Microprocesoare şi automate programabile Laborator 3 – Sistem de orientare a unui panou fotovoltaic

1/7

SISTEM DE ORIENTARE A PANOULUI FOTOVOLTAIC CU AJUTORUL UNUI MICROCONTROLER

3.1. Sisteme de orientare Eficienţa panourilor fotovoltaice este influenţată direct de poziţia acestora faţă de radiaţia

solară. Dacă este posibil de ales este foarte simplu de determinat orientarea ideală a captatoarelor: se plasează pe direcţia ecuatorului. Dacă montarea este în emisfera nordică, captatorul va fi orientat către sud, iar în emisfera sudică, către nord.

Un sistem de orientare este un mecanism care permite orientarea celulelor fotovoltaice şi/sau a captatoarelor solare spre Soare.

Fig. 3.1. Mişcarea aparentă a Soarelui

Radiaţia solară este o funcţie variabilă ce depinde de mai mulţi factori: latitudinea şi altitudinea locului, anotimpul, ziua, ora, gradul de nebulozitate, conţinutul de praf, vapori de apă şi aerosoli în atmosferă.

Sistemele de orientare după Soare sunt sisteme mecanice/mecatronice destinate orientării sistemelor de conversie a energiei solare, în aşa fel încât razele solare să se propage pe direcţia normală la planul descris de suprafaţa receptoare.

Posibilităţile de orientare a panourilor fotovoltaice sau captatoarelor solaro-termice sunt: a. suprafaţă de captare fixă

Fig. 3.2. Suprafaţă de captare fixă

Nord Sud

Est

Vest

Răsărit Vara

Apus Vara

Răsărit Iarna

Apus Iarna

zenit

N

S

β

β

θi

Nord

Est NN

NE

Nzenit γs

Microprocesoare şi automate programabile Laborator 3 – Sistem de orientare a unui panou fotovoltaic

2/7

b. suprafaţă de captare orientată după o axă

c. suprafaţă de captare orientată după două axe 3.2. Microcontrolerul Un microcontroler este un microcircuit care încorporează o unitate centrală (CPU) şi o

memorie, împreună cu resurse care-i permit interacţiunea cu mediul exterior. Componentele externe sunt conectate prin magistrale externe: denumite magistrale de adrese, date şi control .

Resursele integrate la nivelul microcircuitului ar trebui să includă, cel puţin, următoarele componente:

unitate centrală (CPU), cu un oscilator intern pentru ceasul de sistem; o memorie locală tip ROM/PROM/EPROM/FLASH şi eventual una de tip RAM; un sistem de întreruperi; I/O - intrări/ieşiri numerice (de tip port paralel sau măcar multiplexate); un port serial de tip asincron şi/sau sincron, programabil; un sistem de timere - temporizatoare/numărătoare programabile.

PIC este o familie de microprocesoare arhitectură Harvard făcută de Microchip

Technology. Sunt disponibile actualmente sub forma a 3 serii: pe 8 biţi (PIC10, PIC12, PIC16 şi PIC18), pe 16 biţi (PIC24F, PIC24H, dsPIC30 şi dsPIC33) şi pe 32 de biţi(PIC32).

Programarea se realizează, de regulă, în medii de programare IDE (Integrated Development Environment) dezvoltate, de regulă, de către producători, ele având la bază limbajul C sau în limbaj de ansamblare.

Axa de rotaţie

N

S

V

E Înclinaţia panoului

Fig. 3.3. Sistem de orientare după o axă

Axa de rotaţie

N

S

V

E

Axa de rotaţie

Fig. 3.4. Sistem de orientare după două axe

Microprocesoare şi automate programabile Laborator 3 – Sistem de orientare a unui panou fotovoltaic

3.3. Sistem de orientare a panoului fotovoltaic cu ajutorul unui microcontroler Conversia fotovoltaică reprezintă conversia directă a radiaţiei solare în energie electrică

cu ajutorul celulelor solare. Mai multe celule fotovoltaice conectate serie-paralel alcătuiesc un panou fotovoltaic.

Se urmăreşte orientarea unui panou fotovoltaic după Soare în mod automat cu un consum cât mai mic de energie şi totodată producerea unei cantităţi cât mai mare de energie.

