Laboratorium Układów Sterowania Niekonwencjonalnymi Źródłami
advertisement
Laboratorium Układów Sterowania Niekonwencjonalnymi Źródłami Energii Materiały pomocnicze do laboratorium UKŁADY ŚLEDZENIA POZYCJI SŁOŃCA 1. Pozorny ruch Słońca Każdego dnia Słonce zakreśla okręgi na Sferze Niebieskiej pokonując drogę ze wschodu na zachód. Kształt trajektorii Słońca zmienia się w zależności od dnia roku i położenia geograficznego. Do najważniejszych cech ruchu Ziemi nalezą: Ruch obiegowy – ruch Ziemi po orbicie wokół Słońca (Rys. 2.5.) Ruch obrotowy – pełny obrót dookoła własnej osi w ciągu 24 godzin Orbita, po której porusza się Ziemia w rzeczywistości jest elipsą, jej niecentryczność jest tak niewielka, że trudno odróżnić ją od okręgu. Pory roku spowodowane są nieprostopadłym ustawieniem osi obrotu, której nachylenie wynosi 62,5°. Powoduje to zmiany długości trwania dnia i nocy w ciągu roku, w miarę ruchu Ziemi po orbicie. Rys. 1. Ruch Ziemi względem Słońca [5]. Ruch obrotowy Ziemi to inaczej obrót Ziemi wokół własnej osi. Czas jednego obrotu względem odległych gwiazd wynosi 23 godziny 56 minut i 4,1 sekundy. Okres ten nazywa się dobą. Na równiku prędkość wywołana obrotem Ziemi wynosi około 1674,4 km/h, bieguny natomiast pozostają w miejscu. Tam gdzie na powierzchnię Ziemi padają promienie słoneczne, panuje dzień, na pozostałym obszarze jest noc. Więc ruch obrotowy Ziemi jest przyczyną zmiany dnia i nocy. W jedną godzinę Ziemia obraca się w przybliżeniu o 15° a w cztery minuty o 1°. Wymienione dwa ruchy Ziemi silnie wpływają na natężenie napromieniowania, zależą od nich kąt padania promieni słonecznych zarówno w ciągu dnia, jak i roku. Strona 2 W dowolnym punkcie Ziemi pozorne położenie Słońca określamy za pomocą dwóch kątów: wysokość nad horyzontem h, i azymut α. Azymut jest to kąt zawarty pomiędzy rzutem na płaszczyznę poziomą kierunku, w którym znajduje się Słońce, a północą, przyjmując wschód jako 90°, południe 180°, a zachód 270°. Rys. 2. Miejsca wschodu i zachodu Słońca w ciągu roku. Gdy Słońce jest dokładnie na południu, azymut wynosi zero, a wysokość nad horyzontem jest maksymalna. Ten moment określa się mianem południa słonecznego i jest to wygodny punkt odniesienia, względem którego mierzy się porę dnia. Rysunek 2.6. obrazuje miejsca wschodu i zachodu Słońca w porze przesileń. Wynika z niego, że moduły fotowoltaiczne, które są montowane na sztywno typowo w kierunku południa, około 33% czasu w lecie mają Słońce za sobą. Jest to znaczna stara energii, gdyż promieniowanie bezpośrednie (które „niesie” najwięcej energii), w tym okresie ma udział rzędu 60% promieniowania całkowitego. „Przy opisie matematycznym tego zjawiska najwygodniej jest zastosować współrzędne astronomiczne w układzie horyzontalnym. Jest to taki układ sferyczny, którego centrum jest w punkcie obserwacji, i którego kołem głównym jest horyzont, a kierunkiem głównym –kierunek geograficznego południa. Aby wyznaczyć współrzędne słoneczne, zakłada się, że Ziemia w punkcie obserwacji jest płaska, a horyzont widziany z tego punktu Strona 3 jest nieruchomy i zatacza idealny okrąg.” [27] Przy takich założeniach azymut (ang. Azimuth) i wysokość (ang. Altitude) Słońca są zobrazowane na rysunku 2.7. Rys. 3. Układ horyzontalny [6]. Deklinacja Słońca δ nazywamy kat padania promieniowania słonecznego na płaszczyznę równika. Deklinacje δ obliczamy według wzoru Coopera (1), pozwala on uzyskać dokładność do 1°. (1)[5] gdzie: n = kolejny dzień roku Wysokość Słońca obliczamy, na podstawie wzoru (2) trygonometrii sferycznej: (2) [5] gdzie: ω 1 τs – 180 Azymut Słońca obliczamy, na podstawie wzoru (3). (3) [5] gdzie: φ – szerokość geograficzna (dodatnia dla półkuli północnej, ujemna dla południowej) ω – kat godzinowy τs – czas słoneczny Strona 4 Czas słoneczny obliczamy, na podstawie wzoru (4) τs = τ E (λL – λN) (4) [5] gdzie: E – stała w minutach (wartość pomijalna) λN – południk, dla którego czas jest normalny (środkowoeuropejski λN = 15°) λL – południk miejsca, dla którego określony jest czas słoneczny W Polsce w czasie letnim należy dodatkowo odejmować 1h. Kąt padania bezpośredniego promieniowania słonecznego na powierzchnie modułu fotowoltaicznego i na każdą dowolną płaszczyznę, nachyloną do horyzontu pod kątem s, można wg Benforda i Backa obliczyć według wzoru (5). cos θ sinδ cosφ cos s – sinδ cosφ sinφ cosα cosδ cosφ cos s cosω + cosδ sinφ sin s cosα cosω + cosδ sin s sinα sinω (5) [5] Wysokość i azymut w różnych porach przesileń, dla szerokości geograficznej Gdańska pokazano na rys. 2.8. Wykres został wygenerowany poprzez oprogramowanie dostępne na stronie www.sunearthtools.com. Dokładne dane kąta azymutu i wysokości podane są dla dnia 21 marca 2011 roku o godzinie 12.00. Rys. 4. Wysokość i azymut Słońca dla Gdańska Strona 5 1.1. Rodzaj elementów napędowych Elektryczne – osie napędzane serwomechanizmami lub silnikami prądu stałego ze specjalnymi układami buforowymi. Pasywne – osie napędzane przez siłowniki z niskotemperaturowym płynnym gazem (Rys. 5). Ruch wywołany przez ciepło słoneczne, które podnosi ciśnienie gazu, w wyniku czego siłownik przesuwa się, aż do momentu uzyskania równowagi. Plusem takiego rozwiązanie jest brak kosztów energii na przemieszczanie modułów i brak systemu sterowania, wadą natomiast nieprecyzyjne pozycjonowanie. Rys. 5. Solar Tracker z pasywnym elementem napędowym[16] Hydrauliczne – osie napędzane poprzez ruch siłowników hydraulicznych (Rys. 6). Rozwiązanie stosowane przy ciężkich konstrukcjach nośnych, gdzie wymagana jest duża siła z jednocześnie zachowaną precyzją pozycjonowania. Rys. 6. Solar Tracker firmy SHS o wadze 19 ton z hydraulicznym elementem napędowym [17] Strona 6 1.2. Charakter układów sterujących Analogowe – wykorzystanie analogowych zespołów pneumatycznych, hydraulicznych lub mechanicznych Cyfrowe – zastosowanie elektroniki cyfrowej. Mają tu zastosowanie sterowniki PLC, układy programowalne FPGA, komputery PC z kartami akwizycji danych , bramki logiczne, systemy mikroprocesorowe, przetworniki A/C. Technika cyfrowa jest bardzo dobrze rozwinięta i koszt urządzeń sterujących jest niski. 