Brevet FR2504605A1 — publié le 19821029

Source d'énergie solaire pour un dispositif électrique La présente invention concerne l'alimentation de dispositifs électriques à partir de réseaux de cellules solaires. On utilise couramment dans l'art antérieur des configurations dans lesquelles un réseau solaire à puis sance de sortie maximale pratiquement constante est adapté, par exemple, à une pompe notamment à piston, à mouvement alternatif, par l'intermédiaire d'une batterie qui se charge et se décharge pour adapter le réseau à puissance de sortie constante au dispositif présentant des fluctuations de la puissance demandée. La demande de brevet US intitulée "Smoothing Electrical Energy Output with Mechanical Accumulator" ("Lissage de l'énergie électrique avec un accumulateur mécanique"), décrit un accumulateur mécanique destiné à lisser le courant absorbé par un moteur de pompe à mouvement alternatif.Même avec un tel accumulateur, le moteur de la pompe peut ne pas absorber un courant conduisant à l'obtention d'une puissance maximale à partir du réseau de cellules solaires, et le moteur peut caler lorsque l'intensité de la lumière solaire diminue. On a découvert qu'on pouvait utiliser efficace- ment un réseau de cellules solaires pour alimenter un dispositif électrique en employant des moyens destinés à transformer l'énergie électrique d'entrée provenant du réseau en énergie de sortie d'une forme différente de celle de l'entrée, et en faisant varier les paramètres de sortie de façon à maximiser pratiquement la puissance qui est fournie au dispositif. Dans des modes de réalisation préférés, on règle automatiquement les paramètres de sortie sous l'effet de variations de la caractéristique courant-tension du réseau et du dispositif ; on règle les paramètres de sortie en faisant varier le rapport cyclique des moyens destinés à transformer l'énergie électrique d'entrée ; on modifie le rapport cyclique continuellement et automatiquement, on détecte les variations résultantes de la puissance de sor tie et on conserve le sens de variation du rapport cyclique lorsque le changement de puissance résultant correspond à une augmentation, tandis qu'on inverse le sens de variation du rapport cyclique lorsque la variation résultante de puissance correspond à une diminution ; les moyens destinés à transformer l'énergie électrique d'entrée en une énergie de sortie différente consistent en un régulateur à découpage ; le dispositif électrique est un moteur qui entradne une pompe à mouvement alternatif ayant une période entre courses de pompage qui est longue en comparaison des périodes de découpage du régulateur à découpage ; les moyens destinés à faire varier l'énergie de sortie comprennent un modulateur de largeur d'impulsions dont l'entrée est connectée à une sortie d'un intégrateur et les moyens de variation comprennent également une bascule qui est connectée à l'intégrateur et un comparateur qui compare la valeur de puissance présente avec la valeur de puissance précédente, pour un rapport cyclique diffa rent. L'invention sera mieux comprise å la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. la suite de la description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : Ia figure 1 est une représentation schématique d'une source d'énergie solaire pour un dispositif électrique conforme à l'invention. La figure 2 est un graphique des caractéristiques courant (en ordonnée) - tension (en abscisse) d'un moteur (en tirets) et d'un réseau de cellules solaires (en traits continus). La figure 3 est un graphique des caractéristiques courant (en ordonnée) - tension (en abscisse) d'un moteur (en tirets longs), d'un réseau de cellules solaires (en traits continus) et de la sortie d'une source d'énergie conforme à l'invention (en tirets courts). La figure 4 est un graphique des caractéristiques courant (en ordonnée) - tension (en abscisse) d'un moteur (en tirets longs) et de la sortie d'une source d'énergie conforme à l'invention. Ia figure 5 est un organigramme qui représente un procédé pour maintenir automatiquement la puissance de sortie de la source considérée au voisinage du maximum. La figure 6 est un schéma synoptique d'un circuit de commande de rapport cyclique pour la source de la figure 1. On va maintenant considérer la figure 1 sur laquelle on voit une source d'énergie solaire désignée globalement par la référence 10 qui est connectée à un moteur électrique 12 entrarnant une pompe à mouvement alternatif 14, du type décrit dans la demande de brevet précitée. La source d'énergie 10 comprend un réseau