Optimisation du stockage et de l’utilisation énergétique de la maison autonome Canopea

  Read in   |   Print Print

"La carte Single-Board RIO a été à la fois le lien entre des équipements aux protocoles de communication hétérogènes et un élément de la gestion énergétique de la maison. "

- Jean-Luc AMALBERTI, Pierre CANAT, David FREY, IUT1 de Grenoble

The Challenge:
Interfacer les équipements de stockage d’énergie avec le réseau de communication du bâtiment et aider au pilotage précis de l’utilisation énergétique de la maison « Canopea », vainqueur du challenge Solar Decathlon Europe.

The Solution:
Utiliser une carte NI Single-Board RIO pour assurer la communication entre les dispositifs de stockage et les autres équipements de la maison.

Author(s):
Jean-Luc AMALBERTI, Pierre CANAT, David FREY - IUT1 de Grenoble

 

Le concours Solar Decathlon Europe 2012 est un concours international (18 équipes de 11 pays différents) dont l’objet est de concevoir et réaliser une maison solaire à énergie positive. Les équipes se sont affrontées fin septembre 2012 à Madrid sur dix épreuves (architecture, efficacité énergétique…).

Au sein du « Team Rhône Alpes », en association avec les écoles d’architecture de Grenoble et de Lyon, l’E.N.S.E3, des laboratoires de recherche et de nombreux partenaires industriels, l’ I.U.T 1 de Grenoble, département Génie Électrique, a participé activement à ce concours. Il avait notamment en charge la partie gestion intelligente de l’énergie du bâtiment. La maison a été exposée à Madrid lors des épreuves et de l’ouverture au public.

Une maison optimisée énergétiquement et automatisée

Le niveau d’habitation est un appartement de type F3 de 75 m². La toiture est réalisée avec 100 m² de modules photovoltaïques bi-verres laissant passer un peu de lumière du jour en la filtrant, mais en captant la quasi-totalité de son énergie, d’où le nom de Canopée donné à notre projet.

Un éclairage à led permet de mettre en valeur l’architecture extérieure du bâtiment, alors qu’une optimisation des consommations de l’éclairage intérieur et une gestion précise de l’énergie assurent une faible consommation électrique.

Lors des heures de pointe, les consommations de la maison sont effacées du réseau, et en cas de coupure d’énergie, la maison peut fonctionner de manière autonome pendant 48 heures.

Entièrement automatisée, la maison est pilotée par un iPad. Des conseils sont également prodigués aux utilisateurs sur cette interface afin de susciter des comportements économes en énergie.

La gestion énergétique de la maison

La gestion d’énergie est réalisée par un onduleur chargeur de marque Studer Innotec. C’est en fait un onduleur OFF line réversible auquel les consommateurs et la production photovoltaïque sont raccordés sur la sortie AC OUT.

Une batterie de type Li Fe PO4 et son système de gestion (BMS) permettent un lissage des consommations, un effacement des heures de pointe, et une autonomie en mode dégradé lorsque la maison est isolée du réseau.

L’onduleur chargeur étant réversible, on peut recharger les batteries aussi bien via le réseau (AC IN) que par la production photovoltaïque (AC OUT) en s’adaptant aux tarifs et aux horaires de fonctionnement souhaités. En mode dégradé, il fournit également une tension réseau fictive permettant le fonctionnement des onduleurs photovoltaïques et donc l’utilisation des panneaux solaires pour alimenter la maison.

La carte Single-Board RIO, un lien entre des équipements hétérogènes…

L’ensemble des équipements de la maison communique sur la base d’un protocole Modbus Ethernet. Toutefois, les deux cœurs de la gestion d’énergie, l’onduleur chargeur d’un côté, et la batterie et son BMS de l’autre, ne disposent pas d’un protocole de communication adéquat. L’onduleur chargeur utilise un protocole série propriétaire. Le BMS, quant à lui, intègre une sortie analogique représentative de l’état de charge de la batterie.

Pour assurer la communication entre ces équipements, nous avons fait appel à une carte Single-Board RIO (modèle NI sbRIO-9632), en utilisant notamment son port série pour communiquer avec l’onduleur chargeur. L’objectif était de récupérer les informations de celui-ci en générant les trames adéquates et de les stocker dans la mémoire de la carte. Afin que ces données puissent être accessibles aux autres équipements, un serveur Modbus TCP a été mis en place sur la carte Single-Board RIO. Grâce aux fonctions Modbus TCP disponibles dans LabVIEW, le développement du programme a été grandement simplifié. Par ailleurs, il a aussi été possible de piloter et reparamétrer l’onduleur chargeur par la carte.

Lorsque le BMS a été mis au point, la carte Single-Board RIO a permis de connaître l’état de charge de la batterie grâce à ses entrées analogiques. Cela a permis d’interfacer le BMS et l’onduleur chargeur et d’assurer les sécurités de la batterie.

… et un élément de pilotage embarqué

Nous nous sommes rendu compte assez rapidement que contrairement à un système automatisé industriel, dans le bâtiment, nous ne disposons pas d’automates dans lesquels stocker la partie intelligente de la maison.

Du fait de sa compacité, de son processeur performant et de son espace mémoire, la carte Single-Board RIO s’est facilement intégrée dans les installations électriques présentes et a participé à la gestion énergétique de la maison.

Au bout du compte, la carte Single-Board RIO assure le stockage et la mise à disposition des principales grandeurs électriques provenant de l’onduleur chargeur et de la batterie, mais aussi le calcul de l’état de charge et de décharge de la batterie et donc le pilotage en conséquence de l’onduleur chargeur. Mais la carte a permis également de recevoir les ordres de pilotage provenant des IHM et de les répercuter sur les différents équipements (onduleur chargeur essentiellement). Enfin, elle a permis d’améliorer la mise en place des stratégies inhérentes à la gestion de l’énergie électrique afin d’optimiser l’utilisation de l’énergie électrique disponible (batteries, cellules photovoltaïques) et de limiter au maximum l’utilisation du réseau de distribution d’énergie électrique.

Conclusion : un concept victorieux

Le concept « Canopea » a concouru contre 17 autres projets venant des quatre coins du monde.

Il a été récompensé par une première place au classement général des dix épreuves sur lesquelles ont été évalué les candidats et a été classé premier sur les aspects fonctionnement de la maison, confort, innovation et architecture.

Novembre 2012

Author Information:
Jean-Luc AMALBERTI, Pierre CANAT, David FREY
IUT1 de Grenoble
151, rue de la Papeterie
38400 Saint-Martin-d'Hères
david.frey@ujf-grenoble.fr

Bookmark and Share


Explore the NI Developer Community

Discover and collaborate on the latest example code and tutorials with a worldwide community of engineers and scientists.

‌Check‌ out‌ the‌ NI‌ Community


Who is National Instruments?

National Instruments provides a graphical system design platform for test, control, and embedded design applications that is transforming the way engineers and scientists design, prototype, and deploy systems.

‌Learn‌ more‌ about‌ NI