Réalisez un Routeur Solaire pour gérer la surproduction

Version V2
Remplacé par la version V3.04_UxI

Avec les panneaux solaires, dans une installation en autoconsommation, il est fréquent d’avoir de la surproduction d’énergie dont on ne sait que faire et qui est envoyée sur le réseau public. Une solution pour stocker cet excédent est de l’envoyer au chauffe-eau électrique.

Un rapide calcul, pour un chauffe-eau de 200l, équipé d’une résistance chauffante de 2400W, montre qu’il faut près d’une heure de chauffe, soit 2.3 kWh pour monter l’eau de seulement 10°.

200l*1000gr*4.18Joule*10°/3600s=2322 Wh = 2.3kWh

Chaque jour, c’est plusieurs kWh qu’il faut fournir au chauffe-eau. Pour un système classique, on effectue cela de nuit à un tarif réduit. En cas de surproduction dans la journée des panneaux photovoltaïques, il faut envoyer cette énergie au chauffe-eau. C’est une superbe batterie de stockage d’énergie. Mais il est fréquent de n’avoir que quelque centaines de watts disponibles et non pas la puissance de 2400 w que demande la résistance du chauffe-eau en branchement classique.

Tableau des Versions

Différentes versions de routeur ont été décrites :

Version	Mesure courant / puissance	Actionneurs	Modulaire	Domoticz	MQTT / Home Assistant	Description
1	Sonde Ampèremétrique	Relais	Non	Oui	Non	Routeur Solaire. Mesure de Puissance avec un ESP32
2	Sonde Ampèremétrique	Triac + Relais	Non	Oui	Non	Réalisez un Routeur Solaire pour gérer la surproduction
3.04_UxI	Sonde Ampèremétrique	Triac + Relais	Oui	Oui	Oui	U x I : Routeur Solaire pour gérer la surproduction photovoltaïque
3.10 Linky	Linky	Triac + Relais	Oui	Oui	Oui	Réalisez un Routeur Solaire avec un Linky

Ici, nous allons réaliser un système qui envoi uniquement la puissance excédentaire au chauffe-eau en surveillant la puissance qui entre ou sort de la maison afin qu’elle soit nulle à l’aide d’une sonde de courant branchée derrière le compteur. Ce système ne fonctionne que pour les chauffe-eaux électriques classiques dans lesquels se trouve une résistance électrique et un thermostat électro-mécanique pour contrôler la température.

Le routeur solaire agit comme une vanne qui s’ouvre pour laisser passer la surproduction en surveillant le courant en entrée de la maison afin qu’il soit nul.

Matériels

Pour réaliser l’ensemble, il faut les matériels suivants:

Capteur du Courant

Pour mesurer le courant en entrée de la maison, on utilise un capteur de courant dans lequel on fait passer le fil de phase du secteur. En sortie, agissant comme un transformateur, il fournit un courant identique, mais 2000 fois plus faible. Ce courant est envoyé aux bornes d’une résistance et nous allons mesurer la tension générée.

Il existe différents modèles suivant le courant Max que l’on souhaite mesurer. La version 100A est adaptée à un domicile ayant une puissance max délivrée de 12kVA. On la trouve en Chine chez Aliexpress.

Capteur de la tension

Pour savoir si de l’énergie rentre ou sort de la maison, il faut de même mesurer la tension électrique. C’est en comparant la phase du courant I et de la tension U que l’on connaitra le sens du transfert d’énergie.

Pour mesurer la tension, on utilise un transformateur bobiné classique abaisseur de tension qui nous isole du secteur. Par exemple un 230v/6v. Il faut un modèle le plus petit possible, on ne prélève aucune puissance. Cela n’est plus très facile à trouver. Un transformateur, dit de sonnette, peut faire l’affaire.

Micro-Calculateur ou Microcontrôleur

Pour effectuer les mesures de tension et les calculs, 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,
– une bonne capacité de calcul
– une liaison WIFI pour faire du reporting à distance sur une page web ou un système de domotique.

