CES autonome,presque!

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CES autonome,presque!

Messagepar sy66 » Mer Aoû 24, 2016 20:32 pm

Bonjour à tous,
J'ai récemment entrepris la construction d'un chauffe-eau solaire, seuls les panneaux sont du commerce.
2 Tinox Solimpeks modéle LMT1240 0.63 x 2m, 2.2m² de surface totale active.
Le ballon est un 200L avec serpentin de 0.8m², ce qui est suffisant pour 2 personnes à Perpignan.
Le système est configuré pour être quasi autonome, l'énergie nécessaire au fonctionnement est assurée par
un panneau photovoltaïque de 50W et une batterie scellée VMRL (recombinaison de gaz).
La conduite du processus est assurée par un API (automate) de marque IMO (canadien).
Le coût du système est de l'ordre de 1250€

Synoptique du CES
http://zebulon-02.pagesperso-orange.fr/CES/synoptique-CES.jpg

Présentation rapide ;):
Circuit hydraulique fermé et pressurisé à 0.5bar, en auto-vidange.
Le démarrage du circulateur repose sur l'utilisation d'un simulateur de capteur thermique.
Ce simulateur est conçu pour représenter le plus fidèlement possible le comportement des panneaux thermiques
et donc d'indiquer le plus précisément possible le moment où la puissance disponible (utilisable) de ces panneaux autorise à coup sûr le démarrage de la pompe.
Ce simulateur fournit la puissance solaire reçue, dépendante de son orientation et de son inclinaison
tout comme le perçoivent les panneaux thermiques.
Le calcul de la puissance utilisable est effectué par l'API sur la base des caractéristiques spécifiques aux
panneaux: B et K paraissent suffisants pour obtenir le degré de précision requis (modélisation linéaire);
il serait cependant possible de modéliser également selon la formulation complète avec η0 a1 et a2.
Pour le démarrage, la Température moyenne des panneaux une fois en action, est déterminée de manière prédictive
à partir de la température de l'eau du ballon.
Il est en effet nécessaire que la température des panneaux soit sensiblement supérieure à la température du
ballon et qu'à cette température la puissance extractible - (calculée à partir de la puissance solaire brute,
des paramètres B et K et du delta T: temp. ballon - temp. externe) - soit suffisante.
Une fois démarrée, l'arrêt de la pompe est assuré par la mesure du delta T entrée - sortie du serpentin.
En effet, ce deltaT indique clairement s'il y a transfert de chaleur, le sens du transfert et son importance.
Cela permet de stopper le fonctionnement avec précision.
Par exemple: un deltaT de 0.5° sur un débit de 160l/h représente encore une puissance de transfert
de ~80W alors que le système ne consomme 7.5W/h en fonctionnement normal.
La faible consommation électrique de l'ensemble permet l'utilisation d'un petit panneau PV associé à une
batterie, du genre batterie de système d'alarme, tout en ayant une autonomie de près de 72h.
- Le thermostat mécanique du ballon est conservé, ce qui permet de remettre le ballon en configuration
d'origine en cas d'intervention ou de panne d'un élément du système.

Autres fonctionnalités du système:
- Evidemment, la régulation du ballon pour le fonctionnement solaire, avec hystérésis.
- Surveillance de la batterie et éventuellement mise en marche du chargeur sous les 12.2V.
- Dispositif antilégionelles.
- Surveillance du niveau d'eau de la réserve et arrêt éventuel avec alarme.
- Surveillance de la température du ballon et si nécessaire mise en chauffe du thermoplongeur durant la
période de minuit à 6h du matin.
- Pour des besoins ponctuels urgents, possibilité par une commande externe de l'API, de mettre en marche
simultanément ou non le thermoplongeur(durée limitée à 4h).
- Comptage et cumul de la consommation EDF du thermoplongeur (bilan annuel).
- Mesure du débit et calcul de la puissance actuellement transférée au ballon.
A l'affichage de l'API: trois tableaux de 4 lignes:
- Puissance utile actuelle calculée.
- Temp. ballon, temp. entrée et sortie serpentin, DeltaT serpentin, temp. externe.
- Puissance convertible actuelle(calculée) et niveau de l'irradiation solaire(W/m²)
- Débit (l/h) et puissance transférée réelle actuelle.
- nbs de jour écoulés depuis la dernière action antilégionelles.
- Cumul conso-EDF.
- nbs de faux départs sur la journée, utile pour peaufiner les paramètres déterminant le démarrage.
- Statuts du chargeur et du thermoplongeur (arrêt ou marche).

