F1ATB

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Routeur photovoltaïque via Ethernet

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Routeur Multi Source

Architecture

ESP32-ETH01

Le routeur F1ATB a été initialement développé autour d’un ESP32 Wroom et sa communication en WiFi. A présent (Version 14.10), il est possible de le faire tourner en communiquant via un câble réseau Ethernet.

Le système se décompose en trois sous-ensemble :

  • la mesure de puissance au niveau du disjoncteur principal
    • sonde ampèremétrique ou,
    • Linky ou,
    • module sonde ampèremétrique ou,
    • passerelle Enphase – Envoy-S Metered ou,
    • wattmètre Shelly Em
    • Smart Gateway
    • MQTT
  • le traitement à l’aide d’un microcontrôleur ESP32,
  • les actionneurs avec un triac ou des relais pour alimenter différentes charges. .

Mesure de puissance

La mesure de puissance en entrée de maison s’effectue par une mesure de tension et une mesure de courant pendant au minimum une période du secteur à 50 Hz, soit 20ms. La puissance étant le produit des 2.

Les produits U x I sont positifs

Les produits U x I sont négatifs

Explications sur les Unités utilisées en photovoltaïque

UxI

Pour effectuer cette mesure de puissance on a 7 solutions possibles. Une page est dédiée à chaque solution. Vous y trouverez le schéma électrique ainsi que la liste de courses pour les achats.

UxI

On utilise un capteur de courant dans lequel on fait passer le fil de phase du secteur. Pour mesurer la tension, on utilise un transformateur bobiné classique abaisseur de tension qui nous isole du secteur.

Le microcontrôleur ESP32, grâce à ses convertisseurs Analogique-Digital assure la numérisation et effectue les produits UxI pour mesurer la puissance.

Pour plus de détails, voir l’article : https://f1atb.fr/capteur-u-x-i-pour-routeur-photovoltaique/

Linky
Linky

La mesure de tension, de courant et de puissance est très bien faite par le Linky. En se connectant à la prise TIC (Télé Information Client) il est possible d’extraire les valeurs par une liaison série vers le microcontrôleur ESP32.

Pour plus de détails, voir l’article :

https://f1atb.fr/capteur-linky-pour-routeur-photovoltaique/

UxIx2
UxIx2 ou UxIx3

On retrouve ici le principe de la mesure UxI (mesure tension et courant) mais avec un module précâblé simple à monter sans soudure. Il s’agit du JSY-MK-194 que l’on trouve chez Aliexpress. Il dispose d’une sonde de courant mobile que l’on positionne autour du fil de phase du disjoncteur principal pour faire fonctionner le routeur. Une deuxième sonde fixe sur le module permet de mesurer par exemple le courant et la puissance en sortie du Triac. Les mesures sont transmises à l’ESP32 par une liaison série.

Pour ceux equipés d’une alimentation de la maison en triphasé, il existe le JSY-MK-333 qui avec 3 sondes de courant permet la mesure de la puissance.

Pour plus de détails voir l’article : https://f1atb.fr/capteur-uxix2-pour-routeur-photovoltaique/

Envoy-S Metered
Envoy-S Metered

Pour les systèmes photovoltaïques construits avec des micro-onduleurs Enphase Energy et disposant de la passerelle Envoy-S Metered (firmware V5 et V7), il est possible d’obtenir directement les informations de puissance à l’entrée de la maison.

Pour plus de détails, voir l’article : https://f1atb.fr/routeur-photovoltaique-via-passerelle-enphase-envoy-s-iq-gatewaymetered/

Shelly Em
Shelly Em

Un module Shelly Em pour du monophasé, un Shelly 3Em pour du triphasé ou un Shelly Em Pro implanté au niveau du disjoncteur principal permet d’obtenir sur le réseau Wifi ou Ethernet les informations de puissances consommées en temps réel.

Shelly 3Em

Pour plus de détails, voir l’article : https://f1atb.fr/capteur-shelly-em-pour-routeur-photovoltaique/

SmartGateways

Pour les personnes résidant en Belgique ou d’autres pays européens, la passerelle SmartGateways connectée au compteur électrique Siconia permet de collecter la mesure de la puissance et le sens de transfert. On peut en extraire les données en temps réel, plusieurs fois par seconde, par Wifi.