Pentru îndeplinirea sarcinii, se va utiliza un servomotor de curent continuu de tipul HSR-5980SG pentru orientarea panoului şi se va realiza o structura de conducere bazată pe microcontrolerul PIC 16F690.

a. Panoul Fotovoltaic Panoul este de tipul RB-low-19 (PowerFilm WeatherPro) care poate debita o tensiune de

15,4 V şi un curent maxim de 200 mA.

Fig. 3.5. Panoul fotovoltaic

b. Servomotorul de curent continuu de tipul HSR-5980SG Servomotorul pentru acţionare: are un gabarit mic, permite o poziţionare precisă, consum

mic de energie, cuplu mare.

a. b. c. Fig. 3.6. Servomotorul: a. vedere de ansamblu; b. vedere internă asupra transmisiei;

c. vedere internă asupra circuitului intern de control c. Circuitul electronic Circuitul electronic reprezintă „creierul” acestui sistem, şi este construit în jurul unui

microcontroler de la Microchip, un microcontroler cu arhitectură pe 8 biţi, PIC16F690. Logica de interconectare şi alegere a componentelor este următoarea:

circuitul stabilizator, L7805 furnizează nivelul logic pentru componentele digitale. circuitul convertor DC-DC, LM317C are capacitatea de a furniza o tensiune între 1,5 V şi

4 V. Această tensiune este reglabilă prin intermediul potenţiometrului RV2. MAX232 este un circuit digital care permite o comunicaţie între două echipamente (fie că

este vorba de microcontroler-microcontroler, fie că este vorba de echipamente diferite). Acesta realizează conversia semnalului la forma dorită, dar totodată asigură şi o decuplare galvanică.

3/7

Microprocesoare şi automate programabile Laborator 3 – Sistem de orientare a unui panou fotovoltaic

Fig. 3.7. Circuitul electronic, vedere de ansamblu şi explicitarea componentelor

motorul de curent continuu de tipul HSR-5980SG. senzorul 1 şi 2 reprezintă de fapt un fotorezistor LDR07 care îşi variază rezistenţa

sub influenţa luminii între 10 kΩ şi 65 kΩ. Unul din pinii de conversie ai microcontrolerului va citi tensiunea care cade pe fotorezistor. Programul de funcţionare:

#include "16F690.h" //headerul microcontrolerului, locul unde sunt definite adresele de memorie #device ADC=10 //definirea numărului de biţi pentru conversia analog-numerică #use delay(clock=4000000) //setarea ceasului intern de funcţionare la 4MHz void stanga(int16 x, int16 y, int16 z, int16 w) //funcţia de rotire la stanga repeta_stg: set_adc_channel(4); //setarea canalului de conversie A-N nr 4 x=read_adc(); //citirea valorii pe senzor1 set_adc_channel(5); //setarea canalului de conversie A-N nr 5 y=read_adc(); //citirea valorii pe senzor1 z=x-y; if(z > 10) output_high(PIN_C7); //activarea tranzistorului 2N2222 output_high(PIN_C5); //semnalul de ON al PWM delay_us(w); //timpul cat semnalul PWM sta ON output_low(PIN_C5); //semnalul de OFF al PWM delay_us(2100-w); //timpul cat semnalul PWM sta OFF w=w-5; //decrementarea timpului de ON-rotirea spre stanga goto repeta_stg; //verificarea din nou a pozitiei output_low(PIN_C7); //dezactivarea tranzistorului void dreapta(int16 x, int16 y, int16 z, int16 w) //funcţia de rotire la dreapta

4/7

Microprocesoare şi automate programabile Laborator 3 – Sistem de orientare a unui panou fotovoltaic