En façade:
- Etat de la batterie sur mini-voltmètre.
- Visu du niveau dans la réserve + led clignotante (alarme hors niveaux).
- Leds alims 5V et 11V
- Leds circulateur, marche + boost(2mn au démarrage).

Je détaillerai ci-dessous les différents éléments du système.
A commencer par le simulateur.
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sy66
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Re: CES autonome,presque!

Messagepar sy66 » Mer Aoû 24, 2016 20:50 pm

Le simulateur
But:
Le recours à un simulateur de panneaux thermiques provient du fait qu'on ne peut pas connaître réellement
la puissance thermique utilisable avant de mettre le système en circulation.
En effet une sonde placée dans un panneau indique d'une part une température bien supérieure à celle obtenue
une fois en circulation, elle ne reflète pas non plus la puissance utile que l'on pourra tirer une fois
en marche, impliquant de possibles faux départs.
On peut augmenter le seuil de démarrage mais alors on court le risque de perdre de l'énergie peut-être
déjà utilisable, surtout l'hiver, en demi-saison et lors de période nuageuses.
Il est donc intéressant de trouver une méthode permettent de connaître d'avance le résultat qui sera
obtenu par une mise en marche.
Ainsi on évite les faux départs tout en réglant au plus près de la puissance minimum fonctionnelle.

Solutions:
Un pyranomètre ne peut pas convenir, il est trop directif et mesure aussi les infrarouges moyen et long
qui sont sans effet avec les panneaux à absorbeur sélectifs.
Un petit panneau silicium monocristallin ou polycristallin ne convient pas non plus, ces technologies ont une
mauvaise sensibilité dans le bleu ainsi qu'une partie du spectre visible, elles ont par contre plus de
sensibilité du jaune à l'infrarouge proche et moyen là ou l'irradiation solaire est plus faible, un comportement
à l'inverse des panneaux thermiques.
Comparez les graphes: irrad-solaire et spectral-response_Betcke1

http://zebulon-02.pagesperso-orange.fr/ ... olaire.gif
http://zebulon-02.pagesperso-orange.fr/ ... etcke1.jpg

On remarque également sur le graphe de Betcke (courbe en pointillé bleu.) que les cellules de silicium amorphe
encadrent parfaitement le spectre visible mais n'ont aucune sensibilité dans le proche infrarouge (jusqu'à 2µm) là
ou les panneaux thermiques fonctionnent encore parfaitement.
Mais fort heureusement, grâce à l'extrême finesse de la jonction et au très faible coût de fabrication
il est possible de superposer plusieurs couches dont les différents dopages ouvrent des fenêtres réparties
sur l'ensemble du spectre solaire.
Du coup voilà le candidat idéal pour la réalisation d'un simulateur de panneaux thermiques.
- Réponse spectrale semblable.
- Réponse angulaire à l'irradiation quasi équivalente.
- Réponse linéaire à l'intensité d'irradiation, même dans les très basses irradiations (rayonnement diffus).
- Tension peu sensible à la température et courant quasi insensible.
La faiblesse du rendement de ces cellules n'est pas un problème pour l'application envisagée.

On peut voir sur le graphe ci-dessous: efficacité-a-cell (courbe jaune) la stabilité de la sensibilité sur plus de 3 décades.

http://zebulon-02.pagesperso-orange.fr/ ... -cells.png

Un exemple de cellules a-SiH multijonction est présenté sur le graphe: réponse-spectrale_a-Si-trijonction,
on peut constater que tout le spectre solaire est couvert.