1.3. System Sterowania Otwarty – pozycjonowanie oparte na podstawie wyliczonej pozycji Słońca, tzw. algorytm zegarowy. Zmiana ustawienia następuje w określonych odstępach czasu. Zamknięty – pozycjonowanie oparte na informacji z czujników i położeniu ogniw. Stosowane są bardziej złożone algorytmy decyzyjne. Hybrydowy – połączenie układu zamkniętego i otwartego. Na Świecie nieustannie poszukiwane są nowe algorytmy sterowania układami nadążnymi. 1.4. Metody sterowania układem nadążnym Poniżej zaproponowanych zostanie kilka rodzajów sterowań położeniem ogniwa słonecznego. W opracowaniu nowych algorytmów sterowania pomogą wyniki analizy danych symulacyjnych i obliczeniowych z powyższego rozdziału. Wszystkie systemy sterowania będą posiadały zabezpieczenie na wypadek silnego wiatru i wysokiej temperatury. 1.4.1. Sterowanie w układzie otwartym – algorytm zegarowy W sterowaniu tym zmiana położenia fotoogniw odbywa się w zdanych odstępach czasowych na podstawie wyliczonej pozycji Słońca. Aktualna wartość kąta azymutu i wysokości wyliczana jest na podstawie wzorów (6). Różnica pomiędzy aktualną pozycją słońca a pozycja układu jest odchyłką od prawidłowego położenia, który układ regulacji ma sprowadzić do zera. 1 ( Strona 7 1 ( 1 cos( cos( 3,94683sint+ 0,019334sin2t+ 0,05928sin( 1 cos( π180 W = arcsin(sin(D) sin(S) + cos(D) cos(S) cos(15 (czas-12))) A = (arcos((cos(S) sin(D) – cos(D) sin(S) cos(15 (czas-12)) ))) / cos(W) (6)[25] gdzie: S – szerokość geograficzna w radianach D – deklinacja W – wysokość A – azymut Dzień – dzień roku (1-365) Czas – w godzinach od 0 – 23 δ – dla Gdańska 54 N Wady : Wymagane precyzyjne ustawianie konstrukcji oraz wiązane z tym wysokie koszty budowy układu Wysokie koszty sterowania związane z ruchem w obu osiach Mała efektywność w okresach zimowych Brak reakcji na zmieniające się warunki atmosferyczne Zalety: Sterowanie nie podatne na zakłócenia Strona 8 Rys. 7. Algorytm zegarowy START TAK Ustaw na pozycje poranną NIE Czy jest na pozycji porannej ? TAK Czy jest noc ? NIE TAK Czy jest silny wiatr? NIE Pobierz datę Pobierz czas NIE Pobierz aktualne położenie TAK Sprowadź uchyb położenia do zera Czy różnica przekracza 10° ? Oblicz położenie 1.4.2. Sterowanie w układzie otwartym – algorytm zegarowy zmodyfikowany Propozycja nowego sterowania w układzie otwartym będzie odbywała się poprzez zmianę położenia w zadanych odstępach kąta. Algorytm nieprzerwanie oblicza wartość azymutu, jeżeli kąt zwiększy się o zadaną wartość w stosunku do ostatniej pozycji układ regulacji sprowadza odchyłkę do wartości bliskiej zero. Zadany kąt będzie zależny od okresu sterowania. Dla późnych dni jesiennych i wczesnej wiosny, gdy promieniowanie bezpośrednie ma jeszcze duża wartość, układ będzie pozycjonowany co 15°, dla pozostałych dni będzie to powyżej ustanowiona wartość 10°. Zmiana kąta wysokości odbywać się będzie dwa razy do roku. Układ śledzenia będzie wyłączony w miesiącach od października do lutego. Strona 9 Zalety w porównaniu do tradycyjnego sterowania w układzie otwartym: Niższe koszty budowy układu, związane z ruchem tylko w jednej osi, nachylenie w pionie zmieniane ręcznie Niższe koszty energetyczne sterowania związane z ruchem tylko w jednej osi w ciągu dnia Brak strat energii na sterowanie w okresie zimowym Reakcja na miesięczne zmiany warunków nasłonecznienia, poprzez dane zawarte w pamięci Sterowanie nie podatne na zakłócenia spowodowane błędnym odczytem z czujnika oświetlenia Wady : Wymagane precyzyjne ustawianie konstrukcji oraz wiązane z tym wysokie koszty budowy układu Brak reakcji na dzienne zmiany warunków atmosferycznych Strona 10 Rys. 8. Algorytm zegarowy zmodyfikowany START Pobierz datę BLOK A TAK Czy jest okres zimowy? NIE TAK Ustaw na pozycje startową Czy jest na pozycji porannej ? NIE TAK Czy jest noc ? NIE TAK Czy jest silny wiatr? NIE TAK Czy jest Czy jesttemp silny? wysoka wiatr? NIE Pobierz czas Pobierz aktualne położenie NIE Sprowadź uchyb położenia do zera TAK Czy różnica przekracza 10° ? Strona 11 Oblicz położenie w poziomie 1.4.3. Sterowanie w układzie zamkniętym z czujnikiem różnicowym W tradycyjnym sterowaniu zamkniętym układ wyposażany jest w czujniki położenia oraz oświetlenia. Wartością zadaną jest tu zerowa odchyłka od położenia dającego największy zysk. Układ reaguje na zmiany warunków atmosferycznych, co daje dużą oszczędność energii na sterowanie w dniach o słabym nasłonecznieniu. Aby otrzymać wiarygodne informacje o oświetleniu takie jak poziom promieniowania, jego charakter: kierunkowość, stosunek promieniowania bezpośredniego do całkowitego, wymaga się specjalistycznych i drogich czujników nasłonecznienia, a tańsze czujniki fotowoltaiczne są podatne na zakłócenia. Czas zwrotu kosztów takiego systemu sterowania jest długi, a w przypadku małych instalacji jest nieopłacalny. Alternatywnym rozwiązaniem jest sterowanie różnicowe. Wartością zadaną jest tu utrzymywanie jednakowego oświetlenia par fotodetektorów. Taki układ zapewnia identyfikacje położenia Słońca w dwóch płaszczyznach (Rysunek 9). Rys. 9. Układ fotorezystorów w czujniku różnicowym [10] Strona 12 Układ będzie działał poprawnie tylko przy słonecznym bezchmurnym niebie, co czynni go podatnym na zakłócenia podczas częściowego zachmurzenia, gdzie Solar Tracker będzie ustawił się na najjaśniejsze miejsce na niebie, co nie odpowiada największemu zyskowi energetycznemu. Przy przeważającym udziale promieniowania rozproszonego, promienie docierałyby ze wszystkich kierunków do fotodetektora, więc układ nieustannie wyrównywał będzie różnice poziomu naświetlenia pary fotorezystorów do zera, co spowoduje nieustanny ruch Solar Trackera, zwiększając koszty sterowania . Podobne zachowanie układu zaobserwujemy, gdy promieniowanie odbite powstające wskutek odbić od elementów krajobrazu i otoczenia, zakłóci działanie choćby jednego fotodetektora. Propozycją zmniejszenia skutków działania zakłóceń jest zwiększenie histerezy zadziałania układu, czyli zwiększenia różnicy poziomu naświetlenia przy którym nastąpi wyrównanie poziomu naświetlenia. Założeniem tego sterowania, ze względu na wysokie koszty, jest brak czujników promieniowania, więc wartość histerezy nie może być dopasowywane