Projet utilisation batteries Ni-Mh dans application solaire

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Messagepar Mathieu_M » Mer Mar 03, 2010 15:01 pm

Bonjour à tous,

Pour présenter ma situation en quelques mots : je suis actuellement stagiaire en fin d'études dans une grande entreprise, et travaille sur un projet

visant l'alimentation de matériels via l'énergie solaire.

En outre, une application consiste à concevoir un système photo voltaique permettant l'alimentation d'enregistreurs de faible conso (2 - 3W environ). En

ce sens, nous sommes partis sur une idée originale d'exploiter des batteries NiMh au lieu des accu au plomb classique. Je sais qu'en règle générale celà

est déconseillé mais il s'agit là de faibles puissances en jeu.



Pour en venir (enfin^^) au problème :

-Les panneaux utilisés sont des Sun Power 300 (puissance crête de l'ordre de 300W autour de 1000W/m²)

-La capacité batterie a été dimensionnée entre 15 et 20 Ah (16Ah par ex)



==> Je compte réaliser une logique de commande qui intégre 2 batteries Ni Mh (par ex : deux batteries de 8Ah chacune).
Ex pour deux jours d'utilisation :

-La batterie n°1 se charge de 10h à 18h (ex pour moi de mars), et délivre son énergie de 18h de ce jour jusque 18h au lendemain (durée de charge = 8h et

durée de décharge = 24h)

-La batterie n°2 fournissait de l'énergie depuis 18h la veille jusque 18h de ce jour, se recharge de 10h à 18h du lendemain (idem batterie 1 décalé d'un

jour), et commence à fournir de l'énergie de 18h (lendemain) jusque 18h du jour d'après demain.

En gros la charge est toujours alimentée, Tps charge = 8h, Tps décharge = 24h. (Une batterie de 8Ah suffirai à fournir 3W pour 24h)

Le système fonctionnerai sous une tension de 12V.


Le soucis concerne la charge des batteries. A partir du panneau, il me faudrai obtenir un courant de charge d'environ 1A minimum, voir 1.5 constant pour

un temps entre 10h et 18h (le rayonnement solaire étant d'au moins 200W/m² aux heures extrêmes dans l'étude). Ce courant permetterai de charger l'accu

(ex : 1A pour 8A ==> Ok pour un accu de 8Ah) et j'envisage d'incorporer un système permettant de calculer en temps réel l'énergie reçue et fournie pour

estimer le niveau de charge de la batterie NiMh.


Je suis donc en recherche de systèmes permettant de fournir ce courant à partir d'un panneau comme celui ci. Je pense au LM317 mais je me pose des

questions pour la tension et le courant d'entrée, et tension de sortie.

En effet pour charger un accu NiMh il faut apparemment 1.4V / cellules, soit 16.9 V pour une batterie 12V. (Le LM317 pourrait il convenir à une telle

charge, avec un courant de 1A - 1.5A ?)

Egalement, si on regarde la caractéristique U-V du panneau (que j'ai joint en pieces jointes) ==> pour une irradience de 200W/m², le panneau peut débiter

1A pour une tension pouvant aller jusqu'à 50V.

Ma question est donc, par quels moyens pourrais-je obtenir par ex une tension deux fois plus faible mais un courant deux fois plus élevé ? (convertisseur

DC - DC de faible consommation, simple à réaliser ? quels composants? ...)
Car ainsi je disposerai d'un courant plus intéressant pour la charge.

Le top serai un convertisseur me permettant d'ajuster le courant de sortie et la tension, tout en permettant d'obtenir un courant en sortie plus élevé

qu'en entrée (donc la tension de sortie abaissée), je suis à la recherche de montages et solutions pratiques pour celà (sachant que ces montages doivent

consommer assez peu devant les 3 W du système).



Voilà pour l'essentiel, je vous serai reconnaissant si vous pouvez m'apporter des voies de recherches / solutions pour ces interrogations. Je reste bien

entendu à votre dispositions poiur d'autres informations ou précisions.