http://zebulon-02.pagesperso-orange.fr/ ... nction.png

J'ai donc acheté, testé et adopté ce type de cellule.
Acheté en Chine 6€ les 2 (port gratuit).
Ce sont des cellules trijonction sur support souple, incassable et directement utilisable en extérieur.
Spécifications:
Technologie: silicium amorphe base a-SiH trijonction bleu-vert jaune rouge
Format: 1 cellule
Fabrication: PECVD sur substrats plastique et alu
Paramètres initiaux:
Puissance maximale: 0.3 W
Tension en circuit ouvert: 2.0V 3 jonctions de 0.7V en série
Tension de fonctionnement: 1.5V à 200MA
Courant de court-circuit: 300mA
Taille: 9.5x3.8 soit 36cm²
Rendement de l'ordre de 83W/m² soit ~8.3%
Poids: 10g
Durée de vie: probablement supérieure à 20 ans mais pas encore suffisamment de recul pour l'affirmer.
Matériaux d'emballage: Flexible, durable, haute transmittance du film ETFE, étanche,
UV-résistant, enrobage par film EVA.
Type d'assemblage: triple jonction silicium amorphe en couches minces.

Stabilisation:
Un petit problème de ces cellules est qu'en début d'exposition elles perdent jusqu'à 20% de puissance.
La stabilisation est atteinte après quelques dizaines d'heures à insolation moyenne à haute.
Il ne s'agit pas de vieillissement mais bien de stabilisation au niveau des liaisons atomiques faibles,
ceci est dû à la structure amorphe du matériau.
D'ailleurs le phénomène est réversible en portant la cellule à 150° quelques minutes.
Selon des résultats récents en laboratoire, il semblerait que ce phénomène de stabilisation pourrait
être éliminé.

Résultat de mes tests sur les cellules chinoises:
Initialement j'ai bien obtenu les 300mA indiqués sur la spécification chinoise, pendant quelques heures.
Et après stabilisation en plein soleil à 500-900W/m² pendant 8 jours, j'obtiens un courant de court-circuit
très stable de 230mA à ~900W/m², comme prévu.

Utilisation:
Afin d'obtenir le comportement requis (linéarité de la réponse en courant), il faut impérativement
travailler en court-circuit.
Convertir le courant de court-circuit en tension à l'aide d'une résistance de faible valeur afin de ne pas
dépasser 100 à 150mV à 1000W/m² soit moins d'un Ohm, il faudra donc amplifier directement à la source
afin d'éviter un éventuel parasitage.

- Dans le même boîtier j'en ai profité pour placer la sonde de température extérieure, masquée par de la
tôle d'alu réfléchissante, une sonde CTN de 10KOhm 0.5% à 25° et de conformité 0.5%

Voir ci-dessous les 2 photos du simulateur, qui seront placés à côté des panneaux thermiques, même inclinaison,
même orientation.

http://zebulon-02.pagesperso-orange.fr/ ... -avant.jpg
http://zebulon-02.pagesperso-orange.fr/ ... 3%A8re.jpg
La technologie du simulateur étant déterminée et semi-validée, je peux passer à la réalisation de l'ensemble
sans trop de questionnement. :)
Modifié en dernier par sy66 le Jeu Aoû 25, 2016 12:31 pm, modifié 2 fois.

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Re: CES autonome,presque!

Messagepar fpyfu » Mer Aoû 24, 2016 20:57 pm

bonjour
tes liens ne fonctionnent pas (je pense a cause de FTP)
;-)
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Re: CES autonome,presque!

Messagepar sy66 » Mer Aoû 24, 2016 21:01 pm

Les panneaux thermiques
Spécifications:
L=2m l=0.63 e=9cm
Absorbeur: cuivre 0.12mm
revêtement: Almeco-Tinox
Tubes: 17 de diam 12mm e=0.45 espacement 110mm
isolation: 50mm laine de roche D=52kg/m3
Vitrage: 4mm verre à faible transmission et faible teneur en fer, 0.95%
Absorbance: 0.95%
Emittance: 0.03%
n0 = 0.76%
a1 = 5W/m²/°
a2 = 0.00
Débit: 160l/h pour les 2 panneaux.

http://zebulon-02.pagesperso-orange.fr/CES/LMT1240.png

Remarque:
La firme allemande qui a homologué les panneaux donne pour a1 une valeur qui peut sembler forte mais par
contre elle qualifie a2 à 0.000.
J'ai testé avec la formule de modélisation complète (+ effet de convection) avec a1=3.8W/m²/° et a2=0.015
on obtient sensiblement les mêmes résultats (ci-dessous à 1000W/m² et 400W/m².
Je préfère les paramètres simplifiés qui se révèlent légèrement pessimiste dans la plage utile 0-80° et
surtout 0-60° utilisé pour un démarrage matinal.
De toute façon pour moi, cette modélisation est approximative du fait qu'elle ne tient pas compte de la
température du fond de ciel (difficile à mesurer in situ) et de l'effet du vent sur la convection.
Le résultat devrait tout de même être satisfaisant après peaufinage des paramètres durant le fonctionnement.