przez układ sterowania do warunków nasłonecznienia, musi być ustalona na stałe. Ustalenie jej na wysoki próg zadziałania spowoduje utratę mocy z energii słonecznej, za niski, starty energii na częste pozycjonowanie. Nowym pomysłem na eliminacje, lub częściowe zmniejszenia wpływu zakłóceń jest zastosowanie filtra polaryzacyjnego. Filtr ten przepuszcza jedynie światło o polaryzacji liniowej w wybranym kierunku. Światło pochodzące bezpośrednio od Słońca nie jest spolaryzowane, więc filtr pochłaniałby światło, rozproszone przez chmury , które jest częściowo spolaryzowane oraz eliminował odbite od szyby lub powierzchni wody. Działanie liniowego filtra polaryzacyjnego przedstawia (Rys. 10.). Filtr zamontowany zostałby nad fotodetektorem jak na Rys. 9. Rys. 10. Zasada działania filtra polaryzacyjnego liniowego [18] Strona 13 Układ jednak nie reaguje na zmiany warunków atmosferycznych, z powodu braku czujników promieniowania. Z teorii wiadomo, że wartość natężenia prądu ogniwa jest funkcją natężenia promieniowania słonecznego. Mierząc ten prąd jesteśmy w stanie uzyskać informacje o aktualnym poziomie nasłonecznienia i tym samym wykorzystać pracujące ogniwo jako czujnik, bez ponoszenia dodatkowych kosztów. Na podstawie poziomu natężenia prądu w ogniwie układ sterowania podejmie decyzje o załączeniu lub wyłączeniu śledzenia oraz może dopasowywać wartość histerezy zadziałania. Tak jak w poprzednim rozwiązaniu układ może być wyłączony w okresie zimowym. Zmiana nachylenia w pionie w ciągu dnia może odbywać się rzadziej, ale tak aby zapewnić komfortową prace fotoelementów odpowiadających za przesuw w poziomie. Wiemy, że zmiana położenia w pionie w ciągu dnia nie przyniesie korzyści, stąd energia na jej sterowanie będzie tracona. Zalety: Brak wymagań precyzyjnego ustawiania konstrukcji Niższe koszty budowy układu w porównaniu do sterowania otwartego, związane z niższymi wymaganiami dokładności pozycjonowania Brak kosztów czujników nasłonecznienia oraz położenia (jeżeli nie został zastosowany silnik krokowy), które wymagane są przy sterowaniu w tradycyjnym układzie zamkniętym Brak strat energii na sterowanie w okresie zimowym Reakcja na zmienne warunki nasłonecznienia Wady: Starty na sterowanie osią pionową Układ podatny na zakłócenia Niedokładne śledzenie Słońca Efektywne działanie śledzenia tylko przy dobrych warunkach nasłonecznienia Strona 14 Rys. 11. Algorytm różnicowy START BLOK B BLOK A Pobierz poziom prom. NIE Czy poziom prom. jest wystarczający TAK Dostosuj histerezę zadziałania do poziomu promieniowania Pobierz wartość różnicy oświetlenia fotoelementów Wyrównaj poziom naświetlenia elem. TAK Czy różnica przekracza histerezę? NIE Strona 15 1.4.4. Sterowanie metodą śledzenia MPP Sterowanie polega na śledzeniu punktu maksymalnej mocy uzyskiwanej z ogniwa. Sterowanie będzie opierało się na metodzie wchodzenia i cofania się (ang. hill climbing method), w której ekstremum osiąga się stosując technikę wspinaczkową. Algorytm ten będzie polegał na niewielkiej okresowej zmianie położenia baterii słonecznej, a następnie porównywaniu mocy oddawanej w danej chwili i mocy oddawanej przed zmianą położenia. Jeśli chwilowa wartość mocy jest większa niż poprzednia, kierunek zmieniany położenia jest określany jako krok pozytywny. W przypadku przeciwnym, gdy chwilowa wartość jest mniejsza niż poprzednia, kierunek zmieniany położenia jest określany jako krok negatywny i układ cofa się do ostatnio osiągniętego punktu ekstremalnego. Aby utrzymać osiągnięte położenie, system sterowania będzie poszukiwał punktu maksymalnej mocy co 15 minut. Główną wadą tego rozwiązania są oscylacje wokół optymalnego punktu położenia. Tak jak w przypadku sterowania różnicowego przedstawionego powyżej system sterowania na podstawie poziomu natężenia prądu w ogniwie podejmie decyzje o załączeniu lub wyłączeniu śledzenia oraz może dopasowywać częstość jego działania oraz układ może być wyłączony w okresie zimowym. Sterowanie nie wymaga dwóch ruchomych osi, nachylenie w pionie może być zmieniane ręcznie dwa razy do roku. Zalety: Niższe koszty budowy układu, związane z ruchem tylko w jednej osi Brak kosztów czujników nasłonecznienia oraz położenia Brak strat energii na sterowanie w okresie zimowym Reakcja na zmienne warunki nasłonecznienia Wady Wymagane precyzyjne ustawianie konstrukcji Wyższe koszty energetyczne sterowania związane z oscylacjami wokół optymalnego punktu położeni Strona 16 Rys. 12. Algorytm MPP START BLOK B Przesuń w prawo o 6 stopni TAK i=0 Czy moc wzrosła ? NIE NIE Czy moc zmalała ? TAK R=i+1 NIE Czy liczba zmian poł: R>2 TAK Czekaj 15 min Strona 17 Wróć do ostatniej wartości maks. 1.4.5. Podsumowanie Na bazie zaproponowanych powyżej metod sterowania można tworzyć układy hybrydowe łącząc zalety i eliminując wady poszczególnych rodzajów sterowań. Przykładowo – połączenie algorytmu zegarowego i MPP umożliwiało by zabezpieczenie się przed błądzeniem układu w poszukiwaniu punktu maksymalnej mocy lub może uzależnić sterowanie zegarowe od zmian warunków nasłonecznienia. Połączenie algorytmu różnicowego z MPP umożliwiło by sterowanie położeniem modułu fotowoltaicznego w dni słoneczne przez układ różnicowy w pochmurne poprzez zastosowanie metody MPP. Aby opłacalne było stosowanie układu sterowania położeniem baterii słonecznej, musi po pierwsze przynosić zysk energetyczny w stosunku do układu stałego, po drugie koszt jego zakupu musi zwrócić się w czasie krótszym niż, czas eksploatacji samych ogniw oraz elementy składowe systemu sterowania muszą być mało awaryjne. Żeby układ był ekonomicznie opłacalny musi być spełniony warunek z wzoru 4.1. >> 1 Strona 18 (7) 2. Stanowisko laboratoryjne Schemat blokowy stanowiska laboratoryjnego został przedstawiony na rysunku 13. sercem całego układu jest karta S65L z procesorem sygnałowym oraz układem logiki programowalnej. Karata współpracuje z płyta interfejsów, która posiada dwa czterokanałowe przetworniki analogowo – cyfrowe, oraz jest buforem miedzy karta a urządzeniami zewnętrznymi. KOMPUTER PC CZUJNIKI Komunikacja OBROTNICA I_obr KARTA S65L Sterowanie położeniem Odczyt, zapis danych PRZEKAŹNIKI Sterowanie, odczyt