts.

Interrupteur crépusculaire   

                                                                                          Figure 6

Lorsque l'interrupteur crépusculaire de la figure 6 est actif, il active le relais à seuil. En fait, la nuit tout le système reste au repos. Les panneaux ne fournissent pas d'énergie et les batteries ne servent qu'à entretenir le stricte minimum ( Décrit en page 5 ). La nuit, les besoins en 230 volts sont presque nuls, en tout cas chez nous ! Le convertisseur n'a donc pas besoin d'être actif.
Au crépuscule, et même un peu avant, question de réglage, l'interrupteur crépusculaire devient inactif. Son relais RL 1 passe au repos et ouvre la ligne 12 volts du relais à seuil. Inversement à l'aube, l'inter. crépusculaire redevient actif, ainsi donc que le relais à seuil et si ce dernier voit le 12 volts suffisant, active à son tour le convertisseur.

Inverseur de source

  Il reste à voir un élément capital dans le bon fonctionnement de l'installation, l'inverseur de sources, figure 7. Entendons par sources le 230 volts EDF d'une part et le 230 volts issu du convertisseur d'autre part. Il est impératif que ces deux sources ne se superposent pas, au risque de tout griller et de s'attirer les foudres de EDF.

                                                                                           Figure 7

Pour ceux qui ont des connaissances en électricité, deux sources différentes peuvent se superposer à deux conditions. Leur amplitude doit être identique ainsi que la fréquence. Fréquence qui doit être rigoureusement en phase.
Voyons comment fonctionne cet inverseur. Il est composé d'un relais de puissance dans chaque source, K1 et K 2. Chacun de ces relais est commandé par un relais série BAS 12 Syrelec temporisé, à fermeture de contact retardé.
Le relais appelé « Maître » détermine la priorité à la source d'énergie issue du convertisseur. Supposons que le 230 volts de EDF et le 230 volts convertisseur arrivent en même temps, après une interruption des deux sources. KA 1 devrait s'enclencher, mais il n'en a pas le temps car le relais maître est activé par le convertisseur, interdisant par l'ouverture de son contact repos la ligne de bobine de KA 1, via le BAS 12 - 1 de KA 1 Le contact auxiliaire de KA 1 étant au repos donc fermé, il permet à KA 2 d'être actif, après la tempo du BAS 12 - 2  qui lui est attribué.
Dans ce cas si EDF se coupe, il ne se passe rien et l'utilisation reste connectée au convertisseur.
Si le convertisseur se coupe, par sécurité et / ou faiblesse du 12 volts, que se passe-t-il ?
Le relais « Maître » passe au repos, ferme son contact et alimente le BAS 12 – 1 qui, après sa temporisation de quelques dizaines de millisecondes, alimente KA 1, via le contact auxiliaire repos de KA 2. EDF est alors en service. Le contact repos auxiliaire de KA 1 s'ouvre et coupe le circuit BAS 12 – 2 déjà au repos.
L'utilisation est alimenté par le convertisseur.
En résumé, tant que le convertisseur est actif, il est prioritaire sur EDF. Si vous préférez, priorité au renouvelable.
Notre installation est évolutive tout en restant opérationnelle.
J'envisage l'amélioration du cycle de charge des batteries.
Bien entendu, ma ligne 12 volts général est protégée par un disjoncteur pour conrant continu. De même que le 230 volts issu du convertisseur par un différentiel 30mA. Ces éléments ne figurent pas sur les schémas.
Le tout avec mise à la terre du négatif 12 volt et du convertisseur.  

Bien entendu, je suis à l'écoute des personnes intéressées ou qui souhaitent apporter   un avis, une suggestion.