Procédé de pilotage dynamique d'un équipement électrique
Domaine de 1 ' invention La présente invention concerne le domaine de l'alimentation électrique d'équipements par une source d'énergie renouvelable et par un élément de stockage d ' énergie .
Elle concerne notamment des équipements tels qu'un système d'éclairage LED solaire comprenant un module d'éclairage à LED, un panneau photovoltaïque, une batterie d'alimentation et un circuit électronique de gestion de 1 ' énergie .
L'invention n'est toutefois pas limitée à l'éclairage, et s'applique également à d'autres équipements alimentés par une source d'énergie renouvelable et incorporant un moyen de stockage.
Etat de la technique
On connaît dans l'état de la technique des solutions visant à optimiser le fonctionnement de tels équipements .
A titre d'exemple, le brevet français FR2922628 décrit un lampadaire comprenant un mât se fixant dans le sol, une lanterne fixée à l'extrémité libre du mât et comprenant un dispositif lumineux ainsi qu'un bloc d'alimentation électrique prévu pour alimenter en énergie électrique le dispositif lumineux. Le bloc d'alimentation comprend une batterie d'accumulation électrique, un ensemble de cellules photovoltaïques, une éolienne, et un circuit électrique d'accumulation prévu pour charger la batterie d'accumulation à partir de l'énergie électrique fournie par l'ensemble de cellules photovoltaïques et l' éolienne.
Le brevet américain US5151865 décrit un procédé de détermination de la valeur du contenu énergétique (EIW) d'une batterie en mesurant la tension aux bornes (U.sub.KL) d'un accumulateur d'énergie en prenant en compte au moins une valeur de référence (BW), calculée à partir d'une somme de courant (IE) s ' écoulant dans l'accumulateur d'énergie dans une unité de temps spécifique (dt) et dans une plage de tension de fonctionnement spécifique (BSB) . Cette valeur de référence (BW) représente de ce fait une valeur de fonction. La tension aux bornes de mesure (U.sub.KL) visée à la valeur de fonction (FW) correspond à une valeur du contenu énergétique spécifique (EIW) dans la gamme de teneur en énergie (BEI).
Le brevet américain US_6081104 décrit un système pour délivrer de l'énergie à une batterie et à une charge. La batterie peut être chargée par la source d'alimentation et utilisé pour fournir de l'énergie ou de la puissance à la charge lorsque la source d'alimentation est incapable de fournir suffisamment d'énergie et de puissance à la charge. Le système réduit le courant continu dans la charge et, par suite, prolonge la durée de fonctionnement de la charge, en particulier si la charge est un système d'éclairage. Le but de ce système est de prévenir un vieillissement prématuré de la charge d'éclairage ou de la batterie.
Le brevet américain US_6191568 décrit une solution de modulation de la tension de charge et la commande de puissance d'alimentation pour la fourniture d'énergie à une charge pour laquelle, au cours de certaines périodes de temps, généralement sur une base quotidienne, il est souhaitable de réduire la puissance. L'invention s'applique en particulier aux systèmes d'éclairage des rues dans lesquelles, pour une période de plusieurs heures pendant la nuit (lorsque le trafic est minime et beaucoup de gens sont endormis), les luminaires de l'éclairage peuvent fonctionner à puissance réduite.
La demande de brevet internationale WO2011/095922 décrit un procédé de contrôle du profil de puissance d'éclairage en fonction du besoin d'éclairage et de la capacité de la batterie, afin de préserver niveau de stockage supérieur à un niveau minimal prédéterminé, durant une période prédéterminée, consistant à prendre en compte des données de prévision météorologique acquises périodiquement par l'intermédiaire d'une connexion internet. Inconvénients de l'art antérieur
Le principal inconvénient des solutions proposées dans l'art antérieur est que la garantie de permanence de fonctionnement impose de sur-dimensionner l'élément de stockage d'énergie et également la source d'énergie renouvelable dans la mesure où la consommation du système ne s'adapte pas à l'énergie disponible dudit élément de stockage d ' énergie .