Gradateur – Triac

Pour ajuster le courant à injecter vers le chauffe-eau, on utilise un gradateur de chez RobotDyn composé d’un Triac et d’un système de détection du passage à zéro de la tension. Il existe en 16A ou 24A et est disponible chez Aliexpress.
Attention, le refroidisseur d’origine du Triac est sous-dimensionné sachant qu’il devra fonctionner pendant plusieurs heures. Rajoutez des éléments d’aluminium ou remplacez-le par un plus-grand. De même les 2 pistes entre le connecteur 230V et le Triac sont un peu faibles. On peut, en rajout, souder une couche de fil de cuivre.

En plus d’un gradateur, on peut rajouter en option 1 ou 2 relais solide pour actionner d’autres dispositifs si besoin.

Mesure Courant et Tension

La mesure des 2 tensions représentantes du courant et le la tension secteur se fait par les entrées analogiques de l’ESP32. Ces entrées acceptent une tension positive entre 0 et 3.3V et numérisent la valeur sur 12 bits, valeurs entre 0 et 4095. Pour s’adapter à la dynamique d’entrée, on crée une référence de tension au milieu de la plage à 1.65V =3.3V/2 à laquelle on rajoutera la tension en sortie du transformateur et de la sonde de courant.

On prélève le 3.3V de l’ESP32 qui en passant par un pont de 2 résistances (R6 et R7) de 4700 ohm connecté à la masse nous fourni au milieu une référence de 1.65V. Pour éviter du bruit de mesure, un condensateur de 470uF (C2) filtre le 3.3V et un autre de 10uF (C1) filtre le point milieu à 1.65V.

Afin de ne pas dépasser les 3.3V crête à crête des signaux à mesurer, ou 1.65V crête, on se fixe une limite de +-1V efficace maximum.

Pour la sonde de courant avec 80A et une résistance de 24 ohm , on arrive à peu près au 1V crête à crête.

24*80A/2000=0.96V efficcace ou 1.36V crête à crête.

Ainsi la tension à mesurer sera dans la plage 1.65V +/- 1.36V.

Chez moi, avec un abonnement de 12KVA, je ne devrai pas dépasser les 60A.

Pour la mesure de tension, il faut mettre un pont de résistances (R4 et R5) pour abaisser le 6V autour de 1V efficace et avoir ainsi un signal à mesurer entre 1.65V +/- 1.41V. Si la courbe rouge de tension sur l’affichage est plate en haut et en bas, il faut augmenter R4 ou diminuer R5.

Raccordement à l’ESP32

Le jeu de piste avec ces cartes qui intègrent un ESP32, est de trouver les GPIO disponibles et non utilisés pour la programmation Flash etc.
Dans notre cas, on mesure les tensions suivantes:
– GPIO 35 : la tension de référence à 1.65V en théorie.
– GPIO 32 : la tension en sortie du transformateur réduite par le pont de résistances R4 et R5
– GPIO 33 : la tension représentant le courant à mesurer

2 LED sur les GPIO 18 et 19 clignotent toutes les 2s. La jaune si on consomme du courant, la verte si on fournit du courant, car nous sommes en surproduction.

La commande du gradateur se fait via le GPIO22 et la lecture de l’impulsion du passage à zéro « Zero Crossing » de la tension secteur sur le GPIO23. Cette impulsion est essentielle pour se synchroniser avec le secteur.

En option, on peut par exemple, connecter un relais solide pilotable en 3.3V au GPIO5.

Timing

Le signal « Zero Crossing » sert de synchronisation au micro-contrôleur pour ouvrir le Triac entre 0 et 100% du temps d’une demi-période de 10 ms suivant le niveau d’énergie à transférer au chauffe-eau.

Mesure

La mesure des 2 valeurs représentant la tension et le courant prend environ 150uS. En pratique, on prévoit sur une période de 20ms (1/50Hz) de prélever 100 couples de valeurs, ce qui donnera une bonne description de la tension à priori sinusoidale et du courant souvent chahuté par les alimentations à découpage.

Pour bien caler dans le temps chaque mesure, on utilise le signal « Zero Crossing » du gradateur. Il passe à 1 durant 500 µs toutes les 10 ms lorsque la tension en 230v est nulle.

