Brevet FR3000623A1 — publié le 20140704

-1- Procédé de pilotage dynamique d'un équipement électrique Domaine de l'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 l'énergie. L'invention n'est toutefois pas limitée à 15 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 20 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 25 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 30 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. -2- 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 -3- est minime et beaucoup de gens sont endormis), les luminaires de l'éclairage peuvent fonctionner à puissance réduite. La demande de brevet internationale W0201/095922 5 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 10 prévision météorologique acquises périodiquement. Inconvénients de l'art antérieur Le principal inconvénient des solutions proposées 15 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 20 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 25 électrique. Par ailleurs, la solution mettant en oeuvre l'acquisition périodique de données de prévision météorologiques nécessite une connexion à un serveur de données futures, et l'accès à des modèles de prévision 30 pertinents par rapport à la localisation du système d'éclairage. - 4 - Ces données de prévision sont généralement macroscopiques et couvrent des zones très supérieures à la zone d'implantation d'un luminaire. 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 -5- - 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 10 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 lesquels l'équipement électrique est généralement (mais non nécessairement) inactif. 15 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. Selon une première variante, la fonction 20 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 25 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 30 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 -6- 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 20 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'irradiance solaire accumulée depuis le 25 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 30 communication ainsi qu'un circuit de gestion de l'énergie et de pilotage de l'alimentation d'une grappe d'équipements électriques. -7- 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 15 détection d'un ou plusieurs dysfonctionnements sur deux échelles : ^ un système électrique selon l'invention ^ une grappe d'équipements électriques selon l'invention. 20 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 estimés au cours du fonctionnement 25 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 30 de systèmes électriques sur une échelle temporelle correspondante à la durée de vie de chaque équipement électrique -8- 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 10 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 15 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) 20 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 25 l'alimentation (driver) du module LED (4). Cette carte (5) contient un module de communication permettant de recevoir des informations relatives à des facteurs externes et à transmettre des informations de service et d'état du système. 30 La carte (5) reçoit des informations provenant de capteurs tels qu'un capteur de température, une jauge -9- d'énergie et d'un capteur de présence (6). 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 15 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 20 - 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. 25 - Cette valeur de référence est ensuite ajustée pour prendre en compte l'autonomie attendue. Cette autonomie sera déterminée sous la forme du nombre de cycles de fonctionnement pendant lequel l'équipement doit fonctionner de manière autonome. 30 On détermine ainsi une capacité nominale C. de la batterie, qui serait suffisante pour assurer un fonctionnement continu à pleine puissance. - 10 - 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 P1 (10) pendant un intervalle de temps 'crépuscule 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 (11) pendant un intervalle de temps 'pleine nuit 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 30 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 5 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 E nominale par l'équipement, dans les conditions théoriques 10 nominales. La capacité de la batterie est déterminée pour être légèrement supérieure à cette énergie Enominaler sans dépasser 150% de cette énergie Enominaler et de préférence sans dépasser 110% de cette énergie Enominale Cette courbe est ensuite ajustée par des facteurs 15 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 20 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 25 d'énergie renouvelable. Un autre facteur externe est la prévision d'irradiance, provenant d'une source distante communiquant avec le système par l'intermédiaire du moyen de communication (6). A cet effet, un serveur météorologique fournit avant un 30 nouveau cycle une courbe prévisionnelle d'irradiance solaire. Ce facteur externe peut également être calculé localement par un moyen de prédiction prenant en compte les - 12 - 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 5 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 10 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 15 effective de la batterie, et le cas échéant la courbe de référence sera recalculée pour prendre en compte une capacité inférieure à l'énergie Enominalef 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 20 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 25 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 30 ne pas dégrader la batterie (décharge trop profonde) - le vieillissement du module LED et des cellules photovoltaïques et les rendements du système électrique. - 13 - 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 10 signalant la situation sur le lampadaire concerné au moyen d'un clignotement du module LED. Application à une grappe de systèmes 15 Les systèmes mettant en oeuvre l'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. 20 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). 25 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 . REVENDICATIONS1 - 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 10 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, lesdits facteurs externes étant des paramètres 15 physiques acquis par des capteurs locaux. 2 - Procédé de pilotage dynamique de l'alimentation d'un équipement électrique selon la revendication principale caractérisé en ce que la fonction d'ajustement prend en compte 20 l'état dudit élément de stockage d'énergie. 3 - Procédé de pilotage dynamique de l'alimentation d'un équipement électrique selon la revendication principale caractérisé en ce que la fonction d'ajustement prend en compte 25 au moins un facteur influé par l'efficacité de ladite source d'énergie renouvelable. 4 - Procédé de pilotage dynamique de l'alimentation d'un équipement électrique selon la revendication principale 30 caractérisé en ce que la fonction d'ajustement prend en compte un paramètre déterminé en fonction du nombre de cycles d'autonomie.-15- - Procédé de pilotage dynamique de l'alimentation d'un équipement électrique selon la revendication principale caractérisé en ce que la fonction d'ajustement prend en compte 5 au moins un facteur influé par l'efficacité de l'équipement électrique. 6 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. 7 Système électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit équipement électrique est un module d'éclairage à LED, ledit élément de stockage d'énergie est une batterie et ladite source d'énergie 25 renouvelable est composée de cellules photovoltaïques. 8 Système électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce que le facteur interne est déterminé par une carte électronique de gestion de l'énergie 30 et de pilotage de l'alimentation dudit équipement électrique comportant un capteur de température de ladite batterie, ainsi qu'une jauge d'énergie.-16- 9 - Système électrique selon la revendication 7 caractérisé en ce que le facteur externe est déterminé par la position géographique du lieu d'implantation et de fonctionnement dudit système. 10 - Système électrique selon la revendication 7 caractérisé en ce que le facteur externe est déterminé par la quantité d'énergie accumulée depuis au moins un cycle précédent. 11 - Grappe de systèmes électriques conformes à l'une au moins des revendications 6 à 10, 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, 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. 12- Grappe de systèmes électriques selon la revendication 11 caractérisé en ce que 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.-17- 13 - Procédé de détection d'un ou plusieurs dysfonctionnements d'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 commandant 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, caractérisé en ce que les dysfonctionnements sont identifiés par au moins un indicateur de défaillance issu 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. 14 Procédé de détection d'un ou plusieurs dysfonctionnements selon la revendication 13 caractérisé en ce que les indicateurs de défaillance sont définis par un système numérique binaire (0 : non ou 1 : oui) 15 - Procédé de détection d'un ou plusieurs dysfonctionnements selon la revendication 13 caractérisé en ce qu'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.