http://zebulon-02.pagesperso-orange.fr/ ... -0,015.png
http://zebulon-02.pagesperso-orange.fr/ ... -0,015.png
Modifié en dernier par sy66 le Jeu Aoû 25, 2016 12:37 pm, modifié 1 fois.

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Re: CES autonome,presque!

Messagepar m_you49 » Mer Aoû 24, 2016 21:50 pm

Bonsoir.
Tout ceci me semble excellent, et a nécessité beaucoup de temps.
A ceci près que la lecture au km risque d'en rebuter plus d'un (moi le premier),
que les liens ne sont accessibles que par toi (identifiant et mot de passe requis).
Un compte rendu serait le bienvenu pour le site (avec photos) ce qui permettrait de le mettre dans la lettre mensuelle
et à tout un chacun avec un lien qui marche de consulter ce que tu veux qu'on voit.
Bonne soirée.
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Re: CES autonome,presque!

Messagepar Tarassac » Jeu Aoû 25, 2016 1:13 am

Bonjour,

+1 !!

J'ai lu les 3 premières lignes de chaque post, et j'ai laissé tombé !!

Hervé
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Re: CES autonome,presque!

Messagepar YELLOW WHEELY BIN » Jeu Aoû 25, 2016 11:11 am

la lecture au km risque d'en rebuter plus d'un (moi le premier),


Oui, moi-même idem...

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Re: CES autonome,presque!

Messagepar Tom_43 » Jeu Aoû 25, 2016 11:27 am

Bjr a tous,
Vous etes un peu dur les gars!

Moi j'ai bien aimé la lecture de ce post. Tres instructif en tout cas.
Enfin ca serait encore mieux avec les images.

Bravo pr ta realistatio

A+

Thierry

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Re: CES autonome,presque!

Messagepar flen42 » Jeu Aoû 25, 2016 11:31 am

ben la lecture ça va , l'analyse est bien intéressante

ce qui pose problème c’est les photos , faudrait refaire le lien en partageant ( ou nous donner tes codes d'accès !!!! °) )
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Re: CES autonome,presque!

Messagepar sy66 » Jeu Aoû 25, 2016 12:17 pm

Oups! je devais être un peu fatigué; en voulant faire vite, j'ai donné les liens privés de mon FTP.^o^
Désolé, piano,piano.... :-?
Voilà c'est corrigé, dans la foulée je place la suite des photos.
Le montage est maintenant en cours, j'attaque la mise en place des panneaux.

Bon voici la suite:

Détecteur de niveau
Principe:
Détection par conductivité.
- 4 niveaux de détection: Bas et Haut sur leds vertes. mini et maxi sur led rouge clignotante déclenchant
l'arrêt de la circulation par l'API.
La détection est réalisée par quatre trigger de schmit. Courant max de détection 10µA.
Electrolyse négligeable et pas de polarisation.

La canne de mesure
http://zebulon-02.pagesperso-orange.fr/ ... trodes.jpg

Et l'Interface
http://zebulon-02.pagesperso-orange.fr/ ... ecteur.jpg

Le bloc-électronique:
Chargé de la mise à niveaux des capteurs et de diverses fonctionnalités tel que le multipexage des entrées analogique,
l'API ne possédant que 2 entrées analogique, alors qu'il en faut 5.
La détection du niveau bas de la batterie.
La variation de vitesse du circulateur: 2 niveaux, vitesse normale et boost pour le démarrage.
les régulateurs de tension pour capteurs(5V) et pour le 11V de l'électronique et de l'API.
La face avant du boîtier:
http://zebulon-02.pagesperso-orange.fr/ ... ue-FAV.jpg
La carte:
http://zebulon-02.pagesperso-orange.fr/ ... ue-int.jpg

Le chargeur de batterie:
Charge à courant constant, limitée à 13.7V
http://zebulon-02.pagesperso-orange.fr/CES/chargeur.jpg