Toutes les 40 ms, on effectue :
– la mesure des tensions et courants durant 20ms
– une moyenne sur les dernières mesures pour lisser et réduire le bruit de mesure
– le calcul du courant efficace I_eff
– le calcul de la tension efficace U_eff
– le calcul de la puissance apparente P_va en kVA
– le calcul de la puissance active P_w en kW
– le cosinus φ

Calibration

Un calibrage préalable doit être fait pour définir la constante multiplicative kV dans le programme qui permet la conversion de la tension mesurée en binaire vers la tension réelle. De même pour le courant, la constante kI . Utilisez un voltmètre, une pince ampèremétrique ou votre compteur Linky pour la calibration.

Suivant le transformateur servant à la mesure de tension, il peut y avoir des ajustements à faire. Si la courbe rouge de tension est une belle sinusoïde, ne changez pas R4 et R5. Si la courbe est plate en haut ou en bas, il faut augmenter R4 ou baisser R5.

Ensuite, commencer par mesurer avec un voltmètre la tension exacte du secteur. Par exemple, si la valeur affichée par le montage est 10% en dessous de votre mesure, augmentez la valeur de kV de 10%. Pour le courant, si vous n’avez pas de pince ampèremétrique, utilisez le Linky qui affiche la puissance apparente de VA. Comparez avec la valeur donnée par le système et augmentez ou diminuez en conséquence la valeur de kI.

La convention prise est d’avoir P_w positif si l’on consomme du courant en provenance d’Enedis et P_w négatif en cas de surproduction. En cas d’inversion du signe, tournez d’un demi-tour la sonde de courant sur la phase du secteur ou inversez les fils.

Taux de distorsion harmonique

À la demande de réalisateurs de la version 1 du système, j’ai rajouté le « Taux de distorsion harmonique ». THD. C’est un peu technique, vous pouvez sauter ce paragraphe….

Une tension et un courant idéals sont définis par une forme sinusoïdale parfaite à 50 Hz. En pratique, les appareils (type alimentations à découpage ou autres) introduisent des courants non sinusoïdaux générant de nombreuses harmoniques à 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz, 250 Hz……et perturbent le fonctionnement des générateurs, transformateurs etc. Le THD va mesurer l’énergie contenue dans les harmoniques (Énergie totale – Énergie du signal à 50 Hz) par rapport à l’énergie principale et donner un pourcentage.
0% = une sinusoïde parfaite à 50 Hz,
100% = toute l’énergie se trouve dans les harmoniques

Ici, pour des simplicités de calcul, le résultat inclus l’énergie du bruit N en plus des harmoniques.

Exemples harmoniques

Ci-dessous trois cas de consommation/production. Le point de mesure est au niveau du compteur de la maison. Attention les échelles en verticale ne sont pas les mêmes. Les courbes sont toujours calées au max du graphique.

Fonctionnement

Toutes les 40 ms, la tension et le courant sont mesurés sur 100 points durant 20 ms. Si la puissance active P_w est orientée vers le réseau public (P_w<0), le triac s’ouvre un peu plus pour favoriser le transfert vers le chauffe-eau. Ceci est répété jusqu’à atteindre le point d’équilibre ou P_w est proche de zéro.

Si la température est atteinte, le thermostat du chauffe-eau coupe l’alimentation de la résistance. Dans ce cas, le routeur va ouvrir au maximum le triac, mais aucune surproduction ne sera consommé. La valeur P_w va devenir fortement négative, du niveau de la surproduction. À partir d’une certaine valeur, on peut activer (en option) un relais pour consommer sur un autre appareil. On l’arrête si la surproduction cesse. Attention d’avoir une différence entre le seuil d’enclenchement et d’arrêt supérieur à la consommation de l’appareil afin de ne pas avoir une entrée en oscillation du relais.

La nuit, si le niveau de chauffe du ballon n’est pas atteint, on laisse le relais Jour/Nuit d’Enedis prendre le relais (s’il est conservé) ou l’on peut programmer le routeur pour qu’il ouvre le Triac (23h à 4h en hiver). Le routeur prend l’heure sur le réseau internet. Attention, en cas de coupure d’internet, il risque de se désynchroniser. Mettre une plage horaire d’activation qui couvre l’horaire d’hiver et d’été pour éviter les mises à l’heure.