INTERFEJS Sterowanie T1-on, T2_on PANEL SŁONECZNY MULTIPLEKSER Pomiar – ufv, ifv, uc2, u_wy, iL1, iL2 PRZETWORNICA ufv, ifv Różnicowy Temperatury Położenia Zmierzchowy OBCIĄŻENIE U_wy, I_wy Rys. 13. Schemat blokowy stanowiska laboratoryjnego Na rysunku 14 został przedstawiony schemat połączeń wszystkich urządzeń pracujących w układzie sterowania. Rozmieszczenie elementów na schemacie jest zgodne z ich rozmieszczeniem na rysunku 13. Strzałkami zielonymi zaznaczono kierunek przepływu sygnałów pomiarowych – dla przetwornika A/C oraz sterujących – pracą multipleksera, przetwornicy i przekaźników. Strzałkami czerwonymi zaznaczono przepływ sygnałów o dużej mocy – do obrotnicy, obciążenia; modułu fotowoltaicznego, transformatora i zasilacza. Płyta multipleksera jest jednocześnie zasilaczem czujników pomiarowych. Komputer PC służy do odczytu i wizualizacji danych pomiarowych oraz zadawania parametrów sterowania takich jak: rodzaj systemu sterowania, czas, data. Strona 19 Sygnały dużej mocy Rys. 14. Schemat połączeń stanowiska Strona 20 Sygnały pomiarowe, sterujące małej mocy 2.1. Ogniwo fotowoltaiczne Moduł ogniw słonecznych firmy SOLARA Serii M, model SM60 (Rys. 15). Baterie te są przeznaczone do pracy na jachtach, łodziach, oświetleniu nawigacyjnym oraz szalupach ratunkowych – są odporne na wodę morską. Rys. 15. Moduł DM60M [10*] Właściwości: Cienki Przód wykonany z plastikowej foli, nie ulega uszkodzeniom na skutek uderzenia Wysoka sprawność Powierzchnia przednia o wysokiej przepuszczalności promieniowania Samoczyszczący Szczelna i płaska skrzynka przyłączeniowa z wyprowadzonym przewodem odpornym na wodę i promieniowanie UV Łatwy montaż poprzez klejenie lub przykręcenie Parametry elektryczne i wymiary: Średnia produkcja dzienna energii 75 Wh/d Moc maksymalna Pmax 18 W Napięcie systemu 12 V Napięcie w punkcie mocy max. 19 V Napięcie na otwartych zaciskach 22,6 V Prąd max. Imax 0,94 A Prąd zwarciowy 1,1 A Długość 620 mm Szerokość 250 mm Głębokość 2 mm Waga 1,65 kg Strona 21 2.2. Obrotnica Konstrukcja odpowiedzialna za ruch modułu słonecznego to zewnętrzna obrotnica od kamery przemysłowej model konstrukcja zapewnia YT-203 (Rys. 16). Jej płynny ruch w każdym kierunku oraz wysoką dokładność pozycjonowania. Rys. 16. Obrotnica YT203 [10*] Właściwości: Aluminiowa, malowana proszkowo obudowa, z czterema ringami uszczelniającymi pełna hermetyczność Regulowane z zewnątrz krańcówki Prostota sterowania Duża nośność Parametry elektryczne i wymiary: Poziom: 350° Zakres obrotu Pionie: ±50° Poziom: 6°/s. Prędkość obrotu Pion: 3°/s. Zasilanie 24V AC Maksymalne obciążenie 15 kg Temperatura pracy -40°C ~ +40°C Waga 5,7 kg Wymiary Ø200 mm x 248 mm Materiał Aluminium Strona 22 2.3. Czujniki 2.3.1. Czujnik położenia w pionie Urządzeniem odpowiedzialnym za pomiar odchylenia w pionie jest inklinometr firmy Kubler model IS40 (Rys. 17). Pozwala on na mierzenie wychyleń w 2 wymiarach i jest urządzeniem specjalnie podyktowanym dla instalacji solarnych. Rys. 17. Inklinometr Kubler IS40 [18*] Właściwości: Zakres pomiarowy ±45° Minimalna przestrzeń montażowa 20 x 30 x 60 mm Wysoka rozdzielczość i dokładność Interfejs prądowy lub napięciowy Wysoka odporność na uderzenia, wibracje, wilgoć 2.3.2. Czujnik położenia w poziomie Elementem odpowiedzialnym za pomiar położenia w poziomie jest potencjometr wieloobrotowy firmy Velleman (Rys. 18) Rys. 18. Potencjometr wieloobrotowy [19*] Właściwości: Rezystancja 10 kom /2W Tolerancja ±5% Ilość obrotów ośki – 10 Maksymalne napięcie pracy 320V Strona 23 2.3.3. Czujnik zmierzchowy Układ pozwala na automatyczne wyłączanie śledzenia w nocy i jego włączenie w dzień (Rys. 19). Czujnik światła generuje sygnał zależny od panujących warunków oświetleniowych.. Rys. 19. Wyłącznik zmierzchowy [20*] Właściwości Płynna regulacja czułości Układ opóźniający załączenie – zabezpieczenie przed oscylacjami Element wyjściowy - przekaźnik Obciążalność styków 24 V/3 A 2.3.4. Czujnik temperatury Do pomiaru temperatury użyto precyzyjnego czujnika LM35 (Rys. 20), którego wyjście napięciowe jest proporcjonalne do zmiany temperatury w skali Celsjusza. Rys. 20. Czujnik temperatury [19] Właściwości: Skalibrowany w stopniach Celsjusza Zakres pomiarowy: –55°C ~ 155°C Zależności temperatury od napięcia 10,0 mV/°C. Nieliniowość ¼ ° Strona 24 2.3.5. Czujnik różnicowy Zaprojektowany czujnik różnicowy (Rys. 21) składa się z czterech fotorezystorów, odgrodzonych nieprzezroczystymi, matowymi przegrodami. Powierzchnia światłoczuła fotoelementów jest przesłonięta liniowym filtrem polaryzacyjnym. Rys. 21. Czujnik różnicowy Wzmacniacz operacyjny zasilany jest napięciem symetrycznym ±5V. Elementy R7, R8 to fotorezystory, tworzące wraz z rezystorami R5 i R6 mostek pomiarowy, warunkiem jego równowagi jest spełnienie zależności: R5+R8 = R6+R7. Wzmacniacz operacyjny w układzie różnicowym z wzmocnieniem równym 10, odejmuje sygnały pojawiające się na nóżkach 2,3, gdy układ mostka jest w równowadze (oba fotorezystory są równomiernie naświetlone) poziom napięcia wyjściowego jest równy zero. W przypadku wzrostu naświetlenia jednego z fotoelementów mostek wychodzi z równowagi, co skutkuje pojawianiem się napięcia wyjściu. Poziom i znak napięcia zależny jest od różnicy naświetlenia fotoelementów. Potencjometr P1 służy do kalibracji systemu, ze względu na rozrzut technologiczny elementów. Schemat elektryczny układu dla osi X przedstawia na rysunek 22, dla osi Y układ jest analogiczny. Rys. 22. Schemat czujnika różnicowego Strona 25 Czujnik różnicowy - sterowanie w bliskiej podczerwieni Czujnik różnicowy do sterowania w podczerwieni (Rys. 23), jako elementów światłoczułych użyto fototranzystorów. Układ został tak zaprojektowany, aby mógł być stosowany zamiennie z układem na fotorezystorach w tej samej obudowie. Powierzchnia światłoczuła fotoelementów jest przesłonięta liniowym filtrem polaryzacyjnym. Rys. 23. Czujnik różnicowy w podczerwieni Zasada działania czujnika podczerwieni jest identyczna jak czujnika na fototranzystorach. Promieniowanie podczerwone ma dużo większą przenikalność w złych warunkach atmosferycznych: w deszczu, śniegu, mgle, dymie oraz kurzu, niż promieniowanie