Borne solaire
Objectif
Simuler le comportement d’une borne solaire de jardin afin de déterminer au mieux ses capacités d’éclairage.
CdCF : éclairer le jardin toute la nuit, quel que soit le jour de l’année !
Description du système
Borne solaire de jardin « low cost ».
Chaînes fonctionnelles
Données techniques
Ressources
Modélisation
Initialisation du modèle
Ajout des composants
Panneau solaire
Bloc Solar Cell, associé à un convertisseur de signal Simulink-PS :
Batterie
Bloc Battery
LED
Une diode en série avec une résistance :
Modélisation de l’irradiance solaire
Grâce à la bibliothèque SSI, on peut simuler l’irradiance du soleil sur une surface inclinée, à une date et une latitude donnée.
en utilisant un bloc Clock au fur et à mesure de la simulation.
pour faire évoluer l’heure
Paramétrage du modèle
Panneau PV
Une cellule solaire se comporte ainsi :
- sa tension en circuit ouvert (Open-circuit voltage, Voc) est une constante (proche de 0,6V) qui ne dépend pas de sa taille,
- Pour obtenir un panneau avec une tension plus élevée, il faut relier plusieurs cellules en série.
- son courant de court-circuit (Short-circuit current, Isc) est proportionnel à sa taille.
- Pour obtenir un panneau avec un courant différent, il faut en modifier la surface (découper une cellule ou en relier plusieurs en parallèle).
Le panneau solaire de la borne étudiée est composé de 4 petits morceaux de cellule (modèle PhotoWatt – on fait l’hypothèse que le type de cellule utilisé dans la borne possède les caractéristiques de la plus « mauvaise » cellule de ce modèle).
Les 4 morceaux sont connectés en série et mesurent chacun 4mm x 30mm.
LED
On configure le bloc diode de la manière suivante :
Remarque : en réalité une LED possède une tension directe de 3,2V environ. Or la batterie de la borne solaire a une tension de 1,2V seulement, et ne peut donc pas allumer la LED ! Le circuit est doté d’un convertisseur de tension 1,2V → 4,8V (x4), non étudié ici. En apparence, la tension directe vaut donc 0,8V (3,2/4).
Résistance
La résistance sert à limiter le courant traversant la LED. Étant donnée la faible puissance du panneau solaire, on décide d’utiliser la LED à une puissance de 0,04 W.
Batterie
La courbe caractéristique de décharge d’une batterie a la forme suivante :
Le modèle Simscape Behavioral battery model
ne prend pas en compte la zone exponentielle. Aussi il faut le paramétrer de la manière suivante :La courbe caractéristique de décharge d’une batterie Ni-MH (comme celle utilisée dans la borne solaire étudiée) est la suivante :
Instrumentation
Les instruments de mesure sont des Ampèremètres (Current Sensor) et Voltmètres (Voltage Sensor), auxquels il faut relier un convertisseur de signal PS-Simulink :
- la tension aux bornes de la batterie : U_bat
- le courant fourni par le panneau solaire : I_pv
- la tension aux bornes de la LED : U_led
- le courant consommé par la LED : I_led
ne pas oublier de les terminer par un bloc Terminator :
- Irradiances (émise par le soleil et reçue par le panneau)
- Courants
- Tensions
1ère simulation
Paramétrage
Durée de simulation
On décide de régler la durée de la simulation sur 2 jours, afin d’atteindre un semblant de régime permanent le deuxième jour.
Solveur
On règle le solveur en mode Pas-constant :
Simulation et analyse
Contrôle de l’allumage/extinction
Il faut impérativement éteindre la LED le jour et l’allumer uniquement la nuit !
L’information jour/nuit sera donnée par le signe du courant à la sortie du panneau PV.
Il faut utiliser un interrupteur (Switch) piloté par la valeur du courant fourni par le panneau solaire.
Simulation et Réglages
Boucle algébrique
Le solveur averti qu’il y a une boucle algébrique :
Afin d’éviter des erreurs de calcul, il faut corriger ce problème :
- identifier la boucle algébrique :
- y insérer un bloc Memory :
Analyse des résultats
Protection de la batterie
La tension d’une batterie Ni-MH ne doit en aucun cas descendre en dessous de 1V, sous peine d’une détérioration irréversible !
Il faut donc ouvrir le circuit avant que la batterie atteigne cette tension de seuil.
On se propose d’utiliser un bloc MATLAB Function
pour piloter le switch :function s = fcn(u_bat, i_pv) if ?????? s = 1; else s = 0; end