Récupération d'énergie dans les réseaux électriques intelligents

Le réseau électrique intelligent devient peu à peu une réalité à mesure que de plus nombreux réseaux sont déployés en Europe. L'Union européenne projette de remplacer au moins 80 % des compteurs électriques par des compteurs intelligents d'ici à 2020 afin de réduire les émissions de presque 10 % et la consommation électrique annuelle des ménages dans les mêmes proportions.

Presque 200 millions de compteurs électriques intelligents et 45 millions de compteurs de gaz seront déployés en Europe d'ici à 2020 permettant à plus de 70 % de consommateurs d'en bénéficier. Avec un coût moyen d'installation d'un compteur intelligent compris entre €200 et €250, cet investissement s'élève à 45 milliards d'euros, mais cela n'est que la moitié de l'histoire. L'investissement (capex) est élevé, de même que les dépenses d'exploitation (opex) pour s'assurer que le réseau électrique intelligent fournit toutes les données cruciales.

L'un des atouts du réseau électrique intelligent est de permettre une utilisation plus efficace des ressources renouvelables, comme l'énergie éolienne et l'énergie solaire. Avec l'augmentation du nombre de centrales solaires et de parcs éoliens apparaît le besoin croissant de bénéficier de données plus précises sur l'utilisation de l'électricité dans les maisons, les bureaux et les usines afin d'optimiser l'utilisation de ces sources renouvelables. Cela permet de créer un réseau de compteurs intelligents qui surveille l'alimentation dans une maison, et également des réseaux de capteurs sans fil qui peuvent fournir des données plus détaillées sur la consommation. Cela dynamise également le déploiement de dispositifs passerelles, souvent dans des sous-stations locales, qui assemblent les données et les envoient aux fournisseurs d'électricité en temps réel, en utilisant souvent les lignes électriques elles-mêmes avec des contrôleurs de lignes électriques.

Tout cela représente également une opportunité pour la récupération d'énergie dans les systèmes électroniques du réseau électrique. L'un des coûts clés d'un réseau électrique intelligent est la maintenance et le remplacement des batteries dans les compteurs et les capteurs du réseau. L'utilisation de la technologie de récupération d'énergie dans les compteurs domestiques et dans les sous-stations plus industrielles peut contribuer à considérablement réduire les coûts permanents d'exécution du réseau électrique intelligent.

Il est possible de tirer profit de plusieurs technologies de récupération d'énergie, des cellules solaires aux réseaux de capteurs sans fil en passant par les générateurs thermiques qui convertissent une différence de température en énergie électrique pour une sous-station.

L'énergie solaire peut être utilisée de diverses manières, des petites cellules sur des capteurs individuels à un plus grand ensemble alimentant une passerelle pour collecter des données sur le réseau.

L'ensemble de panneaux solaires de Parallax peut produire jusqu'à un maximum de 34 W d'énergie électrique depuis une installation sur un toit pour alimenter l'équipement réseau. Il est suffisamment robuste pour une production d'énergie permanente (y compris les installations sur toit), et il peut également être utilisé dans de nombreuses applications portables. Il utilise douze cellules solaires monocristallines de 125 mm (~5 pouces), 2,85 W avec un rendement d'environ 18,5 %, montées sur une base polycarbonate stabilisée anti-UV avec des panneaux de revêtement pour durabilité en extérieur. Un panneau inférieur sur mesure simplifie l'assemblage et protège les cellules solaires, et tandis que la sortie de puissance maximale est de 6,3 V_CC à 5,4 A, il est possible de connecter en chaîne plusieurs unités pour fournir une tension, une puissance et un courant plus élevés, en fonction des besoins de la passerelle de réseau de capteurs.  

Figure 1 : L'ensemble de panneaux solaires de Parallax peut fournir 34 W de puissance.

Pour convertir la puissance pour la passerelle réseau, il est possible d'utiliser un kit de développement de récupération d'énergie solaire tel que l'eZ430-RF2500-SEH de Texas Instruments. Le système gère et stocke l'énergie additionnelle dans une paire de batteries rechargeables à couches minces pouvant délivrer suffisamment de puissance pour 400+ transmissions, même dans l'obscurité. Elles agissent comme réserves d'énergie qui stockent l'énergie tandis que l'application est en veille et dispose de lumière à récupérer. Les batteries présentent une très faible auto-décharge, c'est pourquoi elles sont adaptées pour les systèmes de récupération d'énergie. La carte est un outil de développement MSP430 USB complet sans fil qui fournit tout le matériel et tous les logiciels nécessaires pour l'utilisation du microcontrôleur MSP430F2274 et de l'émetteur-récepteur sans fil CC2500 2,4 GHz. Elle inclut une interface de débogage USB qui permet la programmation et le débogage en système en temps réel pour un microcontrôleur MSP430 16 MHz basse consommation, et il s'agit également d'une interface pour transférer des données vers un PC depuis un système sans fil. Les indicateurs de température et de force des signaux RF peuvent également être utilisés pour surveiller l'environnement, et plusieurs capteurs externes peuvent être utilisés pour collecter des données supplémentaires.

Figure 2 : La carte de développement de récupération d'énergie eZ430 de TI peut prendre en charge des cellules solaires ou des générateurs thermoélectriques dans un réseau électrique intelligent.

