Analiza Performanțelor Sistemului De Urmărire Solară Cu Dublă Axă(2) [307247]

1.[anonimizat], vântul, ploaia, [anonimizat] (în mod natural refăcute) [1]. Furnizează 19% din producția de energie electrică la nivel mondial. [anonimizat], gaze și cărbune sunt în curs de epuizare. [anonimizat], a fost identificată de guvern drept cea mai bună inițiativă pentru a rezolva această problem. Energia din surse regenerabile în UE a crescut puternic în ultimii ani. [anonimizat] a ajuns la o [anonimizat] 8,5 % în 2004 până la 17,0 % în 2016. [anonimizat] o reducere a [anonimizat] ([anonimizat] a gazelor). [anonimizat], potențialul de a [anonimizat] „verzi”.[7]

1.1.[anonimizat], soarele fiind unul dintre ele. [anonimizat] a ne oferi energie solară nelimitată. Depinde complet de noi modul în care vom folosi această energie abandonată. [anonimizat] o [anonimizat] [13]. [anonimizat]-o criză gravă a energiei electrice. Există multe zone rurale care sunt încă lipsite de minunata energie electrică. Datorită locației geografice a [anonimizat] 300 de zile pe an. [anonimizat]-o locație mult mai bună pentru utilizarea energiei solare. Poate fi folosit și în zone în care nu există nici o conexiune la rețea. [anonimizat], ne-[anonimizat], țara noastră împreună cu întreaga lume vor beneficia de această sursă de energie regenerabilă.

2.Tipuri de energii

În căutarea deszoltarii noi energii regenerabile s-au căutat și se caută în continuare noi surse de energii.[anonimizat]:

-energie eoliană;

-energie geotermală;

-energia valurilor;

-biomasa;

-energia solară.

[anonimizat]-28 a [anonimizat], reprezentând 49,4 % din producția primară de energie din surse regenerabile în 2016 . Energia hidroelectrică s-a aflat pe locul al doilea în ceea ce privește contribuția la mixul energetic din surse regenerabile (14,3 % din total), fiind urmată de energia eoliană (12,4 %). Deși nivelurile corespunzătoare de producție au rămas relativ scăzute, a existat o expansiune deosebit de rapidă a [anonimizat] o pondere de 6,3 % din energia din surse regenerabile a UE-28 produsă în 2016, în timp ce energia geotermală a reprezentat 3,2 % din total. În prezent, nivelurile producției de energie a mareelor, a valurilor și a mării sunt foarte scăzute, aceste tehnologii putând fi găsite în principal în Franța și în Regatul Unit.[7]

3.Energia Eoliană

Ca urmare a încălzirii differențiate a atmosferei de către soare și a forței Coriolis impreună cu mișcarea de rotație a Pămantului,apar ample mișcari a maselor de aer ,ducând la clasificarea ca fiind forma de energie solară indirectă.

Deplasarea curenților crește odată cu înălțimea pâna când ajunge la o valoare stabilă undeva la 2000m.

3.1 Tipuri de turbine

În prezent pe piața sunt mai multe tipuri de turbine:

Fig.2 Tipuri de turbine eoliene,după orientarea axei rotorului:rândul superior-ax orizontal,rândul inferior-ax vertical [14]

Turbine cu ax vertical:

-Turbina Darrieus;

-Turbina Savonius.

Turbine cu ax orizontal:

Ele sunt cele mai raspandite,clasificându-se in funcție de amplasarea sistemului in raport cu vântul.

3.2 Probleme asupra mediului

Problemele asupra mediului sunt create de parcurile de turbine de mare capacitate care acoperă o suprafață vasta și se află în apropierea ariilor populate sau protejate.S-a raportat și analizat următoarele categorii de probleme:

-impact vizual;

-zgomotul;

-impactul ecologic local;

-utilizarea terenului;

-efectele asupra semnalelor electromagnetice(radio,TV,radar)

3.3 Efectele asupra faunei:

De la apariția parcurilor s-a manifestat îngrijorări privind impactului asupra pasărilor.