A défaut, si l'élément de stockage n'est pas surdimensionné , les conditions particulières rencontrées au cours de certains cycles de fonctionnement conduisent à une interruption intempestive du service assuré par l'équipement électrique .
Par ailleurs, la solution mettant en œuvre l'acquisition périodique de données de prévisions météorologiques nécessite une connexion à un serveur de données futures, et l'accès à des modèles de prévision pertinents par rapport à la localisation du système d'éclairage.
Ces données de prévision sont généralement macroscopiques, voire extrapolées, et couvrent des zones très supérieures à la zone d'implantation d'un luminaire.
Les solutions de l'art antérieur, telle que celle décrite dans le brevet WO2011/095922 , apportent certes une réponse à l'objectif de permanence de service (« no black-
out »), mais nécessitent l'accès à une infrastructure de données telle qu'une base de données météorologiques acquise par un serveur, empêchant la mise en œuvre dans des zones mal desservies par des liaisons radio-fréquences. De surcroît ces solutions nécessitent des moyens de radiocommunication consommateurs d'énergie, ce qui va à l' encontre de l'objectif d'optimisation de la consommation et de maximisation de la permanence de service avec des moyens de génération et de stockage d'énergie «frugaux».
Solution apportée par l'invention
Afin de répondre aux inconvénients de l'art antérieur, la présente invention concerne, selon son acception la plus générale, un procédé de pilotage dynamique de l'alimentation d'un équipement électrique alimenté par un élément de stockage d'énergie et une source d'énergie renouvelable, la puissance d'alimentation dudit équipement étant variable temporellement selon une courbe temporelle de référence ajustable caractérisé en ce qu'il comporte des étapes d'ajustement en fonction d'au moins un facteur externe et d'au moins un facteur interne, et de la contrainte selon laquelle l'intégrale sur le cycle de fonctionnement considéré de ladite courbe ajustée correspondante à l'énergie consommée soit inférieure à la quantité d'énergie allouable dudit élément de stockage d'énergie, pendant le cycle de fonctionnement considéré, lesdits facteurs externes étant des paramètres physiques acquis par des capteurs locaux.
Les paramètres physiques sont notamment :
- la température
- l'humidité
- la luminosité
- l'encrassement par des poussières ou polluants. Les capteurs locaux sont constitués par :
- des capteurs optoélectroniques, de type photodiodes
- des panneaux solaires
- des capteurs de température, notamment sondes de température ou thermocouples
- des capteurs chimiques, à base de micro-poutres ou balances quartz.
Ces capteurs fournissent un signal électrique analogique, qui est ensuite numérisé pour un traitement local par un calculateur en vue de la détermination d'un modèle de commande de la source d'éclairage.
On entend par « cycle de fonctionnement », la période temporelle pendant laquelle l'équipement est actif et fournit un service en étant principalement alimenté par l'élément de stockage. Le « cycle de fonctionnement » s'inscrit entre deux périodes pendant lesquelles l'équipement électrique est généralement (mais non nécessairement) inactif. Le « cycle de fonctionnement » n'intègre généralement (mais non nécessairement) pas les périodes pendant lesquelles l'élément de stockage est principalement rechargé par la source d'énergie renouvelable.
On entend par « capteur » au sens du présent brevet un composant mesurant directement un paramètre physique local, c'est-à-dire à proximité immédiate du système, sans recours à une transmission d'une information venant d'une source distante. En particulier, un récepteur recevant des informations météorologiques, un système de communication sans fil, ou un processeur associé à des moyens d'échange de type TCP/IP, WIFI, WIMAX, Bluetooth ou Internet ne constituent pas un capteur au sens du présent brevet.
Selon une première variante, la fonction d'ajustement prend en compte l'état dudit élément de stockage d ' énergie .
Selon une deuxième variante, la fonction d'ajustement prend en compte au moins un facteur lié à la
quantité réelle d'énergie reçue par ladite source d'énergie renouvelable .
De préférence, la fonction d'ajustement prend en compte un paramètre déterminé en fonction du nombre de cycles d ' autonomie .