Le contrôleur du panneau photovoltaïque:
http://zebulon-02.pagesperso-orange.fr/ ... eur-PV.jpg

Le réducteur de puissance pour le thermoplongeur du ballon.
Le ballon est équipé d'une résistance de 3kW, comme la maison comprend de nombreux consommateurs
de puissance dont le chauffage par PAC air-eau et que je me limite à un compteur de 30A(6kW), je préfère
limiter la puissance de chauffe du ballon, chauffe éventuellement déclenchée par l'API de minuit à 6h.
http://zebulon-02.pagesperso-orange.fr/ ... thermo.jpg
Ce limiteur de puissance fonctionne en commutation au passage à zéro de la sinusoïde.
http://zebulon-02.pagesperso-orange.fr/ ... scope2.jpg

Le circulateur:
Modèle de Laing, ref: Vario_ecocirc-D5-38-700B acheté en Allemagne 125€, 2.2 fois moins cher qu'en France.
Doc du circulateur:
http://zebulon-02.pagesperso-orange.fr/CES/Vario_Ecocirc-D5.pdf

Le panneau de contrôle:
http://zebulon-02.pagesperso-orange.fr/ ... ontrol.jpg

L'API
Image

Automate programmable
Il s'agit d'un automate de la firme Canadienne IMO. C'est mon troisième achat, je l'utilise depuis
plusieurs années.
Système extensible, astucieux, petit et bon marché, livré avec le logiciel de programmation gratuit et
la doc en français et en anglais.
La firme propose 12 modèles + les blocs d'extension, courant continu ou alternatif, sorties à relais ou
transistors, communication, etc.
Ils utilisent 2 modes de programmation:
- Le mode classique, réseau en échelle, style logique à relais des électriciens.
- Le mode bloc, blocs aux fonctionnalités plus proches de l'électronique. C'est ce que j'utilise.

Le modèle que j'utilise est le iSmart SMT ED12-R12 au prix actuel de 90€ TTC
- alim 10.4V à 13.8V, consommation 50mA à sorties ouvertes (0.6W).
- 6 entrées TOR dont 2 rapides (1kHz)
- 2 entrées analogiques 0-10V 12bits, convertibles en entrées TOR.
- 4 sorties relais 8A ou collecteur ouvert.
- durée du cycle 10ms
- pavé de contrôle 8 touches
- écran d'affichage rétroéclairé de 4 lignes de 16 caractères.
- Maintiens des données hors tension: 8J
- entrée RS232 ou conversion vers USB, utilisable également pour extension mémoire.
- 300 bloc-fonction en mode bloc

Mon programme actuel pour CES utilise 180 blocs (8 pages), il reste encore pas mal de marge.
Voici la doc française de cette famille D'API:
http://zebulon-02.pagesperso-orange.fr/CES/iSmart-manuel.pdf

Le débimètre:
Appareil à hélice, acheté en Chine 13€ port compris.
linéarité < 2% dans la plage 30l/h - 270l/h
Temp. max: 120°
Détection par C.I. à effet Hall, sortie impulsions, F = 109 Q avec F en hz et Q en l/mn
Alimentation: DC 5 à 18V
Photo:
http://zebulon-02.pagesperso-orange.fr/ ... e-UT88.jpg


A venir:
- photo de la réserve, réalisée à l'aide d'une bouteille de gaz 6kg Twinny de 12.7L
Modifié en dernier par sy66 le Sam Aoû 27, 2016 12:57 pm, modifié 3 fois.

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Re: CES autonome,presque!

Messagepar flen42 » Jeu Aoû 25, 2016 13:40 pm

avec les photos c'est largement mieux !


bon : petite remarque : la sonde de température derriere la sonde d'éclairement : pas top l'emplacement

la tole alu va rayonner tu saura juste qu'il fait chaud ! je vois pas trop l'intéret de cet emplacement

plus pertinent la température dans un doigt de gant à la sortie des panneaux : ça permet de savoir si ton glycol a dépassé sa limite haute ...... meme si tu ne t'en sert pas pour réguler


au fait en choix de cellule t'as regardé la CS10 de RESOL ?

en collectif , TECSOL fait comme ça directement en seuil de déclenchement de pompe au dessus de 150 W/m2 ( et DT panneaux/ bas de ballon )



edit : c'est la soncde CTN n 4 temp extérieure ? bon alors ça se met ''normalement'' à 1.50 m du sol en façade NORD ...
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Re: CES autonome,presque!