S-a constatat că ele preferă să evite zonele în care sunt parcurile de turbine dar se pare că rata de mortalitate este neglijabilă în comparație cu efectele vânătorii,traficului auto,liniilor de înalta tensiune și clădirilor înalte.

S-a propus evitarea construcțiilor parcurilor în zonele de fauna intensă și pe traseele speciilor migratoare.

Pentru parcurile deja existente la data implementării legilor,s-au luat măsuri de precauție:exemplu-Parcul Penascal Wind Power din Texas,a implementat un sistem radar care oprește parcul în momentul în care detectează pasările pe o raza de 6 km ,repornind după trecerea acestora.Pentru siguranță liliecilor,populație care a fost foarte impactata după construirea parcurilor s-a implementat emițătoare de microunde ,ajutând liliecii să evite parcurile

.

4.Energia geotermală

Este energia care este stocată in interiorul Pamântului,provenind din energia primordială formarii planetei(aproximativ 20%) si descompunerea mineralelor radioactive(80%).Deși nu se reimprospatează, este considerata sustenibilă deoarece este nepoluantă si extracția este nesemnificativă in raport cu cantitatea disponibilă[15].

4.1 Conversia energiei geotermale

Exista 3 tipuri de centrale geotermale:

a)Uscate;

Fig.3 Principiul de funcționare al centralelor uscate

b)Flash;

Fig.4 Principiul de funcționare al centralelor flash

c)Centrale cu ciclu binar:

Fig.5 Principiul de funcționare al centralelor cu ciclu binar

4.2 Impactul asupra mediului

Funcționarea centralelor sunt insoțite de emisii de hidrogen sulfurat,bioxid de carbon,amoniac,metan,bioxid de sulf dar toate acestea aflate în amestec cu aburul și/sau apa geotermală

,fiind considerate una dintre cele mai curate forme de exploatare a energiei regenerabile.

5.Energia valurilor

Se face referire la potențialul energetic al oceanelor și mărilor ,în energia termică inmagazinată de straturile de apă de suprafată,sub influența radiațiilor solare și a energiei mecanice furnizată de valuri,de maree și curenți marini.

Valurile pot fi clasificate în:

-Valuri de vânt;

-Valuri gravitaționale;

-Valuri staționare;

-Valuri seismice;

-Valuri de nava.

5.1 Impactul asupra mediului

Până în prezent se pare că majoritatea efectelor sunt pozitive,inafară de activitatea piscicolă,activitatea care este afectată daca prezența parcurilor este dezvoltată sau dacă dimesiunea este mare.Celelalte efecte au doar rezultat pozitiv,incepând cu creșterea semnificativă a prezenței organismelor marine la creșterea diversitaților de pești deoarece aceste zone devin protejate.

Informațiile de ultimă oră se pot controla pe platforma online Tethys[16]

6. Biomasa

Termenul de biomasă face referire la materia organică ce se poate transforma în energie.Fotosinteza este procesul de obținere a energiei chimice utilizând energia solară.

Principalele resurse ce pot fi utilizate sunt:

-materia lemnoasă;

-reziduri vegetale;

-reziduri animale;

-culturi și plante dedicate valorificării energetice;

-unele reziduri alimentare.

6.1 Valorificarea energiei

Fig.6 Metode primare de valorificare a biomasei(17)

7. Conversia energiei solare

Energia solară este curată și disponibilă din abundență. Tehnologiile solare folosesc soarele pentru a furniza căldură, lumină și electricitate. Acestea sunt pentru aplicații industriale și interne. Situatia de epuizare a principalelor surse de energie convenționale, cum ar fi petrolul, cărbunele și gaz natural, cuplat cu situatia mediului cauzate de procesul de valorificare a acestor energii , a devenit o necesitate urgentă de a investi în surse regenerabile de energie. Potențialul energetic al soarelui este imens.

Conversia energiei solare se imparte in 2 mari categorii:

-Conversia in energie termică;

-Conversia in energie electrică.