Dans le code source, vous trouverez un reporting vers le système Domoticz. C’est un exemple, en option, pour envoyer des données vers l’extérieur si besoin. Si vous ne le souhaitez pas, passez en commentaire la ligne 435 :
// SendToDomoticz();
Si vous l’utilisez, mettez à jour les paramètres de votre serveur Domoticz autour de la ligne 90.

Dans un souci de simplification, j’ai limité à l’essentiel les fonctionnalités. Les personnes à l’aise dans la programmation peuvent rajouter d’autres Triacs ou relais. De même, il est possible de rajouter une sonde de courant de 20A pour mesurer et afficher le courant envoyé au chauffe-eau.

Page Web

Le code installé sur l’ESP32 comprend un serveur Web qui permet d’afficher sur une page, les différentes mesures ainsi que les courbes de la tension et du courant durant une période de 20 ms. Il suffit de rentrer l’adresse IP de l’ESP32 dans le champ d’adresse de votre navigateur web.

En mode « Auto », le système ajuste l’injection vers le chauffe-eau afin de ne plus envoyer de la surproduction vers le monde extérieur. On peut forcer, à la main, d’autres niveaux d’injection.

Il est possible d’afficher à distance ces mêmes informations sur un petit écran défini ici: https://f1atb.fr/index.php/fr/2023/02/09/affichage-a-distance-consommation-ou-surproduction-electrique/

Montage

Dans une boite d’électricien, on installe :

• La carte ESP32 (Development Board 2*19 pins) chez Aliexpress ou plus rapidement une carte 2*16 broches ESP 32 Wroom chez uPesy.fr)
• Une alimentation 230V – 5V 1A DC pour l’ESP32
• Un transformateur basse tension 230V – 6V AC pour mesurer la tension (Aliexpress)
• Un gradateur 16A ou 24A de RobotDyn suivant la puissance du chauffe-eau (Aliexpress)
• Sonde de courant 100A/50ma (Aliexpress)
  • Résistances R1 et R2 : entre 470 et 820 Ω 1/4 ou 1/8W
  • R3 : 24 Ω 1/4W
  • R4 : 24000 Ω 1/4 ou 1/8 W (À ajuster suivant transformateur)
    • R5 : 4700 Ω 1/4 ou 1/8W (À ajuster suivant transformateur)
    • R6 et R7 : 4700 Ω 1/4 ou 1/8W
• Condensateur C1 : 10μF ou plus en 12V ou plus
• Condensateur C2 : 220μF à 470μF en 12V ou plus
• 2 LEDS en face avant
• Du fil de câblage et une plaque à trou pour le montage
• Un fusible (option) pour protéger l’arrivée 230V

Raccordé à cette boite, on a la sonde de courant à placer autour du fil de phase du secteur à mesurer. Relier le blindage à la masse pour éviter de capter du bruit électrique.

Dans le schéma ci-dessous, on garde le contacteur Jour/Nuit et on installe en parallèle le routeur.
Remarque: le routeur ne coupe pas le neutre mais la phase uniquement.

Code Source

L’ensemble du code est écrit en utilisant l’IDE Arduino. Il est injecté dans un premier temps par la liaison série, puis une fois en place, on peut le modifier si besoin par le WIFI comme décrit ici. Il faut dans les préférences de l’IDE, faire appel au gestionnaire de carte de « Espressif » qui développe l’ESP32. Allez dans Fichier / Préférences et mettez l’adresse : https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json

Le code source est composé de 3 fichiers installés dans le même dossier :
– le fichier principal SolarRouter_v2.ino
– le fichier PageWebb.cpp qui contient le code HTML et Javascript de la page web
– le fichier PageWeb.h de déclaration

Le code source est disponible ici:

Dezipper l’ensemble et ouvrez dans l’IDE Arduino (version 2.xx) le fichier SolarRouter_v2.01.ino.
Vérifiez que vous avez les bibliothèques installées sur votre IDE Arduino :
– RemoteDebug
– NTPClient
Pour la compilation du fichier SolarRouter_v2.01.ino, veuillez sélectionner la carte ESP32 Dev Module. Avec certaines cartes, si le téléversement du code dans l’ESP32 ne se fait pas, il faut presser sur le bouton boot au début de la tentative de téléversement.