Merci à vous de m'avoir lu jusque là

Mathieu
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Messagepar Forhorse » Mer Mar 03, 2010 21:35 pm

Il faut un regulateur à découpage genre LM2575 ou MC34063 (c'est ceux que je connais le mieux mais il en existe des centaines de references plus ou moins equivalentes)
Moyennenant quelques adapatation on peut aussi reguler en courant. Il est même possible de les monter en elevateur de tension (mode buck-boost)

Par contre la puissance du panneaux me semble largement surdimensionnée par rapport à la consomation et surtout à la capacité des batteries.

Sous nos lattitudes, même en plein coeur de l'hiver on peut esperer en moyenne une production de 2 fois la puissance crête. Soit pour un panneaux de 300Wc, une production de 600Wh
Pour une consomation quotidienne de 150Wh ça me parait beaucoup, même en ayant un rendement de conversion/charge/décharge deplorable.

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Messagepar Mathieu_M » Jeu Mar 04, 2010 12:43 pm

Bonjour et merci pour votre réponse,

Alors concernant le dimensionnement du PV, il est vrai qu'il parait surdimensionné. Cependant un logiciel développé en interne (hypothèse des panneaux posés à plat au sol, donc pessimiste) a montré que pour l'alimentation continue de la charge en hiver par exemple, et sans algorithme MPPT (car le systeme doit être compact et léger) alors il n'y a pas tant de marge que ca.


Le problème se résume essentiellement à la charge des accus NiMh. J'ai opté pour une solution à 2 batteries (à charger périodiquement l'une après l'autre) car apparemment ce type de batterie ne supporte pas ou mal un usage comme une batterie au plomb (cycles de décharge - charge intempestifs). Donc cette idée me parait intéressant mais qu'en pensez vous?


Concernant la charge donc, j'ai bien noté les régulateurs que vous m'avez indiqué, ils semblent intéressant du point de vue du courant de sortie (autour de 1A) et des tensions de sortie (il me faudrai environ 16.9 V pour la charge d'un accu NiMh 12V 8Ah).

J'ai toutefois quelques questions sur cet aspect : (dont je n'ai pas vraiment trouvé de réponse dans les data sheets)

-Est ce que ces circuits peuvent supporter un courant d'entrée de l'ordre de 6A max ? (Je tournerai à priori entre 1 et 3 A)

-L'adaptation de ces circuits directement sur un panneau type PhotoWatt 300 par ex. ne pose elle pas de problème particulier ? (impédances entrée/sortie, etc.)

-Ces circuits étants plutôt prévus pour une source de tension DC stabilisée en entrée, quelle serai l'influence d'une tension en entrée (et courant) variable ? (fournis par le PV)


Concernant la dernière question, je cherche à savoir si la présence de fluctuations de la tension et du courant en entrée du régulateur ne perturbe pas trop son fonctionnement. Je pense que celà vas influencer le courant de sortie mais ce courant sera mesuré en temps réel afin de déterminer le niveau de charge de la batterie NiMh (Microcontrôleur ou autre processus, qui contrôlera également le courant débité par la batterie)


Voilà merci par avance,

Bonne journée !

Mathieu

Mathieu_M
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Messagepar Forhorse » Jeu Mar 04, 2010 18:58 pm

[quote="Mathieu_M"]
Le problème se résume essentiellement à la charge des accus NiMh. J'ai opté pour une solution à 2 batteries (à charger périodiquement l'une après l'autre) car apparemment ce type de batterie ne supporte pas ou mal un usage comme une batterie au plomb (cycles de décharge - charge intempestifs). Donc cette idée me parait intéressant mais qu'en pensez vous?
[/quote]