L'invention concerne également un système électrique comportant un élément de stockage d'énergie et une source d'énergie renouvelable ainsi qu'un circuit de gestion de l'énergie et de pilotage de l'alimentation d'un équipement électrique, caractérisé en ce que ledit circuit de pilotage commande la puissance d'alimentation dudit équipement selon une courbe temporelle de référence ajustable en fonction d'au moins un facteur externe et d'au moins un facteur interne, et de la contrainte selon laquelle l'intégrale sur le cycle de fonctionnement considéré de ladite courbe ajustée soit inférieure à la quantité d'énergie allouable dudit élément de stockage d'énergie, pendant le cycle de fonctionnement considéré .
Selon un mode de mise en oeuvre, ledit équipement électrique est un module d'alimentation d'éclairage à LED, ledit élément de stockage d'énergie est une batterie et ladite source d'énergie renouvelable comprend des cellules photovoltaïques .
Selon une première variante, le facteur externe est déterminé par une carte électronique de gestion de l'énergie comportant un capteur de température de ladite batterie ainsi qu'une jauge d'énergie.
Selon une deuxième variante, le facteur externe est déterminé par l'irradiance solaire dépendante de la position géographique du lieu d'implantation et de fonctionnement dudit système.
Selon une troisième variante, le facteur externe est déterminé par l'énergie accumulée depuis le cycle précédent . L'invention concerne également une grappe de systèmes électriques conformes aux systèmes susvisés comportant une grappe de sources de stockage d'énergie et une grappe de sources d'énergie renouvelable, un système de communication ainsi qu'un circuit de gestion de l'énergie et de pilotage de l'alimentation d'une grappe d'équipements électriques .
Ce circuit de pilotage commande la puissance d'alimentation dudit équipement selon une courbe temporelle de référence ajustable en fonction d'au moins un facteur externe et d'au moins un facteur interne, et de la contrainte selon laquelle l'intégrale sur le cycle de fonctionnement considéré de ladite courbe ajustée soit inférieure à la quantité d'énergie allouable dudit élément de stockage d'énergie, pendant le cycle de fonctionnement considéré.
Selon une variante, le système de communication est défini par une liaison radio-fréquence pour échanger des informations sur l'état local de chaque système, détecter les défauts éventuels sur un ou plusieurs points lumineux, et pour synchroniser le programme d'éclairage.
L'invention concerne également un procédé de détection d'un ou plusieurs dysfonctionnements sur deux échelles :
■ un système électrique selon l'invention ■ une grappe d'équipements électriques selon
1 ' invention .
Selon une variante, les dysfonctionnements sont identifiés par un, voire plusieurs indicateurs de défaillance issues de la réponse à une série de questions correspondantes à l'analyse des variations des paramètres électriques,
optiques et/ou thermiques estimées au cours du fonctionnement dudit système électrique
De préférence, les indicateurs de défaillance sont définis par un système numérique binaire (0 : non ou 1 : oui)
Selon une autre variante, le procédé concerne une comparaison de l'état des équipements électriques de la grappe de systèmes électriques sur une échelle temporelle correspondante à la durée de vie de chaque équipement électrique
Selon une alternative, un dysfonctionnement majeur entraînant l'arrêt dudit (ou desdits) système(s) électrique ( s ) est communiqué par un pilotage en fréquence (de type flash) dudit équipement électrique incitant les riverains à communiquer un dysfonctionnement au service public concerné.
Description d'un exemple non limitatif de réalisation
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, concernant à un exemple non limitatif de réalisation se référant aux dessins annexés où :
- la figure 1 représente le schéma de principe d'un exemple d'application à un système d'éclairage LED autonome
- la figure 2 représente la courbe d'alimentation de référence
- la figure 3 représente une vue schématique d'une grappe de systèmes .
La figure 1 représente un schéma de principe d'une installation d'éclairage. Elle comprend un lampadaire (1) équipé d'un panneau photovoltaïque (2) et d'une batterie électrique (3) ainsi qu'un module LED (4).
L'ensemble de ces composants est commandé par une carte de gestion de l'énergie de type chargeur/déchargeur de
batterie (« battery management system ») (5) pilotant l'alimentation (driver) du module LED (4).
