Réalisez un Routeur Solaire pour gérer la surproduction

Version V2

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.

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.

Schéma du routage de l’énergie excédentaire vers un Chauffe-Eau

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

Transformateur de courant 100A/50mA

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.

Transformateur 220V/6V (Aliexpress)

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

ESP32 – Development Board

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

Gradateur avec détection de zéro

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.

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

Présentation de la réalisation matérielle

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.

Raccordement à l’ESP32

Schéma électrique – ESP32 Development Board 2*19 pins

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

Ouverture du Triac 50% du temps

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.

Formules de calcul des puissances

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 Ieff
– le calcul de la tension efficace Ueff
– le calcul de la puissance apparente Pva en kVA
– le calcul de la puissance active Pw en kW
– le cosinus φ

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.

La convention prise est d’avoir Pw positif si l’on consomme du courant en provenance d’Enedis et Pw 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.


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

THD + N pour la tension et le courant

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

Fonctionnement

Toutes les 40 ms, la tension et le courant sont mesurés sur 100 points durant 20 ms. Si la puissance active Pw est orientée vers le réseau public (Pw<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 Pw 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 Pw 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. 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.

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.

Tableau des mesures
Courbes Tension et Courant vers le chauffe-eau

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.

Montage

Montage

Dans une boite d’électricien on installe :

  • La carte ESP32 (Development Board 2*19 pins))
  • Une alimentation 5V 1A pour l’ESP32
  • Un transformateur basse tension pour mesurer la tension
  • Un gradateur 16A ou 24A de RobotDyn
  • Quelques résistances et condensateurs pour les circuits de mesure analogique
  • En face avant 2 LEDs

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.

Schéma de principe contacteur et routeur en parallèle

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.

Le code source est composé de 3 fichiers :
– 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 comme RemoteDebug sur votre IDE Arduino.
Pour la compilation du fichier SolarRouter_v2.01.ino, veuillez sélectionner la carte ESP32 Dev Module.

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.

Présentation du logiciel

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.

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