Dans le principe c'est pas une mauvaise idée. Mais l'hypothèse de base est faussée. Vous partez du principe qu'il y a du soleil tous les jours ou presque.
Hors ce système doit, vous l'avez-dit, fonctionner toutes l'année, d'où un dimensionnement excessif du panneau (mais vu l'orientation prévue je comprend mieux pourquoi)
En hiver, au nord de la Loire il n'est pas rare d'avoir parfois 5 à 7 jours sans le moindre rayon de soleil, surtout en decembre est le mois le plus critique en matière de photovoltaïque.
Si un champ correctement orrienté et géré par un regulateur MPPT arrive plus au moins à s'en sortir (enfin s'en sortir c'est un bien grand mot... de part mon experience je sais qu'un jour nuageux ne peut pas esperer plus de 2% de la puissance nominale d'un panneaux monocristalin, et zero les jours de pluie)
Je doute qu'un panneau mal orrienté et sans regulateur optimisé puisse sortir quoi que ce soit pendant ces jours là.
Donc là c'est plutôt la capacité de batterie qui est sous-estimée.
Mais vu la technologie d'accumulateur retenue, l'idée d'avoir deux batteries utilisée en alternance me semble bonne. Il faudrait par contre conditionner le changement de batterie par rapport aux cycles des accumulateurs.
Par exemple faire en sorte de toujours decharger completement une batterie avant de basculer sur l'autre.
Si pendant ce temps l'autre batterie est completement chargée, ce n'est pas grave, on coupe celle-ci, ou on la passe en tension de maintient (je ne sais plus si ça existe sur les accu Ni-MH)
Vu l'autonomie necessaire, en hiver la charge risque de prendre plusieurs jours, mais je ne crois pas que ce soit préjudiciable pour les accus (a confirmer après recherche). En été elle sera beaucoup plus rapide et du coup en ayant prévu une grande autonomie sur chaque batterie, on reduit considerablement le nombre de cycle annuel, augementant du coup la durée de vie du système. Les batteries seront également moins "stressée" en été puisque la charge pourra certainement se faire sur une seule journée (pour des raisons evidente plus l'inclinaison à 0° qui est plus favorable au soleil estival)
Le cycle des batteries en été sera donc le suivant : 1 jour de charge, 6 jours de pause, 7 jours de décharge.
En hiver : 3 à 7 jours de charge, 0 à 4 jours de pause, 6 à 7 jours de décharge (il faut prévoir qu'au pire de l'hiver que le basculement peut s'opperer alors que la batterie n'est pas chargée à 100%, mais ça devrait être relativement rare)

[referp=52838;quote="Mathieu_M"]
Concernant la charge donc, j'ai bien noté les régulateurs que vous m'avez indiqué, ils semblent intéressant du point de vue du courant de sortie (autour de 1A) et des tensions de sortie (il me faudrai environ 16.9 V pour la charge d'un accu NiMh 12V 8Ah).

J'ai toutefois quelques questions sur cet aspect : (dont je n'ai pas vraiment trouvé de réponse dans les data sheets)

-Est ce que ces circuits peuvent supporter un courant d'entrée de l'ordre de 6A max ? (Je tournerai à priori entre 1 et 3 A)
[/quote]
Oui certains peuvent piloter un transistor externe, qui, suivant comme il est choisit et dimensionné peut être cabable de travailler avec des courant enormes, bien au dela des 10A.
Ensuite il faut que le reste suive aussi naturellement (self, diode, etc...)

[referp=52838;quote="Mathieu_M"]
-L'adaptation de ces circuits directement sur un panneau type PhotoWatt 300 par ex. ne pose elle pas de problème particulier ? (impédances entrée/sortie, etc.)
[/quote]
Non je ne vois pas de problème particulier. Tout est question de calcul des composants associés en fonction des limites dans lesquel les circuit sera amené à operer.