7.1 Conversia in energie termică

Multe forme de energie regenerabile au că o prima sursă energia solară.În Europa,energia solară a razelor incidente este intre 200 și 1000 W/m2,în funcție de de condițiile climatice,de perioada anului și de latitudine.

Sistemele solare de căldură se împart în doua mari categorii:

7.1.1Sisteme solare active:

a)Sisteme solare active directe-pompează apa necesară către colectorul solar,deși nu sunt indicate în zone predispuse înghețării.

Fig.7 Sistem solar activ

b)Sisteme solare indirecte-ele dispun de un circuit închis din care face parte și colectorul solar.

7.1.2 Sisteme solare pasive

Acestea nu dispun de pompe și sunt :

a)Cu circularea apei prin efectul de termosifon-permite circulatia apei în mod natural ca urmare a diferențelor de temperatură dintre zonele reci și calde ale circuitului.

Fig.8 Sistem cu circulare cu efect de termosifon

b)De tip integrat-apa circulă catre colector datorita presiunii din rețeaua de alimentare.

Din punct de vedere al fiabilității,al prețului și al costului de întreținere ,sistemele pasive sunt mult mai avantajoase în comparație cu cele active,deoarece nu au componente electrice,însă au și dezavantaje,ca de exemplu eficiența mai scăzută,rezervorul trebuie să fie montat mai în sus decât colectorul,nu funcționează în caz de vreme rece,nu are protecție la supraîncălzire.

7.2 Conversia energiei solare în energie electrica

Soarele oferă energie prin intermediul radiației electromagnetice. Există o fuziune solare care rezultă de la temperatura și presiunea intensă la centrul soarelui. Protonii se transformă în atomi de heliu la 600 milioane de tone pe secundă. Deoarece rezultatul procesului are o energie mai scăzută decât protonii care au început, fuziunea dă naștere unei mulțimi de energie sub formă de raze gama care sunt absorbită de particule în soare și re-emise.

Puterea totală a soarelui poate fi estimată prin legea lui Stefan și Boltzmann.

P=4πr2 σϵT4 W [28]

T este temperatura de aproximativ 5800 K, r este raza soarelui care este de 695800 km și σ este constanta Boltzmann care este de 1.3806488 × 10-23 m2 kg s-2 K-1. Emisivitatea suprafeței este notată cu ε. Din cauza legii faimoase a lui Einstein E = mc2, milioane de tone de materie sunt transformate în energie în fiecare secundă. Energia solară care este iradiată pe pământ este de 5.1024 jouli pe an. Acesta este de 10000 de ori mai mare decât consumul global actual de energie pe an.

Radiațiile solare de la soare sunt primite în trei moduri: directe, difuze și reflectate

Radiația directă: se referă și la radiația fasciculului și reprezintă radiația solară care se deplasează pe o linie dreaptă de la soare la suprafața pământului.

Radiația difuză: este descrierea luminii solare care a fost împrăștiată de particule și

moleculele din atmosferă, dar reușesc încă să atingă suprafața pământului. Radiațiile difuze nu au

nici o direcție definită, spre deosebire de versiunile directe.

Reflectarea radiațiilor: descrie lumina soarelui care a fost reflectată de la

Suprafețe non-atmosferice precum solul [29].

Luandu-se în considerare consumul energetic actual și nivelul mondial al populației, radiația de la suprafața Pământului poate asigura constant aprozimativ 20GWpentru fiecare locuitor[18].Tehnologiile de conversie de conversie a radiației în energie electrică sunt numeroase.

Cea care primează e cea a folosirii panourilor fotovoltaice realizandu-se direct conversia în curent continuu prin folosirea materialelor semiconductoare cu efect fotoelectric.Această soluție se poate folosi la orice scară începând de la nivelul residential până la parcuri de dimensiuni foarte mari.

Conform standardelor internaționale ,modulele sunt evaluate utilizând un indice al aerului,AM=1,5.Indicele definește gradul de absortie absortie a energiei în funcție de distanța care este parcursă prin atmosfera terestră.(Fig.9)

Fig.9 AM-indicele de masă al aerului.

Înainte de patrundere in atmosferă AM=0,în cazul radiantei constante,respectiv 1367 W/m2.