widzialne, na którym oparte jest sterowanie z fotorezystorami. Przy słabym zamgleniu powietrza promieniowanie podczerwone ma aż o dwa razy większy zasięg niż widzialne. Powoduje to, zwiększenie precyzji śledzenia Słońca przy użyciu detektorów podczernieni. Układ elektroniczny posiada dodatkowy kondensator C7 w obwodzie sprzężenia zwrotnego w celu eliminacji szumów, oraz zwiększenia stałej czasowej urządzenia, aby czujnik nie reagował na chwilowe zmiany naświetlenia, bądź zewnętrzne zakłócenia. Schemat elektryczny układu dla osi X przedstawia na rysunek 24, dla osi Y układ jest analogiczny. Rys. 24. Schemat czujnika różnicowego pracującego w podczerwieni Strona 26 2.4. Elektronika sterująca 2.4.1. Karta S65L + Płyta interfejsów Karta z interfejsem firmy MMB Drives (Rys. 25) służy do uruchamiania oprogramowania w układzie z procesorem w pętli obliczeniowej oraz są podstawą układów pracujących autonomicznie. Głównym elementem karty S65L są: procesor sygnałowy ADSP21065L oraz układ programowalny FLEX6016. Procesor trzydziestodwubitowy jest jednostką zmiennoprzecinkową, o mocy obliczeniowej 66 MIPS. Układ FPGA posiada trójstanowe wyjścia oraz 1320 bloków logicznych. Płyta interfejsów zawiera wzmacniacze wejściowe i wyjściowe, przetworniki C/A i A/C (8 kanałów), dodatkowe układy logiki programowalnej. Karta jest podłączona z komputerem poprzez port światłowodowy. Rys. 25. Karta S65L wraz z karta interfejsów [11*] Właściwości: Możliwość realizacji skomplikowanych wymagań stawianych przez obiekty sterowane Pełne i kompletne narzędzie do realizacji sterowania Program komunikacyjny pozwala za pośrednictwem komputera sterować pracą układu Łatwa możliwość modyfikacji rejestrów komunikacyjnych oraz realizacji zapisu i odczytu z pamięci Programowanie w języku C i VHDL Konstruowany układ może zostać przygotowany w oparciu o symulacje w języku C Wymagane oprogramowanie narzędziowe: VisualDSP Integrated Development Environment firmy Analog Devices oraz MAX PLUS2 firmy ALTERA Strona 27 2.4.2. Przetwornica DC/DC Sterowalna przetwornica DC/DC (Rys. 26) w instalacji fotowoltaicznej, w połączeniu z odpowiednim algorytmem wyszukiwania punktu MPP zapewnia odpowiednie dopasowanie energetyczne modułów PV do obciążenia. Przetwornica została wykonana przez firmę MBB Drives. Rys. 26. Przetwornica DC/DC [11*] Większość modułów i systemów PV charakteryzuje się niskimi wartościami napięcia wyjściowego DC i średnimi wartościami rezystancji wewnętrznej. Optymalne warunki zasilania obciążenia mogą wystąpić jedynie po zastosowaniu przetwornicy dopasowującej własności źródła i obciążenia. Układ pozwala na zasilanie obciążenia, zarówno o bardzo wysokiej, jak i bardzo niskiej rezystancji wewnętrznej z zadowalającą sprawnością. Proces ten polega na transformacji napięcia wejścia/wyjścia (DC/DC) z określonym współczynnikiem. Zależnie od wartości współczynnika, napięcie wyjściowe może być niższe bądź wyższe niż wejściowe, a dopasowanie rezystancji zależy od kwadratu tego współczynnika. Zaletą stosowania przetwornic DC/DC jest możliwość kontrolowania tego współczynnika przez regulator. Jest on wykorzystywany w metodzie P&O MPP. Pomiar charakterystyki ogniwa fotowoltaicznego można zrealizowany jest przez wymuszenie napięcia minimalnego, a następnie maksymalnego. Ponieważ zmiana wartości napięcia nie odbywa się natychmiastowo, można wielokrotnie zmierzyć wartości napięć oraz prądów, i w ten sposób utworzyć charakterystykę prądowo – napięciowa ogniwa. „Algorytm Perturb and Observe (P&O) polega na niewielkim okresowym podwyższaniu lub obniżania napięcia, a następnie porównywaniu mocy oddawanej w danej Strona 28 chwili i mocy oddawanej przed zmianą napięcia. Na podstawie porównania mocy wyznacza się kolejną wartość przyrostu napięcia oraz jego znak. Do zalet tej metody poszukiwania punktu maksymalnej mocy należy zaliczyć brak przerw w oddawaniu mocy oraz wysoką skuteczność przy dużych wartościach nasłonecznienia. Główne wady to ciągłe oscylacje wokół optymalnego punktu pracy i brak możliwości odnalezienia wszystkich ekstremów lokalnych, gdy ogniwo jest częściowo przesłonięte „[11]. Konfiguracja przetwornicy DC/DC w instalacji fotowoltaicznej pokazana jest na rysunku 27. MODUŁ PRZETWORNICA FOTOWOLTAICZNY DC/DC OBCIĄŻENIE C/A A/C MIKROKONTROLER Rys. 27. Konfiguracja przetwornicy w układzie PV Schemat elektryczny przetwornicy – rysunek 28. Zwiększenie (ang. boost) wartości napięcia ogniwa odbywa się przez załączenie tranzystora T1. Zmniejszenie (ang. buck) wartości napięcia odbywa się przez załączenie tranzystora T1. Rys. 28. Schemat przetwornicy DC/DC [9*] Poniżej znajdują się schematy regulatorów sterujących tranzystorami. Regulator R1 sterujący tranzystorem mocy T1 – rysunek 29. Regulator R2 sterujący tranzystorem mocy T2 – rysunek 30. Strona 29 Rys. 29. Schemat blokowy regulatora (R1) tranzystora przetwornicy „boost” (T1) [9*] Rys. 30. Schemat blokowy regulatora (R2) tranzystora przetwornicy „buck” (T2) [9*] Gdzie: ufv_zad – napięcie wyznaczone z algorytmu szukania punktu pracy z najwyższą mocą pobieraną z ogniwa słonecznego, ufv – napięcie na ogniwie słonecznym, uc2 – napięcie na kondensatorze C2, iL1_zad – prąd regulatora R1, iL1 – prąd dławika L1, iL2_zad – prąd regulatora R2, iL2 – prąd dławika L2, T1_on – czas przewodzenia tranzystora „boost”, T2_on – czas przewodzenia tranzystora „buck”. Właściwości: Moc maksymalna: 50W Maksymalna sprawność: do 90% Napięcie wejściowe maksymalne: 30V DC Napięcie wyjściowe: 13.8V DC Prąd wyjściowy ciągły: 3A Strona 30 2.4.3. Karta przekaźników Płyta z przekaźnikami firmy MMB Drivers (Rys. 31) służy do podawania napięcia zasilającego silniki obrotnicy. Rys. 31. Karta przekaźników Właściwości: Maksymalny prąd przełączania: 3A Trwałość elektryczna styków: 250AC/ 0,5A – 500 000 przełączeń 2.4.4. Multiplekser + Zasilacz czujników Multiplekser (Rys. 32) posiada 8 kanałow analogowych przełączanych binarnie, sygnał wyjściowy podwany jest na przetwornik analogowo – cyfrowy. Według producenta zapewnia szybkość przełączania 400ns na kanał. W rzeczywistości taki czas powodował chaos w odczycie parametrów, poprawność działa uzyskano