Optimisation photovoltaïque #4 : Mesurer l’énergie produite et l’énergie consommée

Sommaire

Cet article fait partie d’une série de posts ayant pour objectif de rendre rentable l’utilisation de panneaux solaires photovoltaïque dans un contexte domestique. Pour bien comprendre ce dont il s’agit, il est recommandé de lire les articles dans l’ordre. En voici la liste :

• 1. Le raisonnement : ce qui motive la rédaction de ces articles.
• 2. Principe et survol de la solution technique : comment exploiter à 100% l’énergie des panneaux solaires.
• 3. Contrôle numérique du variateur de puissance : pilotage de la puissance fournie en temps réel par un système informatique.
• 4. Mesurer l’énergie produite et l’énergie consommée : à l’aide de modules PZEM-004t et de microcontroleurs WiFi ESP8266 (ESP-01).
• 5. Le système de régulation : on rassemble toute les briques !
• 6. Dimensionnement : choisir de façon optimale sa capacité de production solaire photo voltaïque.
• 7. Et pour aller plus loin : améliorations et idées diverses.

Petite digression préalable

Pour être exact il ne faudrait pas employer les termes “production” ni “consommation”. L’énergie ne sort pas de nulle part et n’est pas détruite, elle est juste transformée. J’utilise néanmoins les mots “production” et “consommation” régulièrement car ils désignent assez bien le sens d’utilisation de l’énergie. Pardonnez moi ce raccourci.

Rappel du besoin

L’objet de cet article est la mesure de l’énergie qui circule dans le réseau électrique d’une maison, et plus précisément:

• l’énergie utilisée par la maison
• l’énergie fournie par les panneaux solaires

En comparant ces deux valeurs, il sera possible d’agir sur certains équippements électriques pour amener le niveau de consommation au plus près de la production. Une mesure précise, fiable et rapide est donc essentielle au bon fonctionnement de la régulation.

Mise en oeuvre

Pour réaliser cette mesure on utilise trois composants : un module PZEM-004t qui réalise le “calcul” proprement dit, un module ESP-01 qui permet d’exporter les données sur le réseau par WiFi, et un module d’alimentation 3.3V HLK-PM003 pour l’ESP-01 (le même que celui utilisée pour contrôler le SCR dans l’article précédent).

Pésentation des composants

Ce module mesure la tension, l’intensité, la puissance et l’énergie. Dans notre cas seule la puissance importe vraiment. L’énergie aussi, mais dans une moindre mesure : on l’utilise uniquement pour réaliser des statistiques et de jolis graphiques.

Le module ESP-01 (à base d’ESP8266) ne dispose que de peu d’entrées/sorties mais ici non plus ce n’est pas un problème. Il nous suffit d’une entrée et d’une sortie pour s’interfacer avec l’UART du PZEM-004t.

Par contre l’ESP-01 fonctionne en 3.3V, tandis que le PZEM-004t travaille en 5V. Une adaptation est nécessaire, elle est présentée un peu plus loin.

Il nous faut aussi une alimentation pour l’ESP-01 et la partie interface du PZEM-004t. Ce dernier dispose d’une électronique directement alimentée par sa connexion au secteur, par contre la liaison série est complètement séparée grace à des optocoupleurs qui nécessitent eux une alimentation supplémentaire.

Adaptation du PZEM-004t à 3.3V

On a vu que l’ESP-01 et le PZEM-004t ne fonctionnent pas avec les mêmes tensions. Pour résoudre ce problème il est possible de modifier directement le PZEM-004t. On trouve différents sites sur Internet avec la marche à suivre. Pour ma part j’ai du légèrement adapter les instructions. Au lieu d’une résistante, il m’en a fallu deux, elles sont visibles sur les photos suivantes. Ce s’explique sans doute par le fait qu’il existe différentes version du module.

Note : les résistances ne sont pas isolées sur ces photos de manière à voir les points de connexion. Avant mise en service, on peut les isoler facilement avec de la colle chaude.

L’objectif de ces résistances montées en parallèle est de réduire la résistance totale sur le circuit des optocoupleurs, et ainsi de baisser le seuil de commutation. C’est passablement empirique.

Schéma de connexion

Une fois le PZEM-004t adapté pour fonctionner en 3.3V, la connexion est assez triviale.

Ici on utilise les GPIOs 1 et 2 de l’ESP-01, directement connectés à l’interface du PZEM-004t. On ne peut pas choisir n’importe quel GPIO car leur combinaison à la mise sous tension conditionne le mode de démarrage de l’ESP-01. Notez le signal EN (“Enable”, ou CH_PD, en orange) qui doit être au niveau haut pour activer le circuit. Enfin on alimente les composants en 3.3V et c’est tout.

Programme

Vous trouverez le code source de ce projet sur GitHub : https://github.com/pierrehebert/photovoltaic_optimizer, dans le répertoire pzem_mqtt (on y trouve aussi le fichier Fritzing et un modèle 3D de boîte à imprimer).

En l’essence, ce programme fait assez peu de chose : il configure la connexion WiFi, se connecte au broker MQTT, configure la liaison série et se met à décoder les trames assez basiques du PZEM, avant de publier un message JSON sur un topic déterminé.

Prototypage

Le prototypage est somme toute assez trivial, nul besoin de s’apesantir dessus. Il correspond très exactement au schéma de connexion présenté au dessus.

Implémentation d’un petit connecteur

Ce petit connecteur va permettre d’interconnecter les composants, et surtout de les connecter, par exemple pour mettre à jour le logiciel. L’ESP-01 peut se mettre à jour par WiFi (Over The Air) mais c’est hors sujet.

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Petite astuce : le connecteur blanc que l’on voit sur la première photo (et qui s’insère dans le PZEM-004t provient du cable de connexion du SCR. Ce dernier n’est plus utile, correspond exactement au PZEM-004t et fournis 2 connecteurs (un à chaque bout du cable). Que demander de plus ?

Alternative

Le couple PZEM-004t est plutôt efficace : pas trop cher, fiable et plutôt précis (de l’ordre de 10W d’après mes mesures). Pour autant il est sans doute possible de réaliser une mesure directement avec l’ESP, via une mesure continue de la tension et de l’intensité, un programme et un circuit un peu plus sophistiqués (exemple). J’ai opté pour une solution simple même si elle fait appel à plus de matériel, par contre il est probable que je m’oriente vers cette mesure “manuelle”, non pas pour économiser le coût du PZEM-004t, mais pour améliorer la rapidité de la mesure. En effet le PZEM s’approche de 1 mesure toute les 4 secondes et dans certains cas c’est trop long (j’en reparle dans la conclusion).

Affaire à suivre !

Maintenant que nous savons à la fois piloter précisément le chauffe-eau et mesurer les puissances électriques mises en œuvre, il ne reste plus qu’à passer à l’article suivant qui traite de la régulation.