de cellules solaires 16, un régulateur à découpage abaisseur 18 et un circuit de commande de rapport cyclique 20, représenté en détail sur la figure 6. Le réseau 16 applique de l'énergie électrique au régulateur 18 avec un courant i et une ten a sion Va, et le régulateur 18 applique de l'énergie élec trique au moteur 12 avec un courant Io et une tension VO. o Le régulateur 18 comprend un transistor T1, , une diode deux condensateurs Ci, Co et une inductance I qui est traversée par un courant Ii. Le transistor T1 et la diode D1 fonctionnent en interrupteurs dont l'ouverture et la fermeture sont commandées par le circuit de commande de rapport cyclique 20, sous la dépendance de la tension VO et du courant 10 qui sont détectés. Le transistor T1 est directement commandé par le circuit 20 et la diode D2 est connectée de façon à permettre le passage du courant lorsque T1 est ouvert, et inversement. En considérant la figure 6, on voit que le transistor T1 est connecté par un étage d'attaque 22 à un modulateur de largeur d'impulsion à 20 kHz, 24, dont l'entrée est connectée à un intégrateur 26 qui est lui-même connecté à une bascule 28, connectée à son tour à un comparateur 30. Le comparateur 30 est connecté de façon à recevoir des signaux à partir d'une mémoire de valeur présente de puissance mesurée, 32, et d'une mémoire de valeur enregistrée de puissance mesurée, 34, et ces deux mémoires fonctionnent sous la dépendance d'une horloge d'échantillonnage 38, à 33 Hz.Les mémoires 32, 34 sont connectées de façon à recevoir des signaux indiquant la puissance qui proviennent d'un circuit de mesure de puissance 36, lui-meme connecté de façon à recevoir la tension détectée V et le courant détecté Io o Les composants utilisés dans le schéma de la figure 1 sont les suivants Ci, 0o 40 if T1 2N6678 UES706 I 1,5 mH On va maintenant envisager le fonctionnement en considérant la figure 2 sur laquelle on voit les caractéristiques courant - tension pour un moteur 12 entratnant une pompe avec une charge constante au cours du temps, à une vitesse de pompe donnée, et un réseau solaire fonctionnant à 100 % d'insolation et à 50 % d'insolation, sans aucune transformation de courant et de tension par le régulateur à découpage 18. La caractéristique relative au moteur correspond à un courant constant sur toute la plage de tension. Ceci vient du fait que la pompe déplace'un volume fixe à chaque cycle, et le travail appliqué au liquide pompé, et donc la puissance, sont proportionnels à la vitesse de pompage. La vitesse du moteur est directement proportionnelle à la tension; par conséquent la tension varie en fonction directe de la puissance demandée et du fait que la puissance fournie est égale au produit de la tension par le courant, le courant absorbé demeure constant lorsque la vitesse et la tension de pompage varient. les courbes pour le réseau 16 montrent que la diminution de courant est relativement faible pour l'augmentation initiale de la tension, et que le courant tombe brusquement lorsque la tension augmente davantage. Pour une plus faible intensité de la lumière solaire (50 do d'insolation sur la figure 2) le courant est moindre pour une tension donnée. La puissance fournie par le réseau de cellules solaires est maximale lorsque le produit du courant et de la tension est maximal, ce qui est indiqué par Pm sur la figure 2. Un moteur ayant la caractéristique indiquée par la ligne en tirets fonctionnera à l'intersection de cette ligne avec la courbe caractéristique du réseau.On voit qu'à 100 % d'insolation, l'intersection n'est pas près de la puissance maximale pour le réseau et qu'à 50 % d'insolation, il n'y a pas d'intersection, ce qui indique que le moteur a calé. On va maintenant envisager le fonctionnement du régulateur 18, en se référant à la figure 1. Pendant un cycle de commutation pour le régulateur à découpage abaisseur 18, le transistor Tî est conducteur et la diode D1 est bloquée pendant une durée t1, ce qui connecte l'inductance I au réseau 16 et fait augmenter son courant Ensuite, le transistor T1 est bloqué et la diode D1 est conductrice pendant une durée t2, et le courant Ii diminue. En fonctionnement en régime établi, la valeur de Ii à la fin du cycle de commutation est identique à la valeur de Ii au début du cycle. Les condensateurs d'entrée et de sor- tie Ci, ont pour fonction de lisser les courants qui sont absorbés par le réseau 16 et qui sont appliqués au moteur 12.Dans le régulateur à découpage 18, la fréquence est de 20 kHz (comme dans le modulateur de largeur d'impulsion 24 de la figure 