Cette carte (5) contient un module de communication (6) permettant de recevoir des informations relatives à des facteurs externes et à transmettre des informations de service et d'état du système.
La carte (5) reçoit des informations provenant de capteurs tels qu'un capteur de température, une jauge d'énergie et d'un capteur de présence (7). Les données historiques fournies par ces capteurs sont enregistrées périodiquement dans une ou plusieurs tables, afin de permettre le calcul des courbes d'alimentation, et conserver un historique en vue d'un audit du fonctionnement.
Cette carte pilote le fonctionnement du système pour optimiser la courbe d'alimentation. Cette optimisation vise, conformément au but visé par l'invention, à adapter la puissance d'alimentation appliquée au module LED de façon à permettre un fonctionnement conforme au service attendu pendant tout le cycle de fonctionnement, quelque soient les conditions de recharge de la batterie avant le cycle de fonctionnement considéré.
La détermination du dimensionnement de la batterie se réalise par la méthodologie suivante :
La capacité nominale de la batterie est déterminée en fonction :
de la plus longue durée d'un cycle de fonctionnement
de l'énergie maximale (100%) consommée par l'équipement au cours du cycle de fonctionnement le plus long
- du rendement de la batterie. Ce rendement est d'environ 0,7 pour une batterie au plomb, de 0,8 pour une batterie NiMH, et de 0,9 pour une batterie Lithium.
- le rendement du système
- Cette valeur de référence est ensuite ajustée pour prendre en compte 1 ' autonomie attendue . Cette autonomie sera déterminée sous la forme du nombre de cycles de fonctionnement pendant lequel l'équipement doit fonctionner de manière autonome .
On détermine ainsi une capacité nominale Cnom de la batterie, qui serait suffisante pour assurer un fonctionnement continu à pleine puissance.
Dans l'état de l'art, l'homme du métier augmenterait la capacité réelle de la batterie en prenant en compte une marge de sécurité, pour assurer le fonctionnement y compris dans les cas les plus défavorables.
L'invention consiste à ne pas procéder ainsi, et à choisir une batterie dont la capacité est dimensionnée pour un cas favorable, soit légèrement inférieure à la capacité nominale Cnom, et à moduler la puissance appliquée à l'équipement électrique selon une courbe calculée comme expliqué ci-après.
La première étape consiste à déterminer une courbe de référence correspondant à l'évolution temporelle de la puissance appliquée à l'équipement, pendant un cycle de référence. Cette courbe prend en compte les variations des besoins de service pendant le cycle de fonctionnement.
La figure 2 représente un exemple d'une telle courbe de référence, correspondant à la variation de la puissance d'éclairage d'un lampadaire public, en fonction d'un cycle de fonctionnement correspondant à la durée nocturne.
Pendant ce cycle, la courbe présente un premier niveau de puissance Pi ( 10 ) pendant un intervalle de temps T créPuscuie correspondant aux périodes où la circulation potentielle justifie un éclairage maximum, adapté au besoin de sécurité de l'application.
Ensuite, un deuxième niveau de puissance P2 ( 1 1 ) pendant un intervalle de temps T leine nult où la puissance peut
êtret diminuée pour produire un éclairage de veille minimal, voire une puissance nulle.
Puis, la puissance est à nouveau fixée à un niveau de puissance P3 (12) pendant un intervalle de temps Taube correspondant à la levée du jour où les conditions opérationnelles (circulation, éclairage urbain, ...) justifient une puissance d'éclairage élevée.
Cette courbe est donnée à titre de simple exemple, étant entendu qu'elle peut prendre des configurations diverses, avec des variations continues par exemple.
L'intégrale (13) correspondant à la surface délimitée par la courbe, sur l'intervalle de temps correspondant à la durée du cycle, définie l'énergie consommée Enominaie Par 1 ' équipement , dans les conditions théoriques nominales. La capacité de la batterie est déterminée pour être légèrement supérieure à cette énergie Enomlnale, sans dépasser 150% de cette énergie Enomlnale, et de préférence sans dépasser 110% de cette énergie Enomlnale
Cette courbe est ensuite ajustée par des facteurs extérieurs. Un premier facteur extérieur est le calendrier, définissant la durée du cycle en fonction de la variation de l'alternance jour/nuit.