Personnalisation

Il est nécessaire de modifier les premières lignes du code afin de donner à l’ESP32 les caractéristiques de votre réseau ethernet à la maison.

//WIFI
const char* ssid = "nom_du_reseau_wifi"; //Put here your WIFI SSID
const char* password = "12345678"; //Put here the WIFI password
// Set your Static IP address
IPAddress local_IP(192, 168, 0, 208);
// Set your Gateway IP address
IPAddress gateway(192, 168, 0, 254);
IPAddress subnet(255, 255, 255, 0);
IPAddress primaryDNS(8, 8, 8, 8);    //optional
IPAddress secondaryDNS(8, 8, 4, 4);  //optional

À la première ligne, mettez le nom de votre réseau Wifi auquel l’ESP32 devra se connecter.

À la deuxième ligne, mettez le mot de passe de votre réseau Wifi.

Il faut ensuite donner une adresse IP (IPAddress local_IP) à votre ESP32 (c’est comme un numéro de téléphone). En général, les box internet ont un champ d’adresses dynamiques (qui peuvent changer à tout moment) qu’elles attribuent lorsque que quelqu’un se connecte au WIFI. Si c’est votre smartphone, c’est parfait, vous ne cherchez pas à communiquer avec lui. Pour l’ESP, il faut lui attribuer une adresse fixe. En allant faire un tour auprès de votre box à la rubrique réseau / DHCP, vous trouverez le champ des adresses dynamiques. Par exemple, souvent les Livebox d’Orange attribuent des adresses dynamiques DHCP entre 192.168.1.10 et 192.168.1.150. Il vous reste alors un champ libre pour attribuer vos propres adresses entre 192.168.1.151 et 192.168.1.253. Souvent les .254 et .255 sont réservés à autre chose. Vous pouvez ainsi donner comme adresse 192.168.1.200 à l’ESP32 si aucune autre machine sur le réseau occupe déjà cette adresse.

IPAddress gateway correspond à l’adresse IP de votre box. C’est elle qui fait la passerelle (gateway) avec le monde extérieur. Chez Orange, c’est en général 192.168.1.1. Chez Free, c’est plutôt 192.168.0.254. Les trois premiers chiffres 192.168.0 ou 192.168.1 doivent être les mêmes pour la box et votre ESP. C’est ce qui est traduit par le masque subnet (255,255,255,0) qui dit que les 3 premiers chiffres sont fixes sur le réseau et le dernier peut changer d’une machine à l’autre.

Toutes ces adresses sont au format IPV4, ancien format bien pratique mais qui sature et est en cours de remplacement par IPV6. Si vous avez un PC sous windows, tapez cmd dans le moteur de recherche en bas, puis dans la page à fond noir vous tapez ipconfig . Vous en saurez un peu plus sur votre réseau et l’adresse IP de votre PC

Les primaryDNS et secondaryDNS correspondent aux « Domain Name Server » ceux qui veut dire les serveurs d’annuaires. Quand vous tapez une adresse http://ToTo.com, ces serveurs convertissent le nom en adresse IP, seule compréhensible par les machines. Ainsi votre ESP quand il doit chercher l’heure chez « fr.pool.ntp.org », il peut trouver un serveur. Ne les changé pas.

Forçage de nuit

Le code comprend un forçage de nuit de 23h à 4h. Si vous voulez le retirer, passez le en commentaire en mettant en début de ligne //

//if (hour >= 23 || hour <= 4) {               //Force water Heater ....
//    ModeHeater = 5;
//    retard = 0;
//    retardF = 0;
//  }
// if (LastHour == 4 && hour == 5) { ModeHeater = 0; }  // Back to Automatic mode

Bugs Soft

Attention, si vous n’arrivez pas à communiquer entre votre PC et l’ESP32, c’est qu’il vous manque le driver pour l’interface USB. En général, c’est le CP2102 qui se trouve sur la carte ESP32. De nombreux Tutos sur internet expliquent comment l’installer. Exemple: https://techexplorations.com/guides/esp32/begin/cp21xxx/

L’IDE Arduino va vous demander un mot de passe lors de la compilation. Répondez n’importe quoi, 1 lettre minimum.

Parfois avec l’IDE Arduino en fin de transfert, l’icone reste jaune et vous n’avez plus la main. Fermez l’IDE et le relancer.