dopiero przy czasach rzędu 10ms. Na płycie znajduje się zasilacz stablizowany zapewniajacy stabilne zasilanie czujników. Rys. 32. Płyta Multipleksera i zasilacza Właściwości: Zabezpieczenie sygnałów wejściowych od chwilowego zwarcia Filtry przeciwzakłóceniowe na wejściu Strona 31 2.5. Zasilanie 2.5.1. Transformator Transformator (Rys. 33) zapewnia obrotnicy zasilanie napięciem o wartości nominalnej. Prąd uzwojenia wtórnego dopasowany jest do poboru prądu obrotnicy wynoszącym 960 mA. Rys. 33. Transformator Indel - TSZZM25/013M/1 [22*] Właściwości: Napięcie wtórne: 24V Moc: 25VA Prąd uzwojenia wtórnego: 1,04A 2.5.2. Zasilacz impulsowy Zasilacz impulsowy AC-DC (Rys. 34) ze stabilizowanymi napięciami wyjściowymi, zapewnia zasilanie przetwornicy, multipleksera połączonym z zasilaczem czujników oraz karcie S65L wraz z płytą interfejsu. Rys. 34. Zasilacz impulsowy ZL230-40-4 Właściwości: Moc wyjściowa: 40W Zakres napięć wyjściowych: +5V; +15V; -15V; +24V (1A; 0,3A,0,3A,1A) Strona 32 2.6. Elementy dodatkowe 2.6.1. Koncentrator Koncentrator promieniowania (Rys. 35) wykonany z foli lustrzanej firmy Euro – Print Marketing przyklejonej na nieprzezroczysta płytę z tworzywa sztucznego. Takie rozwiązanie zmniejsza wagę elementu, zapewniając jednocześnie sztywność oraz odporność na warunki atmosferyczne. Rys. 35. Koncentrator promieniowania [22] Właściwości foli: 74% refleksji światła widzialnego 70% refleksji promieniowania cieplnego 2.6.2. Obudowa Obudowa FIBOX (Rys. 36) w klasie szczelności IP67, pozwala na pracę urządzenia warunkach zewnętrznych, zapewniając ochronę elektroniki przed deszczem, wiatrem itp. Rys. 36. Obudowa FIBOX [21] Właściwości: Temperatura pracy: -40 ~ 60°C Materiał obudowy: ABS Strona 33 2.7. Oprogramowanie 2.7.1. Program TKombajn Konsola TKombajn (Rys. 37)została stworzona do komunikacji pomiędzy komputerem PC wyposażonym w port szeregowy oraz sterownikiem mikroprocesorowym SH65L. Rys. 37. Okno programu TKombajn [9*] Program umożliwia zapis i odczyt wartości mikroprocesora. Odczyt wszystkich parametrów odbywa się co 250ms, umożliwia to w pełni uchwycenie poboru prądu przez obrotnice. Sterowanie: Wybór algorytmu sterowania, zadawanie daty Odczyt: Wartości napięcia i prądu modułu fotowoltaicznego, prądu obrotnicy Wartości parametrów sterowania przetwornicą Wartości kąta azymutu i wysokości, napięć różnicowych, temperatury Strona 34 2.7.2. Struktura ALTERY – MAX+Plus II Urządzenia zewnętrzne: przetwornik A/C, przekaźniki, multiplekser, sterowane i odczytywane są z poziomu układu logiki programowalnej, która przez procesor DSP widziana jest jako pamięć zewnętrzna. Wszystkie dane dla procesora uaktualniane są co 20μs. Zmienna ZATRZASK powstała z podzielenia częstotliwości zegara kwarcowego. Zmienna W_REG służy do zapisu wartości, które wysłane zostały z mikroprocesora, natomiast zmienna R_REG do odczytu wartości, które zczytywane są przez mikroprocesor. Układ z rysunku 38 odpowiada za sterowanie przekaźnikami. Informacja o załączeniu przekaźnika przesyłana jest z mikroprocesora w rejestrze W_REG3, przyjęto cztero bitowa szerokość szyny (D[3..0]), co pozwala przesłać informacje dla czterech przekaźników. Dane są zatrzaskiwane w przerzutniku typu D i przy zatrzasku podawane na odpowiednie piny układu FPGA. Zmienna o nazwie EX0 do EX3 steruje przekaźnikami PZ1 do PZ4. Aby uniknąć niepotrzebnego załączania styczników podczas startu urządzenia, pin (Enable) bufora sterującego włączono na stałe do układu FPGA. Rys. 38. Układ odpowiadający za sterowanie przekaźnikami Ze względu na jedno wolne wejście w przetworniku A/C, użyto multipleksera. Sygnały dochodzące do wejść multipleksera są przełączane kolejno na wejście przetwornika A/C. Przełączaniem kanałów steruje mikroprocesor, informację z danego kanału otrzymujemy co 150ms. Przełączanie multipleksera analogowego polega na podaniu odpowiedniej kombinacji bitów na wejścia sterujące A0, A1 i A2. Układ odpowiadający za jego sterowanie (Rys. 39) działa analogicznie do układu z rysunku 38, dane są przesyłane w rejestrze 6 – W_REG6. Zmienna M, adresuje kolejne kanały multipleksera. Strona 35 Rys. 39. Układ odpowiadający za przełączanie multipleksera Wraz z odczytem danych z przetwornika A/C na czterech najstarszych bitach odczytywany jest adres kanału multipleksera. Rozwiązanie to umożliwia identyfikacje zmiennej, która została zatrzaśnięta na wejściu przetwornika A/C. Rys. 40. Układ do adresowania kanałów multipleksera Układ z rysunku 41. przekazuje do systemu sterowania informacje o wykryciu nocy przez czujnik zmierzchowy. Informacja czytana jest z rejestru R_REG15. Rys. 41. Układ odczytujący stan przekaźnika wyłącznika zmierzchowego Strona 36 2.8. Stanowisko Laboratoryjne Rys. 42. Elektronika sterująca Rys. 43. Solar Tracker – widok z boku Strona 37 Rys. 44. Solar Tracker – widok z tyłu Rys. 45. Solar Tracker – widok z przodu Strona 38 3. Analiza pracy Solar Trackera Na stanowisku zaimplementowano dwa algorytmy sterowania: różnicowy i zegarowy. Za pomocą programu TKombajn (Rys.6.1), można na bieżąco śledzić zmianę położenia ogniwa w obu płaszczyznach(p_poziom, p_pion), zmianę napięć różnicowych (roz_pozio, roz_pion), energię pobieraną przez obrotnicę (energia_trackera), moc uzyskana z baterii słonecznej (energia_ogniwa), napięcie oraz prąd ogniwa (UFV, IFV). W przypadku sterowania zegarowego program podaje nam wyliczoną pozycję Słońca (Azymut, Wysokość)z rozdzielczością 0,5 godziny. Rys. 46. Okno programu TKombajn – zadawanie i odczyt parametrów Aktywowania algorytmu sterowania odbywa się poprzez zadanie numeru: 1. Dla algorytmu różnicowego 2. Dla algorytmu zegarowego Funkcje algorytmu sterującego aktywowane są po zadaniu odpowiadającego mu numeru. Aby śledzenie przebiegło poprawnie, przy załączaniu sterowania układ musi znaleźć się w położeniu porannym oraz w odpowiedniej pozycji do południa – zgodnie z dołączonym do stanowiska kompasem i wskaźnikiem na podstawie urządzenia. Jeżeli jest w innej pozycji, niż wymagana, należy zmienić czułości zadziałania wyłącznika zmierzchowego, tak aby układ wykrył noc. Czujnik nie reaguje na nagłe zmiany oświetlenia, więc czasowy brak