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Contrôleur de chauffe-eau solaire basé sur Arduino

Le Wed 1 mars 2017

Vous pouvez télécharger les notes complètes de ce projet dans un pdf forme d’ici: SWHController_Article.pdf

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Nous sommes donc revenus de la pause de Noël / Nouvel An pour constater que la température de notre eau en bouteille était un peu plus froide que ce à quoi nous nous attendions. Habituellement, lorsque nous y allons pendant un certain temps, un chauffe-eau solaire élève l’eau à une température très élevée même pendant les périodes où le temps est légèrement variable. Bien que ce fût des ordures cet été, la basse température a immédiatement ajouté à mes soupçons que quelque chose n’allait pas. Cela a été rapidement confirmé à la tombée de la nuit et la pompe solaire de circulation d’eau a continué de fonctionner.

Quand il s’est avéré que l’électricité ou quelque chose a traversé la maison pendant notre absence et a lavé le cerveau du régulateur du chauffe-eau solaire. Maintenant, il semblait que même 25 ° C, les jours étaient trop froids et il fallait retourner la pompe pour la protéger du gel. J’ai donc rapidement mis une minuterie entre le contrôleur et la prise murale et je l’ai réglée pour qu’elle ne fonctionne que pendant la journée.

Le régulateur existant est le régulateur Solastat de Senztek. Je ne peux pas dire qu’il était le meilleur contrôleur et avait quelques valeurs par défaut maladroitement inappropriées pour démarrer la protection contre le gel. Cela a commencé par une protection contre le gel lorsque les conditions environnementales étaient de 8 ° C. Wellington a souvent des jours froids autour de 8 ° C, mais tombe très rarement en dessous de zéro. Cela a donc perdu beaucoup d’eau chaude. J’ai essayé d’obtenir des informations de Senztek sur le réglage des paramètres (ce qui peut être fait), mais ils ne voulaient pas abandonner la méthode pour déverrouiller l’appareil et étaient fondamentalement très inutiles. Donc, pendant quelques années, ma liste de tâches était un projet visant à remplacer le contrôleur par quelque chose qui pourrait être configuré pour les conditions locales. Cet échec de Solastat a été l’occasion idéale de le mettre en action et de concevoir, construire, programmer, installer et mettre en service un contrôleur de chauffe-eau solaire beaucoup plus intelligent dans lequel les points de consigne peuvent être optimisés pour les conditions locales.

Nouveau contrôleur en cours de test
Nouveau contrôleur en cours de test

La conception de l’électronique et de la logique était un processus relativement fluide et indolore. Il n’y avait pas d’installation et de travail avec des choses réelles. Vous trouverez ci-dessous des liens vers des articles dans lesquels je décris un système idéalisé qui fonctionnerait très bien si vous avez de bons capteurs de température fiables et si vous avez la possibilité de placer les capteurs où vous le souhaitez. Je décris également le système réel tel qu’il est installé et des ajustements et des compromis sont faits pour le faire fonctionner correctement.

Vous trouverez des organigrammes logiques, des programmes Arduino, des schémas de circuits et des dispositions de carte pour chaque système.

Système idéalisé

Dans le monde parfait de la conception et de la programmation, les capteurs sont lumineux et précis, il n’y a pas de bruit dans le système et le système a toujours l’endroit idéal pour installer vos capteurs.

Voici un article sur le contrôleur pour le monde parfait. Le parfait régulateur de chauffe-eau solaire mondial.

Système réellement installé

Dans le monde réel, les choses se compliquent un peu. Vos capteurs ne s’adaptent pas parfaitement, les moteurs électriques, les relais et autres choses jettent des objets électriques en désordre partout, les plombiers ont créé une masse déshonorante de raccords en laiton sur un chauffe-eau solaire qui rendent difficile de placer des capteurs sur lesquels enregistrer les meilleures données. Le réservoir d’eau chaude n’a pas une belle poche avec un capteur approprié et les fils de capteur cassés se produisent trop facilement. Nuff a dit?

Voici un article sur le contrôleur du monde réel. Le vrai régulateur de chauffe-eau solaire dans le monde réel.

La carte électrique est construite sur une carte de 9 cm x 15 cm (trous 30×48), et l’écran LCD pour afficher les données est connecté à la carte principale via de nombreux fils, ce qui signifie qu’elle peut être placée relativement librement. Cela signifiait que l’ensemble du lot pouvait être facilement installé dans la boîte Jiffy ABS UB2, telle que fournie par Jaycar. Il s’agit d’une jolie boîte solide avec un volume interne de 172 mm x 104 mm x 57 mm.

Parce que je voulais pouvoir accéder au contrôleur Arduino relativement facilement pour charger de nouvelles variations de programme tout en optimisant les points de consigne, le boîtier devait soulever le couvercle sans y attacher un écran LCD ou une LED. Le cadre imprimé en 3D est conçu pour transporter l’écran LCD, les LED et les relais pour rester en position lorsque le couvercle est retiré. Les deux pieds sont conçus pour épouser la courbe de la surface du ballon d’eau chaude et contenir une série d’aimants. Théoriquement, les aimants maintiendraient le contrôleur sur le cylindre, mais en réalité ils n’étaient pas assez forts et des cassettes étaient utilisées pour le maintenir en place.