AM=1 corespunde traiectorie perpendiculare (cel mai scurt traseu prin atmosferă al radiației catre Pamânt)

AM=1.5 corespunde faptului ca traseul este cu 50% mai lung decât AM 1,corespunzând unui unghi egal cu 41,8 grade.

Fig.10 Intensitatea radiației pentru AM 0 si AM 1,5[19]

Distribuția spectrală se măsoară în W/m2µm și este intensitatea radiației pentru lungimea de unda,determinându-se prin orice indice de masă .În vederea efecientizarii maxime se

folosesc materiale ce convertesc pentru lungimile de unda de mare intensitate, radiația solară în electricitate.

În ultimii zece ani, multe zone din întreaga lume au folosit sistemul solar electric că o sursă de rezervă pentru casele lor. Acest lucru se datorează faptului că energia solară, care este energia derivată din soare prin radiație, este, de asemenea, o resursă nelimitată de energie și va deveni din ce în ce mai importantă pe termen lung pentru furnizarea de lumină, căldură și energie tuturor lucrurilor vii [2 ].

Fotometria ne permite să determinăm cantitatea de lumină dată de Soare în termeni de strălucirea percepută de ochiul uman. În fotometrie, o funcție de luminozitate este folosită pentru puterea radiantă la fiecare lungime de undă pentru a da o greutate diferită unei anumite lungimi de undă modelând sensibilitatea umană la luminozitate . Determinările fotometrice au început încă de la sfârșitul secolului al XVIII-lea, rezultând numeroase unități de măsură diferite, dintre care unele nu pot fi nici măcar convertite datorită sensului relativ al luminozității. Cu toate acestea, fluxul luminos (sau lux) este utilizat în mod obișnuit și este măsura puterii percepute a luminii. Unitatea lui, lumenul, este definită concis ca fiind fluxul luminos al luminii produse de o sursă de lumină care emite o candelă de intensitate luminoasă pe un unghi solid de un steradian. Candela este unitatea în SI a intensității luminozității și este puterea emisă de o sursă de lumină într-o anumită direcție, ponderată de a funcția de luminozitate, în timp ce un steradian este unitatea SI pentru un unghi solid; bidimensional un unghi în spațiul tridimensional pe care un obiect îl subordonează într-un punct.

Un lux este echivalent cu un lumen pe m2

1 lx = 1lm∙m= 1 cd∙sr∙m [28]

Fig.11 Evoluția anuală europeana pentru instalații PV 2000-2014[25]

În 2016, stocul de energie din surse regenerabile în UE a fost de echivalentul a 211 milioane de titei. Cantitatea de energie din surse regenerabile produsă în cadrul UE-28 a crescut per ansamblu cu 66,6 % între 2006 și 2016, echivalentul unei creșteri medii de 5,3 % pe an.

Fig.12 Predicțiile marketului anual global până în 2019[25]

Cererea energetică ,mai ales cea regenerabilă a ajuns la un punct de referință în special în ultima perioadă ,specialiștii spunând că fenomenul al PV pot aduce o schimbare importantă din punct de vedere al productivității .

Procesul care a început cu 10-15 ani în urmă ,a ajuns la o fază în care se iau decizii importante în privință schimbării energetice mondiale.

Fig.13 Harta mondială a intensității solare[11]

România se găsește într-o zonă geografică cu acoperire solară cu un flux anual de energie solară cuprinsă între 1000 kWh / m² / an și 1300 kWh / m² / an. Din această cantitate de energie se pot capta între 600 și 800 kWh / m² / an. Radiația medie zilnica poate fi de 5 ori mai intensă decât vara. Dar și pe timp de iarnă, în decursul unei zile senine, se pot capta 4 – 5 kWh / m² / zi, radiația solară fiind independentă de temperatura mediului ambiant. [8]

Fig.14 Harta intensității solare in România[11]