reakcji na zmierzch nie oznacza błędnego działania, jest to informacja ważna dla osób obsługujących urządzenie. Każde wykrycie zmierzchu to informacja dla programu, że należy ustawić Solar Trackera w pozycji porannej. Aby algorytm różnicowy mógł pracować, wymagane jest ustawienie wartości (ster) na 1 oraz wykrycie przez czujnik zmierzchowy dnia. Program uruchomi silniki obrotnicy gdy wartość napięcia różnicowego przekroczy +2V dla pierwszego fotoelementu lub –2V dla drugiego. Gdy wartość napięcia różnicowego znajdzie się pomiędzy +1,5V a –1,5V program Strona 39 blokuje zadziałanie przekaźników, bez względu na to jakie wartości zostaną dla nich wystawione w pozostałej części programu. Jest to zabezpieczenie, które zapewnia zatrzymanie śledzenia, gdy poziom napięć różnicowych znajdzie się w histerezie zdziałania. Aby śledzenie przebiegało płynnie, bez zbędnych ruchów na granicy zadziałania ±2V,wymagane było chwilowe podtrzymanie uruchamianego przekaźnika. Podtrzymanie przekaźnika utrzymuje się dla wartości napięcie różnicowego od +2V do +1,5V lub -2V do – 1,5V. Uruchomienie algorytmu zegarowego wymaga ustawienia wartości (ster) na 2 oraz wykrycia przez czujnik zmierzchowy dnia. Następną czynnością jest wpisanie dnia, w którym układ będzie śledził Słońce, zmienna (dzien) przyjmuje wartości od 0-365. Czas dla algorytmu sterowania jest uzyskiwany na podstawie liczby przerwań mikroprocesora. Przerwania są sumowane, a dla określonej liczby przerwań wystawiana jest wartość czasu w godzinach. Zgodnie z wcześniejszymi rozważaniami, układ aktywuje silniki obrotnicy, gdy różnica pomiędzy wyliczoną wartością położenia układu a rzeczywistą przekroczy 10°. Algorytm przyspieszono kilkakrotnie, ponieważ program TKombajn posiada ograniczony czas wykonywania pomiarów, który jest ograniczony do kilku minut. Aby trafnie ocenić poprawność działania śledzenia, na podstawie stanowiska, pod obrotnicą nakreślono miejsca wschodu i zachodu Słońca w ciągu roku. Aby sprawdzić poprawność wyliczania kątów dla poszczególnych dni korzystamy z wykresu – „Rys. 4. Wysokość i azymut Słońca dla Gdańska”, który jest dołączony do dokumentacji stanowiska w formie papierowej. Algorytm pozwala na jednoczesne pozycjonowanie baterii słonecznej w pionie oraz poziomie, zapewnia to bardzo płynne działanie urządzenia nawet przy znacznym skróceniu czasu. Dla potrzeb laboratorium, godzinę przeskalowano na 10s. Testy obu systemów sterowania przeprowadzone na stanowisku badawczym, pozwalają zweryfikować ich zalety i wady przedstawione w rozdziale „Systemy Sterowania”. W przypadku algorytmu różnicowego, wymagana jest korekcja napięć różnicowych w pionie i poziomie, więc układ musi poruszać baterią w obu osiach. Do pracy sterowania zegarowego nie jest wymagany ruch w obu osiach. Drugą wadą sterowania różnicowego jest zwiększona ilość ruchów obrotnicy potrzebnych do pozycjonowania. Zwiększa to koszty sterowania i przyczynia się do szybszego zużycia elementów napędowych. Stosując algorytm zegarowy znamy ilość ruchów Solar Trackera, w czerwcu będzie ich 27 w poziomie i 4 w pionie. Układ jest więc 31 razy załączany w ciągu najdłuższego dnia w roku, dając tym samym a gwarancje otrzymania 33% zysku zastosowanego śledzenia. Strona 40 W celu weryfikacji poprawności działania układu sterowania, oraz jego dokładności niezbędne jest przeprowadzenie odpowiednich pomiarów kątów oraz napięć. Wykres 1 obrazuje wartości kąta obliczone dla dnia 22 czerwca, wykres 2 odzwierciedla reakcje układu na zadane położenie. Na tej postawie można stwierdzić, że układ poprawnie reaguje na zadawane wartości sterowania, osiągając dużą dokładność pozycjonowania. Dla kąta 150° dokładność pozycjonowania jest bliska 100%, dla pozostałych odchyłka wynosi niewiele ponad 1°. Wykres 1. Obliczone przez algorytm zegarowy wartości kąta azymutu Wykres 2. Pomierzone wartości kąta azymutu Następnym parametrem poddanym weryfikacji jest reakcja na zmianę położenia w pionie. Wykres 3 obrazuje wartości kąta obliczone dla dnia 22 czerwca, wykres 4 odzwierciedla reakcje układu na zadane położenie. Wartość kąta pionowego zawarta jest pomiędzy kierunkiem geograficznej północy a baterią słoneczną, stąd wykres 4 jest odwrócony. Gdy Słońce wschodzi kąt wynosi 0°, aby bateria była ustawiona prostopadle do promieni słonecznych, Solar Tracker musi ustawić ją pod kątem 90°. Układ nie reaguje na zmianę wartości wysokości powyżej kąta 40°, spowodowane jest to mechanicznym ograniczeniem wychylenia obrotnicy, której zakres kąta pracy wynosi 50°. Strona 41 Wykres 3. Obliczone przez algorytm zegarowy wartości kąta wysokości Wykres 4. Pomierzone wartości kąta wysokości Przyrównanie wyliczonych wartości kątów z ich wartościami rzeczywistymi z rysunku 4 – „Wysokość i azymut Słońca dla Gdańska”, pokazuje, że równania matematyczne zaimplementowane w algorytmie są poprawne. Poprzednie stanowisko laboratoryjne posiadało błędny zapis matematyczny ruchu Słońca, kształt charakterystyki był zgodny z ruchem Słońca po nieboskłonie, ale wartości katów azymutu i elewacji przyjmowały taka sama wartość dla wszystkich dni w roku, a ich wartości nie odpowiadały rzeczywistości. Zaimplementowane równia, są opracowane przez Toby Petersona, Justina Rice i JeffaValane z Uniwersytetu Cornell w Itace [28] i dostosowane do implementacji w procesorze SHARK. W celu weryfikacji poprawności działania sterowania różnicowego, przysłonięto kolejno pojedyncze fotodetektory. Wykres 5 obrazuje zmianę napięcia w zależności od stopnia przesłonięcia fotodetektorów odpowiadających za pozycjonowanie w poziomie. Wykres 5. Poziom napięcia różnicowego w poziomie Strona 42 Wykres 6. Zmiana położenia w poziomie Zmiana położenia baterii następuje, gdy napięcie różnicowe przekroczy wartość +2V lub -2V. Układ staruje z położenia porannego, do czasu 20s (odcinek 1) układ zmienia swoje położenie w poziomie w celu wyrównania napięć na obu fotodetektorach, na krótko stabilizuje się na 90° (Wykres 6). Przesłonięcie pierwszego fotodetektora w czasie 21,6s do 29,8s (odcinek 2), spowodowało powtórną zmianę położenie. Po odsłonięciu elementu układ stabilizuje się na osiągniętym położeniu, jest stabilny i nie reaguje na zmianę promieniowania rozproszonego co jest zasługą filtru polaryzacyjnego. Przesłonięcie drugiego fotodetektora w czasie od 70,5s do 95s (odcinek 3) powoduje zmianę położenia w przeciwną stronę, po jego odsłonięciu napięcie różnicowe znajduje się w histerezie zadziałania i system sterowania wyłącza obrotnice. Zmiana położenia dobywa się bardzo płynnie, bez zbędnych ruchów. Wykres 7. Poziom napięcie różnicowego w pionie Wykres 8. Zmiana położenia w pionie Strona 43 Pozycjonowanie w pionie działa analogicznie do pozycjonowania w poziomie. Na odcinku 1 (Wykres. 