Ce facteur peut provenir d'une horloge intégrée dans le circuit (5), ajustant la courbe en fonction du calendrier. Il peut aussi provenir d'une variation incrémentale en fonction d'une donnée acquise au cours d'un ou de plusieurs cycles antérieurs, par exemple le moment où l'irradiance solaire dépasse une valeur-seuil, visualisable par un ou plusieurs paramètre(s) interne(s) à la source d'énergie renouvelable.
Un autre facteur externe est la prévision d ' irradiance , pouvant provenir d'une source distante communiquant avec le système par 1 ' intermédiaire du moyen de communication (6). A cet effet, un serveur météorologique
fournit avant un nouveau cycle une courbe prévisionnelle d'irradiance solaire.
Ce facteur externe peut également être calculé localement par un moyen de prédiction (analyse de tendance) prenant en compte les informations d'irradiance observées pendant un ou plusieurs cycles écoulés, pour déterminer par un traitement statistique une courbe pour le cycle à venir.
Ces facteurs sont pris en compte pour diminuer la puissance maximale prévue par la courbe de référence, lorsque les conditions ambiantes l'imposent.
Les facteurs internes sont par exemple une perte de performances de l'un des composants, notamment le rendement du module LED ou du module photovoltaïque . Ces facteurs sont pris en compte pour adapter la puissance d'éclairage prévue par la courbe de référence.
Les modifications sont contraintes par l'énergie disponible. L'application de la puissance maximale prévue par la courbe de référence sera conditionnée par la capacité effective de la batterie, et le cas échéant la courbe de référence sera recalculée pour prendre en compte une capacité inférieure à l'énergie Enomlnale, et de la configuration de l'opérateur, qui pourra choisir de fixer une valeur minimale absolue de la puissance appliquée au module LED, ou arbitrer entre différentes configurations de la courbe de référence.
Le recalcule de la courbe en fonction de la capacité réelle de la batterie est effectuée en prenant en compte des paramètres internes, tels que :
- l'état d'énergie, de charge et/ou de santé de la batterie, au début du cycle, et éventuellement en cours de cycle
- les stratégies de protection et de gestion des défaillances sur un ou plusieurs cycles, conduisant à préserver une capacité seuil de stockage en fin de cycle pour ne pas dégrader la batterie (décharge trop profonde)
- le vieillissement du module LED et des cellules photovoltaïques et les rendements du système électrique.
Ce recalcule consistera à modifier la courbe à partir de la configuration déterminée lors de l'étape précédente, afin que l'intégrale de la courbe recalculée n'excède pas l'énergie réellement allouable par la batterie au début du cycle.
Dans le cas où ce recalcule ne permet pas de solution, le système déterminera une courbe minimale et déclenchera une alerte interne (voyants) ou externe (transmission de l'alerte à un serveur de supervision) et/ou signalant la situation sur le lampadaire concerné au moyen d'un clignotement du module LED. Analyse de tendance
Une variante de réalisation consiste à améliorer le paramétrage par une étape d'apprentissage.
A cet effet, on procède à l'enregistrement des données acquises par un ou plusieurs capteurs locaux, pendant une période correspondant à un ou plusieurs cycles de fonctionnement, pour construire un modèle local de variation des données considérées.
Ce modèle local est utilisé pour ajuster la courbe de référence à partir de ces données prédictives.
Un premier exemple de modèle est construit à partir d'un capteur de présence, enregistrées pendant un cycle de fonctionnement, afin de déterminer l'histogramme des passages. Pendant les périodes de passages fréquents, le niveau de puissance et/ou le temps d'éclairement sera augmenté par rapport à la courbe de référence. Au contraire, pendant les périodes d'absence de passages ou de passages peu fréquents, on réduira le niveau de puissance et/ou le temps d'éclairement par rapport à la courbe nominale, pour augmenter la réserve d'énergie disponible ultérieurement.