[referp=52838;quote="Mathieu_M"]
-Ces circuits étants plutôt prévus pour une source de tension DC stabilisée en entrée, quelle serai l'influence d'une tension en entrée (et courant) variable ? (fournis par le PV)
Concernant la dernière question, je cherche à savoir si la présence de fluctuations de la tension et du courant en entrée du régulateur ne perturbe pas trop son fonctionnement. Je pense que celà vas influencer le courant de sortie mais ce courant sera mesuré en temps réel afin de déterminer le niveau de charge de la batterie NiMh (Microcontrôleur ou autre processus, qui contrôlera également le courant débité par la batterie)
[/quote]

Non, ce sont des regulateurs leur but est justement de stabiliser une tension d'entrée fluctuante. Là encore même remarque que ci-dessus, il faut simplement calculer les composants associés en fonction des limites de courant et de tension dans lequel le circuit devra fonctionner.
La chose qui perturbe le plus un regulateur à découpage et qui est parfois difficile à gerer, c'est le courant minimum qu'il delivre.
En gros, plus la charge est constante, plus les calculs sont simple.

Sinon le courant et la tension de sortie ne sont normalement pas influancé par les variations de tension (et donc de courant) en entrée.
Un tel circuit effectue une adaptation d'impedance (grace à la self et au condensateur)
Tant que la puissance d'entrée (UexIe) est superieur à ce que le circuit doit fournir en sortie plus les pertes propres au circuit il n'y a pas de problème. C'est le but même d'un regulateur.
L'utilisation est exactement la même qu'un regulateur linaire (genre LM317 ou LM78xx) la principale difference et qu'ici on travail avec un hacheur. Du coup là ou un regulateur linaire transforme la difference entre la tension d'entrée et la tension de sortie en calories, ici en plus de ne pas induire de perte autre que celles qui lui sont propre, il met à profit cette difference de tension pour fournir un courant plus important qu'a l'entrée si necessaire (convertion de puissance).

Concretement, prenons une tension de sortie de 5V, sous un courant de 1A pour une tension d'entrée de 12V
Un regulateur linaire genre 7805 tirera 1A sur le 12V soit 12W, en sortie on a bien nos 5V/1A soit 5W, le regulateur dissipera donc 7W qui seront perdu.
Un regulateur à decoupage fournira lui aussi 1A sous 5V, mais côté 12V il ne tirera qu'un peu plus de 0.46A (si on prend un rendement idéal de 90% qui peut être ateignable avec un circuit bien dimensionné)

Maintenant si on prend le problème a l'envers, genre une source 12V pouvant delivrer au maxium 1A (comme un panneau solaire par exemple, dont la puissance est finie) et que l'on cherche à tirer le maximum d'energie sous 5V, avec une regulateur linaire en sortie on aura jamais plus de 1A (toujours nos 7W de perdu)
Avec un regulateur à decoupage on pourra tirer en sortie plus de 2.1A (toujours avec un rendement de 90%)
Ce qui est quand même nettement plus interessant.
(naturellement les regulateurs à découpage ont aussi pas mal d'inconveniants, mais vu l'application ici ce n'est pas génant)

Il ne reste plus qu'a ajouer un petit mircontrôleur qui mesure la puissance fournie par le panneau et qui soit capable d'agir sur la régulation de courant en sortie, et on a un regulateur MPPT :cool:

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Messagepar Mathieu_M » Ven Mar 05, 2010 15:46 pm

Bonjour et merci beaucoup pour votre réaction.


Effectivement, la stratégie dont j'ai pensé en premier lieu ne pourrais s'appliquer que pendant l'été. L'hiver comme vous dites la production en une journée peut être assez faible (j'ai accès à la base météo de différents sites et j'ai pu le constater), du moins insufissante sur une journée ou deux dans le mois pour charger complètement un accu de 8Ah meme avec ce type de panneau.

Je pense donc m'adapter aux saisons pour ajuster les cycles de charge/décharge et en conséquence les capacités batteries (je vais maintenir le choix de l'alternance entre les 2 comme vous me le conseiller).