repeta_dr: set_adc_channel(4); //setarea canalului de conversie A-N nr 4 x=read_adc(); //citirea valorii pe senzor1 set_adc_channel(5); //setarea canalului de conversie A-N nr 5 y=read_adc(); //citirea valorii pe senzor1 z=y-x; if(z > 10) output_high(PIN_C7); //inchiderea circ. pt. motor output_high(PIN_C5); //semnalul de ON al PWM delay_us(w); //timpul cat semnalul PWM sta ON output_low(PIN_C5); //semnalul de OFF al PWM delay_us(2100-w); //timpul cat semnalul PWM sta OFF w=w+5; //incrementarea timpului de ON-rotirea spre dreapta goto repeta_dr; //verificarea din nou a pozitiei output_low(PIN_C7); void main() int i; //declararea unei variabile de tip întreg pe 8 biţi (0...255) int16 a, b, c, d, e=1500; // declararea unei variabile de tip întreg pe 16 biţi setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); //setarea ceasului intern pentru conversia A-N setup_adc_ports(sAN4); //setarea portului de conversie - efect direct către MUX setup_adc_ports(sAN5); setup_adc_ports(sAN6); while(1) //crearea unei bucle infinite - rularea programului la nesfârşit set_adc_channel(6); //setarea canalului de conversie A-N nr 6 d=read_adc(); //citirea valorii tensiunii furnizate de panou while(d > 232) //panoul furnizeaza peste 13V set_adc_channel(4); //setarea canalului de conversie A-N nr 4 a=read_adc(); //citirea valorii pe senzor1 set_adc_channel(5); //setarea canalului de conversie A-N nr 5 b=read_adc(); if(a > b) //daca senzor stg. este mai luminat decat dr. c=a-b; if(c > 10) stanga(a,b,c,e); //mutare panou catre stanga if(a < b) //daca senzor dr. este mai luminat decat stg. c=b-a; if(c > 10) dreapta(a,b,c,e); //mutare panou catre dreapta

5/7

Microprocesoare şi automate programabile Laborator 3 – Sistem de orientare a unui panou fotovoltaic

delay_ms(1000); //timpul de asteptare pana la o noua scanare set_adc_channel(6); //setarea canalului de conversie A-N nr 6 d=read_adc(); //citirea valorii tensiunii furnizate de panou if(d < 186) //daca panoul furnizeaza mai putin de 13V(a iesit din bucla precedenta) dar nu mai putin de 12,4V output_high(PIN_C7); //inchiderea circ. pt. motor output_high(PIN_C5); //semnalul de ON al PWM delay_us(700); //timpul cat semnalul PWM sta ON-ducerea catre rasarit a panoului pt a doua zi output_low(PIN_C5); //semnalul de OFF al PWM delay_us(1000); //timpul cat semnalul PWM sta OFF output_low(PIN_C7);

3.4. Date experimentale Pentru sistemul de orientare a unui panou fotovoltaic realizat s-au făcut măsurători având ca scop evidenţierea creşterii tensiuni şi implicit a energiei produse de panou atunci când acesta este orientat.

Tabelul 3.1. Măsurători realizate Tensiunea produsă

de panou Up [V] Ora

fără orientare

cu orientare

Tensiunea de alimentare

motor Um [V]

Curentul absorbit de

motor Im [A]

Puterea consumată de motor

P [W]

Tensiunea de

încărcare baterie Ub [V]

Curentul de

descărcarebaterie Ib

[A] 08.00 09.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 Atunci când circuitul electronic este în stand-by curentul absorbit este de 11,2 mA, iar când panoul fotovoltaic este orientat circuitul electronic absoarbe un curent de 320 mA (curentul absorbit de motor şi curentul absorbit de componentele electronice).

3.5. Concluzii În urma studiului realizat se desprind următoarele concluzii:

în cazul în care panoul fotovoltaic ar fi orientat după două axe cantitatea de iradiaţie globală captată este maximă, deoarece pe suprafaţa panoului radiaţia solară cade perpendicular, deci cosinusul unghiul de incidenţă este zero.

în cazul în care orientarea panoului se realizează după o singură axă, cantitatea de

6/7

Microprocesoare şi automate programabile Laborator 3 – Sistem de orientare a unui panou fotovoltaic

iradiaţie captată se reduce, deoarece cosinusul unghiul de incidenţă este diferit de zero. în urma măsurătorilor realizate se constată că tensiunea produsă de panou atunci când

acesta este orientat după o axă este mai mare decât tensiunea produsă de panou atunci când acesta este poziţionat după un unchi optim anual.

consumul circuitului electronic este mai mic decât diferenţa dintre cantităţile de energie captate în cele două cazuri (panou orientat după o axă şi panou montat sub un unghi fix).

în general radiaţia solară captată de un panou orientat după o axă este cu 30% mai mare decât radiaţia solară captată de panoul montat sub un unghi fix.

7/7