Un deuxième exemple de modèle prend en compte 1 ' irradiance solaire mesurée à partir de la tension produite par les cellules photovoltaïques , représentative de 1 ' irradiance solaire, afin de construire un modèle prédictif sur des périodes correspondant à plusieurs jours voire à plusieurs semaines.
Ce modèle sera ensuite complété de l'analyse du courant produit par les cellules photovoltaïques, représentatif de l'énergie accumulée dans la batterie, afin de construire un second modèle prédictif sur des périodes correspondant à plusieurs jours voire à plusieurs semaines.
La comparaison de ces deux modèles sera ensuite utilisée pour moduler la courbe de référence nominale du service d'éclairage.
Un autre modèle prédictif correspond au niveau de vieillissement d'un élément du système, notamment de la batterie. A cet effet, on procède périodiquement à un cycle de chargement-déchargement de la batterie pour enregistrer sa courbe de réponse. Ce modèle est ensuite corrigé en température et appliqué à la pondération de la courbe de référence nominale.
D'autres modèles peuvent être élaborés, par exemple en fonction de l'hygrométrie, de la pollution, etc. LED photo-capteur
Une variante pour la détection de l' irradiance solaire en vue de l'ajustement de la courbe de référence, ou la détection de l'alternance jour/nuit consiste à utiliser les LED en mode de photo-capteur. A cet effet, un circuit électronique alimente le module LED en inverse par méthode puisée de manière à ne pas affecter le service d'éclairage. La mesure de la tension inverse aux bornes du module LED donne une information sur le niveau d' irradiance solaire permettant de calibrer le modèle de variation. Une table de référence
enregistrée dans le circuit de commande électronique permet de corriger les mesures de tension inverse pour compenser les erreurs dues à la température et améliorer la précision sur l'estimation de l'irradiance solaire.
Cette information peut aussi être comparée à l'irradiance solaire estimée par le module photovoltaïque. La différence entre l'irradiance estimée par le module photovoltaïque et l'irradiance estimée à partir du module LED fournit une information sur le vieillissement du module photovoltaïque. En particulier, cette différence est mesurée lors d'une journée de forte irradiance (proche de 1000 watt par mètre carré), la référence étant fournie par le module LED moins assujetti à l'environnement opérationnel et ses effets limitatifs (poussière, accumulation de sable, pollution,...) .
Cette information sera utilisée pour pondérée la courbe de référence nominale afin de tenir compte du vieillissement estimé du module photovoltaïque.
Cette mesure est particulièrement pertinente lorsque la journée de forte irradiance succède à une journée pluvieuse, détectée par un capteur d'humidité. Cette situation permet de prendre en compte le nettoyage du module photovoltaïque .
Jauge d'énergie
Selon une variante, on estime périodiquement la quantité d'énergie allouable en fonction de la courbe nominale, le cas échéant pondérée par un ou plusieurs modèles locaux prédictifs. Lorsque la quantité d'énergie allouable est insuffisante pour assurer une permanence de service pendant un cycle de fonctionnement, le circuit électronique fournit un indicateur préventif, permettant d'avertir un opérateur, et de mettre le système en mode restreint n'assurant plus la fonction « no black-out ». Une partie de l'énergie allouable
est alors affectée à l'alimentation d'un signal d'avertissement à basse consommation.
Application à une grappe de systèmes
Les systèmes mettant en œuvre 1 ' invention peuvent être interconnectés pour définir des stratégies d'optimisation prenant en compte non seulement le contexte local d'un système, mais aussi le contexte global d'une pluralité de systèmes.
La figure 3 représente un exemple de grappe de systèmes selon l'invention.
Le site comprend un ou plusieurs systèmes conforme à l'invention (31, 32, 33) ainsi qu'une topologie maître- esclave ( 34 ) .
Ces systèmes (31 à 34) communiquent entre eux par une liaison radio-fréquence pour échanger des informations sur l'état local de chaque système et pour synchroniser le programme d'éclairage.