Maison BBC

Volet autonome

Dans le cadre d’un projet d'habitation label BBC, il est intéressant d’équiper les fenêtres d’un volet roulant qui permet de contrôler la luminosité, d’accroître l’isolation thermique et d’augmenter le confort acoustique.

Pour répondre à des exigences de confort d’utilisation, de rénovation et de domotisation, certains modèles sont motorisés, pilotables à distance et autonomes en énergie (pas de passage de câbles électriques).

Ces évolutions techniques amènent à résoudre les problèmes suivants :

• comment est assurée l’autonomie énergétique du système.
• comment est assurée la protection du système en cas de blocage du volet.

L’étude porte sur les volets roulants solaires qui équiperont la maison dont les documents techniques en ressources vous présentant le système :

• sous l'aspect fonctionnel,
• sous l'aspect structurel,
• sous l'aspect comportemental.

1 - Solutions technologiques permettant le déplacement du volet

= 10 min

L’objectif de cette partie est d’identifier les solutions techniques permettant le déplacement du volet.

Question 1 - A l’aide des documents techniques du volet autonome, identifier les solutions technologiques qui assurent les fonctions suivantes :

• Stocker le volet,
• Guider le volet,
• Déplacer le volet,
• Assurer une tension pour un enroulement correct,
• Maintenir le volet en position lorsque le moteur n’est pas alimenté.

2 - Economiser mécaniquement de l'énergie en réduisant le couple nécessaire

= 30 min

L’objectif de cette partie est de mettre en évidence les bénéfices de la solution choisie avec réducteur pour réaliser l’adaptation du couple demandé au moteur en comparaison avec une solution sans réducteur.

Afin de réaliser la comparaison des solutions avec et sans réducteur, on réalise une simulation à l'aide d'une modélisation comportementale des mécanismes de déplacement :

Les graphes suivants sont un relevé dans une configuration identique du modèle comportemental des solutions avec et sans réducteur dont les schémas cinématiques et les chaines d’énergie sont décrits dans les documents techniques. Ils représentent un aller-retour du volet :

• une phase de descente du volet en 36s,
• un arrêt de 8s,
• une phase de montée du volet en 36s.

1. En phase de descente, pour les 2 solutions, la fréquence de rotation du moteur est négative ainsi que le couple moteur.
2. En phase de montée, pour les 2 solutions, la fréquence de rotation du moteur est positive ainsi que le couple moteur.
3. Il en résulte pour les 2 solutions que la puissance moteur est positive.

Question 2 - A l’aide de ces résultats, expliquer, au vu du signe de la puissance moteur pour les 2 solutions, si le couple moteur est un couple à fournir ou un couple reçu.

Question 3 - A partir de la chaine d’énergie du mécanisme de déplacement réel, expliquer pourquoi, malgré la présence du ressort et des actions mécaniques qu’il impose dans les 2 solutions, le couple moteur est nul lors de l’arrêt.

Question 4 - Déterminer les couples maximums, en valeur absolue, sur le cycle pour les solutions avec et sans réducteur.

Question 5 - Evaluer en pourcentage la variation du couple de la solution "avec réducteur" par rapport à la solution "sans réducteur" selon la formule suivante :

Question 6 - Sachant que la solution avec réducteur réduit la consommation d’énergie de 5,8% en comparaison de la solution sans réducteur et en fonction des résultats de la question précédente, conclure sur l’intérêt de la mise en place de la solution "avec réducteur" en termes de couple et d’énergie consommée.

3 - Comment assurer l’autonomie du système

= 30 min

L’objectif de cette partie est de s’assurer que l’exigence d’autonomie globale du système soit bien satisfaite et de vérifier que le dimensionnement de chaque élément de la chaine d’énergie est correct. A partir des données obtenues sur un cycle de descente du volet, la quantité d’électricité nécessaire à un cycle complet montée/descente sera comparée à celle disponible dans la batterie.

Scénario retenu : 2 cycles sont nécessaires dans le cas d’une automatisation du mécanisme, valeur que l’on retiendra comme référence pour l’étude globale.

Etude énergétique 

Le modèle comportemental, dans les conditions les plus défavorables nous donne le cycle nécessitant le plus de couple moteur. Le cycle de descente est le plus impactant. On limitera alors l’étude à ce cycle de descente et on fera l’hypothèse simplificatrice qu’un cycle de montée/descente est parfaitement symétrique (cas le plus défavorable).