7) wymuszono wzrost napięcia różnicowego co skutkowało zmianą położenia w celu zrównania napięcia (Wykres 8). Prosty układ różnicowy spełnia swoje zdanie, pracuje poprawiane, a jego praca jest stabilna. Wykres 9. Zmiana temperatury W celu zabezpieczenia ogniwa przed przegrzaniem, mierzy się jego temperaturę. Na wykresie 9 temperatura się nie zmienia i ma wartość 30°C. Pomiar trwał krótko a ogniwo pracowało w pomieszczeniu, stad brak zmian temperatury. Strona 44 Instrukcja obsługi przetwornicy sterującej ogniwem 1. Otwieramy skrót do programu Kombajn znajdujący się na pulpicie oznaczony ikonką Oznaczenia zmiennych : UFV – napięcie na ogniwie IFV – prąd ogniwa Pin – moc ogniwa Usn_sk – napięcie skuteczne na silniczkach poruszających układ Isn_sk – prąd na silniczkach poruszających układ Psn – moc potrzebna na poruszanie silnikami energia_ogniwa - energia produkowana przez ogniwo energia_trackera – energia potrzebna na pracę silniczków w układzie 2. Po uruchomieniu programu należy wybrać przycisk Load program to processor Strona 45 3. Należy uruchomić przesyłanie informacji do procesora używając przycisku Send start command to processor 4. Następnie ściągnąć dane do programu poprzez naciśnięcie przycisku RD UWAGA! Nawet gdy solar tracker nie wykonuje ruchów, odświeżając przyciskiem RD dane energia_trackera się zwiększa. Nie wynika to z sumowania się energii zużywanej przez elektronikę, a z sumowania się niedokładności obliczeń wynikającego z konstrukcji procesora. 5. Aby zarejestrować pomiar wartości w czasie zmiennych widocznych w zakładce zmienne (czyli domyślnej zakładce po uruchomieniu programu kombajn), należy nacisnąć zakładkę rejestracja Strona 46 6. W zaznaczonym polu podać zmienne, których przebiegi będą rejestrowane 7. W oknie Registration time należy ustawić żądany czas rejestracji 8. Następnym krokiem do uzyskania wykresu jest naciśnięcie przycisku Uruchom Strona 47 9. Wczytanie zarejestrowanych danych z procesora DSP do programu - funkcja Transfer 10. Funkcja Wykres - fst : wyświetlenie zarejestrowanych przebiegów Zmienna energia_ogniwa jest energią oddaną do układu przez ogniwo. Zmienna energia_trackera jest energią, która jest pobierana przez obrotnicę. Program nie uwzględnia energii zużywanej przez elektronikę układu. Można jednak obliczyć jaką maksymalnie energię może zużywać elektronika układu, żeby opłacało się z punktu widzenia energetycznego uruchamiać śledzenie słońca (żeby energia oddana do sieci była większa niż energia pobrana z sieci). W tym celu wykorzystać zmienne energia_ogniwa i energia_trackera. Strona 48 Program ćwiczenia „Algorytmy śledzenia pozycji słońca” 1. Zapoznać się ze stanowiskiem laboratoryjnym, 2. Uruchomić układ śledzenia słońca; 3. Określić dokładność śledzenia słońca i ocenić wpływ strefy histerezy na pracę układu, 4. Zbadać wpływ światła odbitego i rozproszonego. 5. Uruchomić układ programowego nadążania za słońcem. Sprawdzić i ocenić jego działanie. 6. Policzyć co jaki czas musi być załączany mechanizm śledzenia aby strata energii była mniejsza niż np. 1%, 2%, 5%. Jaki wpływ ma pora roku i godzina? 7. Zarejestrować moc oddawaną przez ogniwo oraz moc pobieraną przez układ nadążania. 8. Wyznaczyć krytyczną wartość nasłonecznienia, przy której załączenie układu nadążania za słońcem jest efektywne ekonomicznie. 9. Zbadać wpływ efektu częściowego przesłonięcia dla badanego ogniwa. Strona 49 4. Źródła [1]. Pancewicz Piotr „Dwuosiowy układ śledzenia słońca” - praca magisterska [2]. Jastrzębska G., Odnawialne źródła energii i pojazdy proekologiczne, WNT, 2008 [3]. Krawiec F., Odnawialne źródła energii w świetle globalnego kryzysu energetycznego. Wybrane problemy, Difin, 2010 [4]. Klugmann-Radziemska E., Fotowoltaika w teorii i praktyce, BTC, Legionowo, 2010 [5]. Frydrychowicz – Jastrzębska G., Rotman D., Optymalizacja pracy ogniwa fotowoltaicznego, Przegląd Elektrotechniczny 04/2003 [6]. Szwedowski Ł., Efektywność algorytmów poszukiwania optymalnego położenia baterii słonecznych, Politechnika Gdańska, 2009 [7]. Kudela W., Dwupłaszczyznowy układ sterowania nadążnego za Słońcem, Politechnika Gdańska, 2008 [8]. Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego „Badanie wpływu częściowego przesłonięcia na charakterystyki ogniwa fotowoltaicznego” Politechnika Gdańska, 2009 [9]. www.pvs.agh.edu.pl/pl/ dostęp 04.04.2011 [10]. www.sunearthtools.com dostęp 05.04.2011 [11]. http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/ dostęp 05.04.2011 [12]. www.solar-trackers.com/ dostęp 07.04.2011 [13]. http://wiadomosci.wp.pl/kat,1342,title,Odkrycie-polskich-naukowcowzrewolucjonizuje-swiat,wid,13291121,wiadomosc_prasa.html?ticaid=1c17b 07.04.2011 [14]. http://pl.wikipedia.org/wiki/Polaryzacja_fali dostęp 07.05.2011 [15]. www.fizyka.net.pl dostęp 07.05.2011 [16]. http://www.kubler.pl/ dostęp 16.05.2011 [17]. http://sklep.avt.com.pl/p/pl/481552/potencjometr+10kom2w.html dostęp 16.05.2011 [18]. http://sklep.avt.pl/p/pl/48997/wlacznik+zmierzchowy+zestaw+do+samodzielnego+mont azu.html dostęp 16.05.2011 [19]. www.indel.pl dostęp 17.05.2011 [20]. http://www.politykaglobalna.pl/2009/08/desertec-pustynne-marzenia/ 07.06.2011 [21]. http://www.memorizer.pl/news/elektrownie-sloneczne-na-orbicie,74.html 07.06.2011 [22]. http://instruct1.cit.cornell.edu/Courses/ee476/FinalProjects/s2005/ 12.06.2011 [23]. http://www.label.pl/po/rek747.html 12.06.2011 [24]. " HELIOS -symulator pozornego ruchu Słońca, sterowany sterownikiem ADAM 5510" [25]. http://www.reuk.co.uk/Effect-of-Temperature-on-Solar-Panels.htm 14.06.2011 Strona 50