Messagepar flen42 » Jeu Aoû 25, 2016 13:47 pm

ps : au fait chantier solaire sur un toit à 40 °C à l'ombre ? ! tu poserai pas plutôt à 5 h du mat ?
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Re: CES autonome,presque!

Messagepar sy66 » Jeu Aoû 25, 2016 15:43 pm

Bonjour,
Pour l'instant, je fabrique les supports de panneaux, au frais dans mon atelier :).

Concernant la sonde de température, elle est parfaitement à sa place, ce que l'on a
besoin de connaître, c'est la température dans l'environnement immédiat des panneaux,
pas celle au nord de la maison.
D'ailleurs et à ce sujet, il ne suffit pas de tenir compte de la température autour
des panneaux, il faudrait aussi tenir compte de la température du fond de ciel - qui impacte les pertes
par rayonnement - et de la vitesse du vent qui impacte les pertes par convection.
La modélisation généralement proposée est donc déjà approximative.
NB: en plein mois de juillet, la température du fond de ciel, selon la présence de nuages fluctue de +7-14°
à des températures inférieures à -30° (mesure en infra-rouge).
Les pertes par rayonnement des panneaux sont directement dépendantes de cette température et non de la
température environnante.
Le problème est, qu'il est très difficile d'évaluer cette température, réellement perçue par les panneaux,
il existe peu de littérature sur le sujet et les auteurs ne sont pas tous d'accord, parce qu'en fait chaque
type de panneau "voit" le spectre céleste de façon différente, en fonction de sa technologie d'absorbeur
et du type de vitrage.
C'est ce qui explique le silence général sur cette question, devant ce casse-tête, on préfère botter en touche,
on esquive en douceur et hop.
D'autant que pour les qualifications, les labos devraient se mettre d'accord sur un fond de ciel réglementaire (ouch)
et aussi utiliser une soufflerie!.
Donc on simplifie, ouf ;-)
Exemple:
De même que les pertes de la terre vers l'espace, le rayonnement terrestre est directement dépendant
de la température du fond de ciel: par temps couvert les nuits sont tièdes parce que le sol perd moins d'énergie,
DeltaT fond de ciel - température du sol est plus faible que par temps clair, exactement comme les panneaux.
D'ailleurs dans les pays chauds, on peut très facilement fabriquer de la glace la nuit sans dépenser d'énergie.

Je n'ai pas besoin de sonde sur les panneaux, il n'y a pas de glycol!!

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Re: CES autonome,presque!

Messagepar flen42 » Jeu Aoû 25, 2016 16:27 pm

bon ok pour ta température corporelle : n'oublie pas de bien t'hydrater !! Perpignan un bon rosé bien frais ?

ok pour le glycol , j'avais pas percuté l'autovidangeable

par contre la température ambiante .... tu fais quoi de cette valeur ? j'ai pas compris .

dans les formules de a1 et a 2 la temp extérieure est bien celle dont je parle ( à 1.5 m du sol et au NORD )

en plus tu as dit que tu utilises B et K donc je ne vois pas comment tu corrige avec ta mesure de temp n4


peux tu expliquer plus en détail , je ne t'ai pas compris ?
Modifié en dernier par flen42 le Jeu Aoû 25, 2016 16:38 pm, modifié 1 fois.
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Re: CES autonome,presque!

Messagepar AD 44 » Jeu Aoû 25, 2016 16:36 pm

Salut,

sy66 a écrit: il ne suffit pas de tenir compte de la température autour
des panneaux, il faudrait aussi tenir compte de la température du fond de ciel - qui impacte les pertes
par rayonnement - et de la vitesse du vent qui impacte les pertes par convection.
La modélisation généralement proposée est donc déjà approximative.
NB: en plein mois de juillet, la température du fond de ciel, selon la présence de nuages fluctue de +7-14°
à des températures inférieures à -30°
(mesure en infra-rouge).
Les pertes par rayonnement des panneaux sont directement dépendantes de cette température et non de la
température environnante.


voire 0K vers les confins interstellaires :mrgreen:
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