8.Sistemele de urmărire solară

8.1 Generalități

Un tracker solar este un dispozitiv care ține evidența soarelui. Urmează calea soarelui în timpul zilei cu ajutorul senzorilor. De la poziția soarelui pe cer modificările cu timpul și unghiul de altitudine și unghiul azimutului variază continuu, dispozitivele de urmărire solară sunt utilizate pentru alinierea sistemului de colectare a energiei. Dispozitivele de urmărire solară sunt utilizat pentru panouri solare în centralele solare, unde este de dorit generarea de energie la limita maximă. Deci, în sistemele de urmărire a energiei solare, panourile solare sunt montate pe structura care se mută pentru a urmări mișcarea soarelui pe parcursul zilei. Concentrarea energiei termice prin dispozitive optice (oglindă, prismă și lentilă), de asemenea necesită urmărirea solare.

8.2 Tipuri de trackere

Există diferite categorii de tehnologii moderne de urmărire a energiei solare.

8.2.1 Trackere pasive

Acestea utilizează un gaz lichid comprimat cu punct de fierbere scăzut care se plimbă dintr-o parte în alta determinând tracker-ul să se miște.Nu este foarte precis de aceea nu este prea folosit la multe tipuri de trackere dar poate fi folosit la panourile commune .Aceste au consistență vâscoasă ceea ce împiedică mișcarea excesivă la rafalele de vânt [20]

8.2.2 Trackere cronologice

Un tracker cronologic contracarează rotația pământului prin rotirea cu aceeași viteză că și pământ relativ la soare în jurul unei axe care este paralelă cu pământul. Pentru a realiza acest lucru, este conceput un mecanism de rotație care permite sistemului să se rotească pe parcursul zilei într-un a în mod predefinit, fără a analiza dacă soarele este acolo sau nu. Sistemul se întoarce la o viteză constantă pe zi sau de 15 grade pe oră. Dispozitivele cronologice sunt foarte simple și pot fi foarte precise.

8.2.3 Trackere active

Dispozitivele de urmărire active folosesc motoare pentru a direcționa tracker-ul folosind poziția soarelui care este monitorizată de-a lungul timpului ziua. Atunci când dispozitivul de urmărire este supus la întuneric, acesta se adoarme sau se oprește în funcție de proiectant. Acest lucru se face folosind senzori sensibili la lumină, cum ar fi LDR-uri. Ieșirea lor de tensiune este pus într-un microcontroler care conduce apoi mecanismele de acționare pentru a regla poziția panoului solar [20].

Fig.15 Trackere solare cu o axă si cu axă dublă

8.2.3.1 Trackere cu o singura axă

Sistemele cu o singura axă realizează mișcare fie de elevație fie de azimuth.Această mișcare este determinată de tehnologia folosită cât și de spațial unde este folosit.Sistemul cu o singură axă se poate mișcă pe un singur plan ,fie el orizontal sau vertical.Acest fapt îl face mai simplu,mai ieftin dar și mai puțin eficient în comparative cu sistemul pe 2 axe.

Sistemele cu o singură axă realizează mișcare fie de elevație fie de azimuth.Această mișcare este determinată de tehnologia folosită cât și de spațial unde este folosit.Sistemul cu o singură axă se poate mișcă pe un singur plan ,fie el orizontal sau vertical.Acest fapt îl face mai simplu,mai ieftin dar și mai puțîn eficient în comparative cu sistemul pe 2 axe (VSAT).

8.2.3.2 Trackere cu axă dublă

Trackere-le cu axă dublă au 2 planuri de mișcare în același timp, deci ele au posibilitatea de a se poziționa perfect către soare indiferent de timp sau loc.Acest sistem asigura o performanță ridicată.

9. Panourile solare

Panourile solare fotovoltaice sunt formate din celule solare ele captând energia solară transformând-o în energie electrică.Materilul cel mai des folosit este siliciul.Randamentul acestora atinge valori de 25% în situații standard(iradiația luminii incidente perpendicular :1000 W/m2,temperature cellule :25oC,AM 1.5)

Pentru a reduce costurile de producție ,laboratoarele au pus la punct cellule în strat subțire,compuse din material ieftine(cupru,cadmiu,galiu,indiu,siliciu și teluriu).Ultimele rapoarte confirmă eficienta acestorade până la 20,3%[21].