Je m'interogeai à nouveau sur un point :

Mon panneau débitant admettons 0.5A sous 40V lors d'un rayonnement de 100W/m², (en estimant à la louche via le graphe suvant:)

Image


Alors serai il possible qu'un régulateur connecté à celui ci, de type LM2576, puisse débiter 1A sous 17V pour la charge d'un accu NiMh 12V ? (ce cas étant défavorable, admettons qu'on puisse avoir au moins 100 W/m² sur 6 à 8 h en hiver)






Concernant le Micro-controlleur, je compte donc le dédier à la mesure des courants de charge et de décharge des batteries afin d'estimer leur niveau de charge (connaissant leur état de charge initial au début du process, via une mesure de tension à vide après repos)

De cette manière, je pourrais ainsi ne pas m'occuper de la régulation de la valeur du courant de charge de la batterie, qui dépendrai uniquement de la production du PV, et donc stopper la charge de la batt - et gérer la commutation entre les deux via le uC.
Qu'en pensez vous?


Cependant vous suggérer en plus une rétroaction sur la régulation du courant de charge via le uC en fonction de la puissance fournie par le PV entre autres (afin de reproduire un algorithme MPPT), comment celà est il possible concrètement ? (d'après votre idée?)

Je compte me servir d'un PIC (Microchip), les ayant déjà utilisé dans diverses applications.


Merci encore,

Mathieu

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Messagepar Forhorse » Ven Mar 05, 2010 16:52 pm

Alors concernant la première question, oui ça me parait possible.
40V sous 0.5A ça fait 20W
17V sous 1A ça fait 17W, ça oblige le convertisseur à avoir un rendement de 85% au minimum, ce qui est dans la moyenne de ce genre de circuit.

Si le µC n'a que la tache de surveiller les batteries et de gerer leur commutation entre charge et décharge, autant dire qu'il va se tourner les pouces.
Donc oui autant mettre à profit de temps de calcul gaspillé pour faire autre chose, à condition que le hardware soit prévu pour dès le début.

Concernant le MPPT voilà comme je verrais les choses. Je n'ai personnellement jamais implementé ce genre de solution, ce n'est donc qu'une idée. Peut-être que quelqu'un de plus experimenté pourra apporter les corrections necessaires.
Il faut pouvoir mesurer tension et courant fournit par le panneau et agir sur le courant de charge de la batterie (suivant le regulateur choisit, plusieurs solutions sont possibles)
voilà comment je programmerait l'algorythme (comme je l'ai dit ci-dessus ce n'est qu'une idée, peut-être qu'une meilleur solution existe)
On mesure tension et courant, on peut donc en déduire la puissance fournie par le panneau. Lorsque l'on augmente le courant de charge, la puissance fournie par le panneau augmente (en fonction de ses caracteristiques et de l'ensoleillement) jusqu'au point où, du fait de la resistance interne du panneau la puissance disponible en sortie du panneau reduit. On connait ainsi le point de puissance maximum du panneau sur lequel il faut se fixer.
En cas d'augmentation de l'ensoleillement la tension va augmenter, il faut alors relancer une recherche du point de puissance maxi.
Si l'ensoleillement diminue, la puissance disponible va diminuer, il faut donc à nouveau proceder à la même recherche.
Je pense qu'avec un truc bien programmé, la recherche ne devrait pas prendre plus d'un ou deux secondes, ce qui vu l'application n'est pas crittique.

Même si ce n'est pas initialement prévu au départ, autant dessiner et prévoir le circuit pour pouvoir le faire.
Si par la suite on se rend compte que le temps processeur est largement suffisant pour faire ce MPPT et que pour ce faire il n'y a que quelques circuit à souder sur un PCB déjà prévu pour ça ne coutera pas grand chose.
Alors qui s'il faut tout repenser pour ajouter cette option, alors ça ne sera jamais fait et c'est dommage.

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Messagepar Mathieu_M » Lun Mar 08, 2010 16:02 pm

Bonjour et merci pour votre réponse ,


Ok, je pense m'orienter vers ce convertisseur LM2576,

Cependant, concernant la mise en place d'une MPPT à travers le PIC je ne vois pas comment agir sur le courant de charge concrètement. Auriez vous une idée "technique" pour jouer sur ce courant via un PIC et d'autres composants?