La carte se connecte également facilement au récupérateur d'énergie thermique WPG-1 de Laird Technologies via un connecteur à 6 broches. Le WPG-1 est un générateur de puissance thermoélectrique à couches minces autonome pouvant être utilisé pour les réseaux de capteurs sans fil et pour les passerelles dans les sous-stations. Il fournit jusqu'à 1,5 mW de puissance de sortie utilisable et peut supporter une vaste plage de résistances de charge.

Le générateur utilise un convertisseur élévateur ultrabasse tension pour fournir une puissance de sortie utilisable à des différences de températures sous 20°K, et il convient pour capter la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur d'un bâtiment. La puissance de sortie peut être régulée pour accepter trois points de consigne de tension : 3,3 V, 4,1 V ou 5,0 V, et la carte de circuit intégré inclut des commutateurs DIP pour définir la tension de sortie. Les connexions électriques peuvent être effectuées en utilisant le connecteur à 2 ou 6 broches embarqué fonctionnant avec la carte de développement eZ430.

Figure 3 : Le WPG-1 de Laird Technologies génère de la puissance à partir d'une différence de température de seulement 20°K.

Un autre moyen consiste à construire un système de gestion de l'alimentation dédié pouvant gérer une variété de sources de récupération d'énergie. Le bq25570 de Texas Instruments est spécifiquement conçu pour un fonctionnement efficace dans la plage des microwatts et des milliwatts qu'on trouve avec les sources CC à haute impédance de sortie telles que les cellules solaires ou les générateurs thermoélectriques (TEG) sans générer trop de contraintes sur ces sources. La gestion des batteries dans le dispositif garantit qu'une batterie rechargeable n'est pas trop chargée par la puissance extraite, avec la tension amplifiée ou épuisée au-delà des limites sûres par une charge système. En plus du chargeur auxiliaire haut rendement, le bq25570 intègre un convertisseur abaisseur nanopuissance haut rendement pour fournir un deuxième rail d'alimentation aux systèmes tels que les réseaux de capteurs sans fil (WSN) exigeant une source de tension régulière.

Le bq25570 implémente également un réseau d'échantillonnage de recherche de point de puissance maximale (MPPT) programmable pour optimiser le transfert d'énergie dans le dispositif. La fraction de tension en circuit ouvert qui est échantillonnée et maintenue peut être contrôlée avec une broche à l'état haut ou bas (80 % ou 50 %, respectivement) ou avec des résistances externes. Cette tension échantillonnée est maintenue via des circuits d'échantillonnage internes et un condensateur externe. Par exemple, les cellules solaires fonctionnent typiquement avec un point de puissance maximale (MPP) de 80 % de leur tension en circuit ouvert. Le fait de définir le seuil MPPT à 80 % permet au dispositif de réguler la tension sur la cellule solaire pour garantir que la tension VIN_DC ne tombe pas en dessous d'une tension définie. Une tension de référence externe peut également être utilisée pour permettre à un microcontrôleur externe de mettre en œuvre un algorithme MPPT plus complexe.

Figure 4 : Le bq25570 de TI peut être utilisé pour construire un contrôleur de gestion de l'alimentation optimisé prenant en charge des algorithmes de recherche de point de puissance maximale pour une adaptation de puissance efficace.

Le bq25570 offre la flexibilité pour prendre en charge une variété d'éléments de stockage d'énergie, car l'énergie qui est récupérée peut souvent être sporadique ou variable dans le temps. Les systèmes requièrent typiquement un certain type d'élément de stockage d'énergie, comme une batterie rechargeable ou un supercondensateur pouvant fournir une alimentation fiable et régulière au système, et également gérer les courants de crête. Pour prévenir les dommages pouvant être causés à l'élément de stockage, les tensions maximum et minimum sont surveillées par rapport aux niveaux de surtension programmables par l'utilisateur et de sous-tension définis en interne, pour identifier une situation dans laquelle la tension d'un condensateur ou d'une batterie de stockage d'énergie tombe en dessous d'un niveau critique prédéfini. Cela permet de déclencher la réduction des courants de charge pour empêcher que le système ne passe en condition de sous-tension.

Grâce au boîtier QFN compact de 3,5 mm x 3,5 mm à 20 broches (RGR), l'élément de gestion de l'alimentation peut facilement être installé avec la source de récupération d'énergie.

Conclusion

L'utilisation de sources de récupération d'énergie pour alimenter les différents éléments du réseau électrique intelligent peut offrir des avantages considérables aux fournisseurs de systèmes et aux compagnies d'électricité. En réduisant considérablement le besoin de remplacer les batteries dans les réseaux de capteurs sans fil, voire en l'éliminant, des gains de coûts de fonctionnement substantiels peuvent être réalisés. La récupération d'énergie à partir de grands ensembles de cellules solaires ou de générateurs thermoélectriques, combinée avec les dispositifs de stockage d'énergie et de gestion de l'alimentation appropriés, peut permettre une alimentation sans maintenance pour les réseaux qui collectent les données essentielles pour le réseau électrique intelligent et pour les passerelles qui rassemblent et fournissent les données aux opérateurs.