Il est possible que si vous regardez ce projet, vous aurez probablement un ballon d’eau chaude de différentes tailles, prendre des décisions différentes sur le module de relais utilisé, une boîte de différentes tailles et une foule d’autres choses qui signifient que la structure dont vous aurez besoin sera différente de celle J’ai utilisé. Pour terminer la finalisation, voici les fichiers pertinents pour la conception et l’impression 3D du planning de support.

Cadre de support imprimé en 3D

File Blender. Le fichier Blender a été conçu dans Blender 2.58. Certains des composants utilisés provenaient de la collection de composants que j’ai sur ce site Web: Bibliothèque de modèles de composants.

Vous pouvez télécharger .mélange fichiers ici: SWH_Controller_Frame-blend.zip

le STL Les fichiers d’impression 3D peuvent être trouvés ici: SWH_Controller_Frame-STLs.zip

Points de contrôle

Une fois que l’appareil est démarré et qu’il y a toujours de la place pour optimiser les points de consigne aux conditions locales et au fonctionnement réel des capteurs de température.
Comme déjà mentionné, Wellington attrape un rhume, mais gèle très rarement. Cela signifie que nous pouvons maintenir les points de consigne de protection contre le gel relativement proches de 0 ° C sans risquer le gel des panneaux.

Un autre facteur à considérer est l’erreur entre la température réelle que vous essayez de lire et la température que le capteur voit. Dans le cas du système mentionné ici, un capteur de température du chauffe-eau de sortie du chauffe-eau est installé dans une petite poche qui fait saillie dans le flux près de la sortie du chauffe-eau solaire. Il obtient de bonnes mesures lorsque l’eau coule, mais lorsque la pompe est arrêtée, la chaleur doit passer à travers un raccord métallique avant d’atteindre le capteur. Par conséquent, le capteur peut détecter lentement la température de l’eau sur la table de cuisson atteignant la température appropriée pour démarrer le pompage. Lorsque la pompe démarre, cela entraîne une augmentation soudaine de la température du capteur lorsque l’eau chauffée atteint.

L’observation des températures à l’intérieur et à l’extérieur du chauffe-eau solaire ainsi que la différence de température entre la sortie du chauffe-eau solaire et l’aspiration du ballon pendant le pompage continu et le démarrage de la pompe permettra à l’utilisateur de s’entraîner sur les points de consigne appropriés. Mes réglages actuels sont: 2,5 ° C entre la sortie du chauffe-eau solaire et l’alimentation du ballon d’eau chaude, tandis que pour éteindre la pompe la différence de température entre ces deux capteurs doit être inférieure à 1,5 ° C. Cela semble donner un bon rendement à chaud l’eau et répond bien aux jours moins ensoleillés et aux faibles angles ensoleillés tôt le matin et en fin d’après-midi.

Les points de consigne sont définis par les variables suivantes; FrostTemp,, SWHFrostThresh,, SWHOutHeatedTemp,, SWHCylTdiff, je SWHTdiff.

Recherchez les lignes suivantes sur les croquis de contrôle.

double FrostTemp = 4.00; //Temperature below which Frost is a risk.
                      //Adjust for local conditions.
double SWHFrostThresh = 5.00; //Temperature at SWH at which pump
                      //will start if running in Frost protection mode.
double SWHOutHeatedTemp = 8.00; //Temperature which will indicate that
                      //hot water is in SWH for frost protection.                      
double SWHCylTdiff = 2.50; //Temperature difference between cylinder
                      //and solar water heater before pumping starts.
double SWHTdiff = 1.50;  //Min temperature difference between cylinder
                      //and solar water heater before pumping is stopped.

SWHCylTdiff, je SWHTdiff sont deux points de consigne qui contrôlent le fonctionnement de la pompe du chauffe-eau solaire pendant le fonctionnement normal. Les deux se réfèrent à la différence de température entre les ouvertures sur le panneau du chauffe-eau solaire et l’emplacement du capteur sur l’entrée d’alimentation en eau chaude.

Sur mon système, j’ai remarqué qu’il y a une différence dans les lectures entre l’entrée du chauffe-eau solaire et la sortie du chauffe-eau solaire tôt le matin, alors qu’elles devraient être approximativement les mêmes. En outre, il y a une petite mais constante différence entre ce que le capteur de température de « stagnation » lit et ce que le capteur de température lit dans une station météorologique domestique à proximité. Malheureusement, je n’ai pas pu calibrer les capteurs ensemble, mais la présence de ces différences me rend méfiant en ce qui concerne les valeurs par défaut de protection contre le gel. Avec un peu plus de tests à l’approche de l’automne et de l’hiver, je serai probablement en mesure d’améliorer les points de protection contre le gel par défaut pour mieux refléter les conditions réelles.