Merci d'avance,

Mathieu

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Messagepar Forhorse » Lun Mar 08, 2010 19:26 pm

C'est simple. Je vois 2 solutions
- Soit avec un transistor externe et faire du PWM
- Soit en agissant sur le feedback du regulateur (dans la version ajustable la tension de reference est du 1.25V, en asservissant cette tension de référence au courant de charge plutôt qu'a la tension, on regule en courant et non plus en tension, cet asservissement peut très bien se faire à travers le pic)

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Messagepar Mathieu_M » Mar Mar 09, 2010 18:02 pm

Bonjour,

En fait j'ai du mal à voir comment jouer sur la tension de réf à travers le PIC d'un point de vue technique,

Egalement, comment pourrais-je intervenir sur le courant via un transistor externe et le PIC selon votre proposition? (schématiquement/techniquement)

Merci d'avance,

Mathieu

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Messagepar Forhorse » Mar Mar 09, 2010 18:16 pm

Sortie analogique ou convertisseur numerique/analogique attaquant la patte feedback du régulateur soit directement, soit a travers un ampli-op avec le gain adapté.

Un peu plus evolué, une resistance de faible de valeur servant à la mesure du courant sur le circuit de puissance. Ampli-op pour amplifier cette mesure, puis sommateur entre cette mesure et une sortie analogique du pic.
La regulation de courant est autonome, le pic ne donnant qu'une valeur de consigne, plus de courant ou moins de courant.

Sinon, PIC avec sortie PWM pilotant un transtior MOS par exemple.

A mon avis la première solution à un meilleur rendement energetique.
La seconde libère le PIC de la tâche de regulation de courant.
La troisième est extremement simple à mettre en oeuvre (un transistor de calibre adapté et 2 résistances)

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Messagepar Mathieu_M » Mar Mar 09, 2010 18:36 pm

Rebonjour,

Merci pour votre réponse,

Oui la 3éme solution semble intéressante, mais à ce propos comment placeriez vous le transistor dans un montage similaire?

En gros le transistor recoit un signal PWM et amplifie plus ou moins un courant? J'ai un peu de mal à interpréter concrètement cet aspect^^


Merci d'avance,

Bonne soirée
Mathieu

P.S. Je quitte mon lieux de travail vers 17h30-18h00 donc je ne peux pas répondre avant le lendemain^^ Je ne manquerai pas de vous mettre au courant sur ce projet

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Messagepar Forhorse » Mar Mar 09, 2010 21:33 pm

Difficile à dire car même si le principe est simple, il n'est pas forcement integrable tel quel dans le projet.
En principe on privilegie un transistor canal N, donc le hachage du courant se fait plutôt du côté negatif de la batterie.
Mais suivant les autres élements du projet ça ne sera pas forcement réalisable.
Mais ça ce n'est plus dans le domaine des idées, on entre directement dans le vif du sujet quand à la conception de l'appareil.

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Messagepar Mathieu_M » Mer Mar 17, 2010 17:31 pm

Rebonjour, merci pour votre réponse.

Concernant l'avancement de mon projet, j'ai pris en compte vos remarques pour la réalisation d'un algorithme MPPT. Et je pense le réaliser à travers un LT1511 (régulateur de charge) via mon PIC.


A propos du schéma électrique, j'ai cependant un doute au niveau de la connexion des masses. Mon système est composé à la fois de 2 batteries NiMh, d'un panneau type SunPower300, d'une unité de mesure de courants (via des MAX 4070 et shunts), d'une charge (centrale d'acquisition) et d'une unité de contrôle (platine de développement avec PIC intégré).

Je pense donc interconnecter toutes les masses entre elles (sinon le système de mesure ne serai pas fiable). Je me demande cependant si celà ne pose pas de problèmes particuliers compte tenu des différents éléments présents.
J'ai joint un schéma de principe de mon installation (assez bordélique mais simplement pour expliciter la situation des masses communes)

Merci d'avance,

Mathieu
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Messagepar Mathieu_M » Mer Mar 17, 2010 18:27 pm

Re^^

Je vous remets le schéma en photo je crois que la PJ n'a pas fonctionné ,



Image

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