Pour plus de détails, voir l’article : https://f1atb.fr/fr/capteur-smartgateways-siconia-pour-routeur-photovoltaique/

MQTT

Récupération des données de puissance d’un système domotique dans la maison via le protocole MQTT.

Externe

Dans ce cas on ne fait pas directement la mesure, mais on demande à un autre microcontrôleur ESP32 qui effectue la mesure de puissance à l’entrée de la maison, suivant l’une des 7 méthodes expliquées précédemment, de nous fournir les résultats en passant par le WiFi ou Ethernet.

Traitement

Pour effectuer les mesures et les traitements, L’ESP32 est un microcontrôleur adapté à notre besoin. Il comprend :

  • des entrées analogiques pour mesurer des tensions,
  • des entrées/sorties numériques pour actionner un relais ou un triac si besoin,
  • des liaisons séries
  • une bonne capacité de calcul
  • une liaison WIFI pour faire du reporting à distance sur une page web ou un système de domotique.

Ici nous utilisons une variant avec un connecteur Ethernet/RJ45 sur la carte. Il existe 2 versions sur le marché :

  • ESP32-ETH01 :
    • version du chip : ESP32-DOWB-V3
    • revision : 301
    • Accès WiFi
    • Accès Ethernet
  • WT32-ETH01 :
    • version du chip : ESP32-DOWB
    • revision : 101
    • Accès WiFi crash
    • Accès Ethernet

J’ai une preference pour la carte ESP32-ETH01, mais l’autre fonctionne en Ethernet et le logiciel du routeur ne lui permet pas de passer en WiFi.

La carte WT32-ETH01, à gauche, a un boitier ESP32 légèrement plus petit que celui de la carte ESP32-ETH01

Actionneurs

Pour transférer l’excédent de puissance disponible, on peut utiliser un gradateur avec un Triac ou des relais.

Attention, la charge branchée ne doit pas contenir d’électronique, sauf si vous êtes en mode ON/OFF. L’électronique ne s’accommode pas d’une alimentation découpée en entrée. Pour les chauffe-eaux à régulation électronique, il faut modifier le câblage pour insérer de préférence un relais SSR entre le thermostat électronique et les résistances. Sur ce relais, on peut mettre en parallèle si on le souhaite, le contacteur Jour/Nuit sachant que le routeur peut faire la même chose.

Gradateur – Triac

Pour ajuster le courant à injecter vers le chauffe-eau ou un chauffage, une des solution est l’utilisation d’un gradateur de chez RobotDyn composé d’un Triac et d’un système de détection du passage à zéro de la tension. Les modèles 24A et 60A n’étant plus disponible, il faut prendre un modèle plus petit de 8A et lui adjoindre un Triac BTA40. Voir les explications ici : https://f1atb.fr/fr/triac-gradateur-pour-routeur-photovoltaique/

Relais

La solution la plus simple et moins génératrice de parasites sur le réseau 230V, est l’utilisation de relais SSR (Solid State Relay) connectés aux GPIOs libres de votre choix .

Les relais SSR à base de composants électronique et non mécanique sont très rapide à l’ouverture et la fermeture. Il en existe de nombreux modèles de relais SSR de 10, 25 ou 40A. Ils doivent être commandables en 3.3V. Attention à bien choisir les modèles DA :

  • D = courant continu DC en entrée de commande.
  • A = courant alternatif AC commuté

Choisir un modèle qui supporte au moins le double du courant nominal de la charge. Prévoir un refroidisseur complémentaire si le relais est connecté à une charge puissante ex 3kW.

SSR-40DA
Alimentation d’un chauffe-eau par relais SSR. Pour les mesures UxI, UxIx2 ou Linky, rajouter le schéma d’entrée.

Branchement chauffe-eau électronique

On trouve une description des câblages à faire ici. https://f1atb.fr/fr/routeur-photovoltaique-raccordement-a-un-chauffe-eau/

Branchement des LEDs

Le système comprend 2 LEDs. La jaune clignote à chaque arrivée d’une mesure de puissance. La verte clignote plus ou moins vite suivant l’ouverture du Triac ou du/des relais qui alimentent la charge. On peut utiliser des modules LEDs précablés directement branchés sur les sorties de l’ESP32 ou faire un montage classique avec une résistance entre 220 ohms et 810 ohms qui alimente la diode LED et branché sur la sortie GPIO2 ou GPIO4.