O semnificativă creștere,de aproximativ10%s-a obținut prin folosirea a 3 straturi care convertesc 3 secțiuni al spectrului solar,dovedindu-se cea mai eficientă soluție.Stratul superior este din fosfura de galiuindiu,stratul inferior din germaniu și cel din mijloc fiind din arsenura de galiu indiu.

Celulele ce conțîn galiu arseniu au o stabilitate mai bună la modificările de temperature,pierzând mai puțîn din puterea de încălzire comparativ cu cele din siliciu.Minusul reprezentandu-l costurile de producție care sunt mai elevate.

Celulele de polimeri sunt flexibile și comporativ cu cele pe baza de siliciu sunt mai ușoare și au un cost mai redus.Au însă dezavantajul randamentului redeus și se degradează la radiațiile ultraviolet.

Cele pe baza de cadmiu telur cu strat subțire au costuri reduse în comparative decât cele cu siliciu.Analizând ciclurile de viață ale soluțiilor s-a ajuns la concluzia că au cea mai mica amprenta de carbon,producerea lor necesitând cel mai mic consum de apa și cea mai mica perioada de recuperare a costurilor [22-23],anuntandu-se de curând obținerea unei eficiențe de 21% la teste de laborator[24].

Fig.16 Cercetarile si evoluția eficienței celulelor fotovoltaice[25]

(obtinuta prin amabilitatea NREL,Golden.CO)

Multe alte tehnologii sunt testate în laborator , o parte din ele fiind prognozate pentru lansare în viitorul apropiat.

9.1Tipuri de panouri solare:

Exista mai multe tipuri de panouri solare:

9.1.1 Monocristaline

Fig.17 Panouri solare monocristaline

Sunt usor de recunoscut pentru ca sunt foarte intens colorate si uniform si sunt cele mai eficiente,ele producand de 4 ori mai multa energie fata de celelalte tipuri si au garantie foarte mare(peste 25 de ani)

9.1.2 Policristaline

Fig.18 Panou solar policristalin

Sunt mai ieftine decât cele monocristaline dar și mai ineficiente la temperaturi înalte.

9.1.3 Amorfe

Fig.19 Panou solar amorf

Panouri ce transformă energie solară atât în apă caldă cât și în energie electrică. Dețin un modul care are un strat subțire de peliculă solară amorfă în spatele celulelor monocristaline. Stratul suplimentar amorf extrage mai multă energie de la lumină soarelui, în special în condiții de lumină slabă.

Un avantaj al acestei tehnologii este că pierderile care apar de obicei din cauza lipsei de uniformitate a structurilor cristaline prezente pe suprafața celulei, sunt semnificativ reduse.

Aceste panouri nu sunt recomandate pentru suprafețe mari de acoperiș și se vând la prețuri mai mari decât panourile fotovoltaice anterioare

9.1.4 Film subțire

Fig.20 Panouri solare cu film subțire

Clasificate în funcție de materialul fotovoltaic care este depus pe substrat: siliciu amorf, telurură de cadmiu, seleniură de cupru indiu galiu și celule fotovoltaice organice.

Prototipurile de module cu strat subțire au atins performanțe între 7 și 13%. Panourile cu celule cu strat subțire sunt mai ieftine decât cele cu celule solare cristaline. Aspecul lor omogen le conferă un design plăcut, sunt flexibile, iar performanța lor nu este afectată de temperaturile ridicate sau de umbră. Sunt ideale pentru suprafețele mai largi, mai întinse.

10. Caracterizarea celulei solare

Fig.21 Compozitia celulei solare

Celulele solare absorb o parte din particulele de lumină ce cad pe suprafața lor. Aceste particule sunt numite fotoni. Fiecare foton produce o cantitate mică de energie, care trece printr-un cablu pentru consum imediat sau pentru a fi înmagazinată în acumulatori.[10]

Producatorii folosesc tehnici foarte diverse pentru a maximiza lumina incidenta asupra celulelor .Suprafata celulei poate sa fie texturata in forma de piramida cu varful in jos ,ca radiatia sa se reflecte cat mai mult asupra peretilor si cat mai putin inapoi in natura.[26]

Fig.22 Celula piramidală

Materialul folosit la construcția celulei este de același fel cu cel utilizat pentru transistor –semiconductor,adaugandu-i-se impurități pentru a se putea modifica proprietățile electrice.