Étalonnage du capteur

Avant de tenter d’installer un régulateur de chauffe-eau solaire, le système idéalisé avait quatre thermistances qui étaient censées être de type 10kΩ NTC avec Valeur bêta à partir de 4100K. Il n’est généralement pas si important que la température qu’ils rapportent soit absolument précise, mais l’empilement des capteurs facilite la vie. Pour tester cela, il vaut la peine de placer tous vos capteurs dans un verre d’eau (sans toucher le côté) ou sur une surface qui a une température uniforme, et de voir quelles températures sont répertoriées. Quand je l’ai fait, j’ai constaté qu’un capteur avait un décalage permanent par rapport aux trois autres capteurs. En changeant la température de l’eau sur une large plage, j’ai pu créer une expression pour ajuster la lecture de cette thermistance particulière à une température qui conviendrait aux autres.

La réalisation d’un tel test est relativement simple lorsque vous disposez d’un circuit intégré et que vous vous connectez à l’écran LCD.

Bien sûr, le fait d’avoir utilisé des thermistances déjà installées sur le système dans la version finale de ce système signifiait que je n’étais pas en mesure de réaliser une si bonne correspondance entre les différents capteurs. Cela se traduit par une plus grande incertitude et une plus grande substitution des points de consigne.

Jusqu’à présent, j’ai appris quelques choses de ce système;

Assurez-vous que vos capteurs sont approximativement les mêmes. Comme déjà mentionné, une bonne entente entre vos capteurs facilite la vie.

L’écran LCD que j’ai utilisé est très sensible au bruit électrique. Malgré toutes les dispositions prudentes des condensateurs, des transistors de retour, de l’opto-isolation et des pompes avec leurs propres circuits de suppression du bruit, l’écran LCD passe encore peu de temps à afficher les ordures lorsque le relais est ouvert. Ce n’est pas parce qu’un affichage est aligné que le système est en panne. Le reste du système fonctionne parfaitement. Je n’ai pas pris la peine d’essayer certains des écrans alternatifs comme i2c version ou tout simplement un affichage LED à quatre chiffres. J’ignore simplement le problème et tôt ou tard, l’affichage revient. Bon sang!

Ce projet porte sur 240V. Faites attention où vous collez les gants. Encore mieux, assurez-vous qu’il n’est pas débranché lorsque vous le trichez.

L’interrupteur de réinitialisation de la pompe nécessite que l’utilisateur maintienne le bouton avant de démarrer. Cela est dû au processus de « séparation » utilisé pour se protéger contre un court cycle de pompage. Ce n’est pas un problème, seul l’utilisateur doit en être conscient.

Le temps de cet « été » était vraiment étrange. C’était génial pour tester un régulateur de chauffe-eau solaire! Il y a eu quelques jours vraiment froids que nous avons dû regarder, suivis de jours chauds puants, suivis de jours ennuyeux où la température dans la chaudière à eau chaude était encore très élevée par rapport à la récolte solaire de la veille, et aussi quelques jours assez changeants dans vers lequel le nuage va et vient. Le régulateur de chauffe-eau solaire a réagi comme prévu à toutes ces conditions et nous a donné avec succès une bonne eau chaude sans perte en raison d’un pompage incorrect lorsque la chaleur solaire entrante n’était pas suffisamment chaude pour en bénéficier. C’est ce que j’appelle le succès.

Le contrôleur du chauffe-eau solaire fonctionne depuis sept mois sans aucun problème. Il a traité des températures glaciales, des pannes de courant et des tensions de l’alimentation électrique locale. Nous avons eu beaucoup d’événements météorologiques défavorables et le régulateur de chauffe-eau solaire a quand même bien démarré la pompe quand il y a des avantages. Je suis très content de la façon dont il a traversé l’hiver et de la façon dont il a survécu aux pannes du système d’alimentation.

Le régulateur de chauffe-eau solaire fonctionne depuis près de deux ans. Il est exposé au gel, aux températures élevées, aux pannes de courant et à tout ce qui pourrait y être projeté. Il n’avait toujours pas raté le rythme. Je pense que des réglages un peu plus précis pour cet endroit particulier ont aidé à capter un peu plus de chaleur – ou plus précisément, ils ont réduit les pertes de chaleur pendant les mois d’hiver associés à la protection contre le gel excessive utilisée par le régulateur de chauffe-eau solaire commercial d’origine.

Séparateur

Les informations fournies sont exactes à ma connaissance, mais décrivent ce que j’ai fait et ce qui a fonctionné pour moi. Nous déclinons toute responsabilité en cas de défaillance de l’équipement ou de dommages causés par la tentative de se conformer à ces instructions. Vous travaillez probablement avec le courant dominant, alors faites attention à ce que vous faites avec ces choses. C’est dur. Les informations sont également fournies sous la forme «telles qu’elles existent» et, en tant que telles, ne peuvent pas m’aider à vous aider à résoudre vos propres problèmes que vous pourriez rencontrer.

Paire de trolls Hamish, Catégorie: Projets techniques

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