Sur certaines configurations, lors de la compilation, il y a une erreur de librairie inexistante :…..include <hwcrypto/sha.h>
Avec un editeur de texte, ouvrez le fichier dans vos bibliothèques Arduino C:\Users\Utilisateur\Documents\Arduino\libraries\RemoteDebug\src\utility\Websockets.cpp
Le début de l’adresse peut changer suivant l’utilisateur. Retrouvez le dossier Arduino pour localiser le fichier dans les sous-dossiers.

A la ligne 42, remplacez :
#include <hwcrypto/sha.h>
par
#include <esp32/sha.h>

Ne me demandez pas pourquoi, sur mon PC de bureau, je n’ai pas besoin de faire cette modification, sur mon PC portable, j’ai besoin.

Diagramme fonctionnel

Le gradateur avec le signal Zero Crossing toute les 10ms, permet de synchroniser l’ensemble en activant une interruption sur l’ESP32. Un timer fourni une interruption interne toute les 100μs permettant de générer un retard de 0 à 10ms par pas de 100μs pour déclencher l’ouverture du triac à l’instant défini par le logiciel.

Toutes les 40ms et durant 20ms, 100 valeurs de tensions et 100 valeurs de courants sont prélevés et stockés. Ensuite, les calculs de puissance sont effectués et peuvent être envoyés au client web qui les demande.

Heure de la douche

Maintenant que vous avez je l’espère bien compris le fonctionnement, vous remarquerez qu’il faut prendre sa douche le matin les jours de grand soleil afin de profiter de la surproduction à midi.

Exemple de routage

Dans cet exemple, il y a une légère surproduction. L’ouverture du triac vers le chauffe-eau est de 76% du temps. Le système se régule pour avoir une puissance échangée avec le réseau public autour de 0 (ici -16W). Sur une durée de sinusoïde de 20 ms, on a des périodes en orange où l’on consomme (produit U*I >0) sur le réseau public et des périodes en vert (produit U*I<0) où l’on injecte sur le réseau. Le somme des 100 mesures du produit U*I sur la période de 20 ms donne un résultat proche de zéro (-16 W). Par contre, pour le calcul de la puissance apparente qui est le produit de la tension et du courant efficaces qui ne tient pas compte du signe (voir formules ci-dessus), on a une valeur importante (776 VA).

Cette courbe est chahutée pour 2 raisons :
– le triac n’est ouvert que 76% du temps. Dans une demi-période de 10 ms, on envoie du courant au chauffe-eau en dents de scie (voir courbe ci-dessus) ce qui se traduit à l’entrée de la maison par des phases de consommation et d’injection suivant la réponse des onduleurs. Avec un bilan de puissance active (W) proche de zéro
– nombre d’appareils (comme les chargeurs, les alimentations d’appareils électroniques.) ne consomment pas un courant sinusoïdal et cela ressort plus lorsqu’il n’y a pas une grosse charge résistive qui consomme.

Votre fournisseur d’électricité vous facture en fonction des W ou Wh et non pas sur le VA (puissance apparente).

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.

Responsabilité

Responsabilité

Articles sur le photovoltaïque

• Capteur Linky pour routeur photovoltaïque
• Capteur UxI pour routeur photovoltaïque
• Programmation de l’ESP32 – Application au routeur Photovoltaïque
• Chauffer votre piscine avec l’excédent d’énergie Photovoltaïque
• U x I : Routeur Solaire pour gérer la surproduction photovoltaïque (DIY)
• Panneaux Photovoltaïques Intégrés Au Bâti (IAB) d’un abri voiture
• Réalisez un Routeur Solaire avec un Linky (DIY)
• Câblage de panneaux Photovoltaïques à des Micro-Onduleurs en Autoconsommation (DIY)
• Démarches Administratives pour le Photovoltaïque
• Affichage à distance consommation ou surproduction électrique
• Réalisez un Routeur Solaire pour gérer la surproduction
• Câblage de panneaux Photovoltaïques à un onduleur en Autoconsommation (DIY)
• Panneaux Photovoltaïques Intégrés Au Bâti (IAB)
• Routeur Solaire. Mesure de Puissance avec un ESP32