Pour cette étude on utilisera le modèle ci-contre : -

• le courant I en Ampères correspond au courant consommé par le moteur lors d’une descente seulement. Pour un moteur à courant continu, le couple étant proportionnel au courant, cette courbe représente une simplification de celles obtenues précédemment.
• Les valeurs de courant affichées sont les valeurs réelles mesurées.

On considère dans cette partie que la batterie peut être rechargée quelle que soit la consommation journalière du système. On prendra pour la suite de l’étude une valeur arrondie de Q_tot de 20 mAh.

Question 7 - D’après les caractéristiques de la batterie, données dans la Description SysML de la chaine d'énergie, et de la valeur de Q_tot, calculer le nombre de cycle de montée/descente que l’on pourrait effectuer en considérant une décharge totale de celle-ci. Conclure quant au dimensionnement de la batterie au regard de ce seul critère et du scénario retenu.

Etude de la charge de la batterie 

Au niveau du panneau photovoltaïque, de technologie amorphe (rendement de 5 à 7%) et de superficie 0.017 m², nous pouvons déduire des données d’irradiations journalières ainsi que des horaires d’ensoleillement sur la région de Chinon dans le tableau suivant.

Question 8 - A l’aide du tableau, calculer le nombre de cycles de montée/descente journalier que peut assurer le panneau photovoltaïque dans le cas le plus défavorable (en termes de quantité d’électricité équivalente à ce que devrait fournir la batterie). En comparant ce nombre au scénario retenu, conclure quant au dimensionnement du panneau photovoltaïque.

Question 9 - En fonction de la puissance maximale nécessaire, que vous relèverez sur les courbes utilisées précédemment, et de ce tableau, expliquer pourquoi il est nécessaire de coupler le panneau photovoltaïque à un élément de stockage d’énergie (raisonner en termes de puissance).

4 - Comment assurer la protection du système : Détection des blocages

= 40 min

L’objectif de cette partie est d’étudier le comportement du système dans la situation de dysfonctionnement la plus probable et la plus dégradante : un blocage du volet en pleine course. A l’aide de la chaine d’information, on vérifiera que le système permet de détecter une telle situation et d’éviter tous risques d’endommagements mécaniques et électriques éventuels.

Obtention de l’information de position du volet

L’élément d’acquisition est un émetteur/récepteur infrarouge (IR) fixé en vis-à-vis d’un élément tournant sur l’axe moteur. Cet élément permet d’alternativement absorber ou réfléchir l’onde IR, permettant d’obtenir un signal binaire variable.

Le chronogramme ci-dessus correspond au signal obtenu en sortie du capteur en conditions normales de déplacement du volet.

Question 10 - A l’aide de ce chronogramme, déterminer la période moyenne du signal obtenu en ms (être le plus précis possible, arrondir au 1/10ème).

Question 11 - Sachant que le moteur tourne à une vitesse moyenne de 5000 tr/min, calculer la durée d’un tour du moteur. En déduire à combien de tour du moteur correspond une période de ce signal (donner une valeur entière).

L’information de nombre de tours moteur, d’où découle l’information POS_VOL (voir les diagrammes d'états), est obtenue par comptage/décomptage (respectivement lors d’une descente/montée) du nombre d’impulsions de CAPT_OPT. Mais quel que soit le sens de rotation, le signal obtenu est invariablement le même.

Question 12 - A l’aide du diagramme de blocs internes et de la table de vérité ci-dessous, expliquer comment le microcontrôleur peut distinguer le sens de rotation.

Etude du comportement du système dans une situation de blocage

Le document technique Blocage du sytème représente les relevés de mesure du moteur (courant d’induit et tension d’alimentation) ainsi que le signal de sortie du capteur obtenus lors d’un blocage inopiné. Le document technique Description SysML représente les diagrammes d’états/transitions permettant d’obtenir un tel chronogramme.

Question 13 - Durant la phase 2, identifier à quoi est due l’augmentation de courant d’induit.

Question 14 - A l’aide des documents technique Blocage du sytème  et des diagrammes d'états, Identifier à quel état du diagramme d’états/transitions correspond La phase 3. De même, Expliquer, par une phrase, de quelle manière s’effectue la transition entre la phase 4 et la phase 5.