6), et le rapport cyclique D pour ce circuit est donné par l'équation (1) t1 D = (1) t1 + t2 Les relations entres les tensions et les courants d'entrée et de sortie pour le régulateur à découpage 18 sont décrites par les équations (2) et (3) V = DV (2) o a Io = Ia/D (3) On va maintenant considérer la figure 3 pour décrire l'effet du régulateur à découpage 18 sur la caractéristique courant - tension. Sur ce dessin, la caractéristique du moteur est telle qu'elle ne rencontre même pas la caractéristique à 100 % d'insolation pour le réseau de cellules solaires 16.Lorsque le régulateur 18 transforme cette caractéristique avec un rapport cyclique D de 0,85, la caractéristique se décale vers la gauche et vers le haut, vers des valeurs de tension inférieures et un courant plus élevé, à la position représentée par la ligne en tirets courts et épais sur la figure 3. La caractéristique pour 50 % d'insolation est décalée de fa çon similaire, mais beaucoup plus fortement. Dans ces deux exemples, on choisit le rapport cyclique D de façon que l'intersection avec la caractéristique du moteur corresponde aux points à puissance maximale Pm des caractéristiques du réseau. Le circuit de commande de rapport cyclique 20 assure la fonction consistant à suivre constamment le rapport cyclique de puissance maximale. Le circuit de commande 20 augmente ou diminue continuellement et automatiquement le rapport cyclique en faisant varier les durées t1 et t2, conformément au procédé décrit par l'organigram- me de la figure 5. La variation résultante de puissance est mesurée après chaque changement de D et elle est comparée avec la dernière valeur de puissance mesurée. S'il apparat une augmentation, la variation suivante du rapport cyclique est dans le même sens. Si la variation en trame une diminution de puissance, la variation suivante du rapport cyclique est dans l'autre sens.L'effet résultant est que le point de fonctionnement du réseau varie légèrement et continuellement autour du point de puissance maximale réel P . Par exemple, en considérant la figure 4, m si le circuit 20 a augmenté D de 0,35 à 0,40, la puissance correspondant à l'intersection des caractéristiques du moteur et du réseau augmente. Ainsi, la variation suivante du rapport cyclique D est dans le même sens , oit par exemple une augmentation de 0,40 à 0,45, ce qui entrai- ne une diminution de la puissance à l'intersection. Par conséquent, la variation suivante de D sera dans l'autre sens, comme par exemple une diminution juqu'à 0,40, entraînant une augmentation de puissance, etc.La perte dc puissance qui résulte des faibles écarts par rapport à la puissance maximale réelle n'est cependant que de quelques pour cent. On va maintenant considérer la figure 6 pour décrire la fonction de poursuite de la puissance maximale que remplit le circuit de commande de rapport cyclique 20. la base du transistor de puissance T1 (figure 1) est commandée par le modulateur de largeur d'impulsion 24, dont la durée à l'état actif (égale à t1) est fonction de la tension de commande fournie par l'intégrateur 26, et dont la durée à l'état inactif est t2, c'est-à-dire la période (t1 +t2) moins la durée à l'état actif, t1. Le signal de l'intégrateur 26 est une tension qui varie continuellement à une vitesse constante, et le sens de cette variation de tension est commandé par l'état de la bascule 28. Si l'état de la sortie de la bascule 28 est "1", la tension de sortie de l'intégrateur diminue et la variation de D se fait dans un sens ; si l'état de la sortie de la bascule 28 est "O", la tension de sortie de l'intégrateur augmente et la variation de D est dans l'autre sens.Par conséquent, le rapport cyclique D varie constamment et le sens de la variation s'inverse à chaque changement de l'état de sortie de la bascule 28. Le circuit de mesure de puissance 36 détecte continuellement la tension de sortie VO et le courant de sortie Io, et i7 calcule la puissance en faisant le produit des deux. Le signal de sortie du circuit de mesure de puissance est échantillonné toutes les 30 ms par l'horloge d'échantillonnage 38. Le comparateur 30 compare la valeur contenue dans la mémoire de valeur mesurée et échantillonnée présente, 32, avec celle relative à l'échantillon précédent qui est enregistrée dans la mémoire 34. Si la comparai son montre que la valeur de puissance mesurée présente est supérieure à la valeur de puissance mesurée enregistrée, aucun signal n'apparaît en sortie du comparateur 30. Si la valeur de puissance mesurée enregistrée est supérieure à la valeur de puissance