Mesure de Température

En option, on peut rajouter 1 à 4 capteurs de température, pour adapter le fonctionnement du routeur. Ce sont des DS18B20, capteurs de température étanches qui peuvent être positionnés en extérieur ou même dans l’eau d’une piscine. Trois fils en sortie sont à câbler :

Multi-capteurs en parralèle
  • noir : relié à la masse Gnd de l’ESP32
  • rouge : relié au 3.3V
  • jaune : relié au GPIO33

Une résistance de 4700 Ω 1/4 ou 1/8 W est à relier entre les fils rouge et jaune.

Dans le cas de plusieurs capteurs, ils sont tous branchés en parallèle au GPIO33 (fil jaune). La résistance de 4700 ohm commune à tous est branchée entre le GPIO33 et le +3.3V. Les masses (fil noir) sont regroupés sur GND. Les fils rouges sont regroupés sur le +3.3V.

Chaque sonde a une adresse propre attribuée à la fabrication. Ainsi l’ESP32 sait les distinguer.

Architecture Multi Routeurs

Le système peut s’éclater en différents modules pour s’adapter à des distances élevées entre le disjoncteur et les équipements à alimenter. Un ESP32 est chargé de la mesure de la puissance et d’autres ESP32 servent de routeurs pour piloter différents équipements dans la maison. De simples relais pilotables par Wifi peuvent également être contrôlés.

On installe le même logiciel (même version) sur tous les ESP, qu’ils communiquent en WiFi ou par Ethernet. Il doivent être tous connecté au même réseau local.

Montage

Le montage du système avec carte ethernet est similaire aux nombreux montages avec la carte ESP32 38 pins WiFi.

Pour l’affectation des GPIOs, il faut privilégier :

  • Gpio 2 : LED jaune ou rouge
  • Gpio 4 : LED verte
  • Gpio 5 : RX communication série avec UxIx2 TX, UxIx3 TX ou Linky
  • Gpio 17 : TX communication série avec UxIx2 RX ou UxIx3 RX
  • Gpio 33 : Capteur de température DS18B20
  • Gpio 12 : Triac Pwm
  • Gpio 14 : Triac Zc
  • Gpio 34 : UxI signal analogique commun 1.65V
  • Gpio 35 : Uxi Mesure analogique Tension
  • Gpio 39 : Uxi Mesure Analogique Courant
  • Gpio 5,12,14,17,32,33 pour relais SSR si pas utilisé par un autre périphérique

Un contact bref entre une des entrées En et Gnd permet de faire un reset de l’ESP32.
La broche noté LINK permet de savoir si un câble Ethernet est branché ou pas.

Des exemples de réalisation sont donnés ici : https://f1atb.fr/fr/exemples-montage-routeur-photovoltaique-f1atb/

Installation du logiciel

Le code source et la procédure d’installation du logiciel sur le routeur sont disponibles ici : https://f1atb.fr/fr/routeur-photovoltaique-installation-rapide-du-logiciel/

Voir les explications sur la vidéo ci dessous entre 6’15s et 11’15s

Les principaux Achats

Sécurité

En travaillant sur ce projet en 230V, vous acceptez d’assumer la responsabilité de votre propre sécurité et de prendre toutes les précautions nécessaires pour éviter les accidents électriques.

En particulier :

  • Mettez à la terre (fil jaune/vert) le radiateur électrique du Triac ou des relais SSR
  • Ne désinstallez pas le thermostat d’origine d’un chauffe-eau. Il assure la sécurité en cas de surchauffe.

En plus des risques électriques, assurez-vous de monter suffisamment en température pour les risques de salmonelle ou légionellose. En vertu de l’arrêté du 30 novembre 2005, la température de votre ballon d’eau-chaude doit être réglée entre 50° et 60° Celsius pour les dispositifs de moins de 400 litres et entre 55°C et 60°C si le « volume total des équipements de stockage est supérieur ou égal à 400 litres ».

Responsabilité

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