mesurée présente, le comparateur 30 fournit un signal de sortie, ce qui change l'état de la bascule 28 et inverse le sens de la variation du rapport cyclique D. D'autres modes de réalisation entrent dans le cadre de l'invention. On peut utiliser différents circuits pour transformer énergie électrique en énergie de sortie différente et pour faire varier les paramètres de sortie de façon à les maintenir à une puissance maximale. On peut par exemple remplacer l'horloge 38, la mémoire de valeur de puissance mesurée présente 32, la mémoire de valeur de puissance mesurée enregistrée 34 et le comparateur 30 par un réseau de filtrage qui détecte la pente du circuit de mesure de puissance et qui inverse l'état de la bascule lorsqu'il détecte une pente négative. De plus, la source d'énergie solaire décrite ci-dessus peut être appliquée à l'alimentation d'autres types de dispositifs électriques ayant des caractéristiques courani.-tension différentes ou variables. Si les variations de charge de la pompe à mouvement alternatif 14 ne sont pas lissées par un accumulateur mécanique similaire à celui décrit dans la demande de brevet précitée, la courbe courant - tension du moteur, représentée sur les figures 2 et 3, monte et descend de façon cyclique en correspondance avec le cycle de la pompe, et la courbe du réseau de cellules solaires, après transformation (lignes en tirets sur la figure 3) variera automatiquement de façon similaire de façon que le réseau fonctionne près de la puissance maximale P . Ceci vient du fait que la période du cycle de la pompe est longue par rapport aux périodes de découpage du régulateur à découpage 18. Une pompe centrifuge aurait une caractéristique similaire à celle représentée sur la figure 4, et le circuit de commande 20 ferait varier le rapport cyclique D jusqu'à ce que le point de fonctionrlement; soit à nouveau près du point de puissance maximale PmS comme décrit ci-dessus. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apl!ortées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Source d'énergie solaire pour un dispositif électrique (12), caractérisée en ce qu'elle comprend : un réseau de cellules solaires (16) ; des moyens (18) destinés à transformer l'énergie électrique d'entrée provenant du réseau de cellules solaires en énergie électrique de sortie pour 1 dispositif, différente de l'énergie d'entrée ; et des moyens (20) destinés à faire varier les paramètres de sortie de façon à maximiser pratiquement la puissance qui est appliquée au dispositif. 2. Source d'énergie selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de variation (20) comprennent des moyens destinés à régler automatiquement les paramètres de sortie en fonction des variations des caractéristiques tension - courant du dispositif (12) ou du réseau (16). 3. Source d'énergie selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens de variation (20) sont des moyens destinés à faire varier un rapport cyclique des moyens de transformation (18). 4. Source d'énergie selon la revendication 3, caractérisée en ce que les moyens de variation font varier continuellement le rapport cyclique et contrôlent les variations de la puissance de sortie appliquée au dispositif (12), sous l'effet des variations du rapport cyclique et le sens de variation du rapport cyclique est conservé d'une variation du rapport cyclique à la suivante lorsque la variation résultante de puissance correspond à une augmentation, tandis que le sens de variation est inversé lorsque la variation résultante de puissance ccrrespond à une diminution. 5. Source d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les moyens de transformation consistent en un régulateur à découpage (18). 6. Source d'énergie selon la revendication 5, caractérisée en ce que le dispositif est un moteur (12) qui entraîne une pompe à mouvement alternatif (14) ayant une période entre courses de pompage qui est longue par rapport aux périodes de découpage du régulateur à découpage (18). 7. Source d'énergie selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caracérisée en ce que les sens de variation comprermert un modulateur de largeur d'impulsion (24) dont l'entrée est connectée à une sortie d'un intégrateur (26). 8. Source d'énergie selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'intégrateur (26) comporte une entrée connectée à une sortie d'une bascule (28), qui est elle-même connectée à un comparateur (30) qui compare la valeur de puissance mesurée présente avec une valeur de puissance mesurée précédente, avec un rapport cyclique différent.