Indiferent din ce material sunt făcute ,celulele au același comportament electric și pot fi asemuite electric pentru perfomantele lor să poată fi comparate.

11. Metodologie

In cadrul acestui proiect, a fost analizată performanța tracker-ului solar cu dublă axă. Acesta a fost împărțit în trei părți care au fost intrare, controler și ieșire. Intrarea a fost de la LDR-uri, Arduino ca regulator și servomotorul ca ieșire.

Fig.23 Diferența unghiului solar pentru ambele sisteme

Așa cum sa menționat anterior, scopul acestui proiect este de a analiza performanța sistemului de urmărire solar cu axă dubla. Sistemul general este prezentat în figura 2. În acest proiect, controlerul principal, care este Arduino, primește intrarea analogică de la LDR și convertește intrarea în semnal digital prin utilizarea unui convertor analog-digital (A-D). Apoi, controlerul trimite semnalul servomotoarelor pentru a determina mișcarea panoului solar.

Fig.24 Diagrama sistemului

12.Structura proiectului

În acest proiect , se va studia atât partea hardware cât și cea software

12.1 HARDWARE:

Componentele folosite în acest proiect sunt:

Placa Arduino Uno R3

LDR(solar dependent resistor)

Shield senzori Arduino

Servomotor

Panou solar

Volt metru

12.1.1 Placa Arduino Uno R3

Fig.25 Placa de dezvoltare Arduino UNO R3 MCU MEGA328P-ATMEGA16U2

Arduino este este o platformă de procesare open-source.

Placa de dezvoltare Uno R3 este 0 versiune de Uno, cu o interfață USB nouă și îmbunătățită. Ca și Uno are slot de expansiune cu suport pentru 3,3 V, pin de RESET și un sistem de selecție automat pentru sursa de alimentare USB sau DC. Uno este compatibil din perspectiva codului și a formatului cu cu Duemilanove, Diecimilla și alte versiuni mai vechi de Arduino, deci toate librăriile și modulele pe care le ai vor funcționa fără nici o problemă. Uno R3 oferă în plus o concesiune usb îmbunătățită, pini în plus pentru suportul I2C și IORef. Plăcile arduino pot citi inputuri – lumina pe un senzor, un deget pe un buton sau un mesaj Twitter – și o transforma într-o ieșire – activă un motor, pornind un LED, publicând ceva online.

Arduino s-a născut la Ivrea Interaction Design Institute ca un instrument ușor de prototipare rapidă, destinat studenților care nu au un background în electronică și programare. De îndată ce a ajuns la o comunitate mai largă, consiliul Arduino a început să se schimbe pentru a se adapta noilor nevoi și provocări, diferențiind oferta sa de la plăcile simple pe 8 biți până la produsele pentru aplicații IoT, imprimări 3D și medii încorporate. Toate plăcile Arduino sunt complet open-source, permitandu-le utilizatorilor să le construiască independent și eventual să le adapteze la nevoile lor specifice. Software-ul, de asemenea, este open-source, și este în creștere prin contribuțiile utilizatorilor din întreaga lume.

Există multe alte microcontrolere și platforme de microcontroler disponibile pentru calculul fizic. Parallax Basic Stamp, Netmedia's BX-24, Phidgets, MIT's Handyboard și multe altele oferă funcționalități similare. Toate aceste unelte iau detaliile dezordonate ale programării microcontrolerului și o înfășoară într-un pachet ușor de utilizat.

Arduino simplifică, de asemenea, procesul de lucru cu microcontrolerele, dar oferă un anumit avantaj pentru profesori, studenți și amatori interesați față de alte sisteme:

Ieftin – plăcile Arduino sunt relativ ieftine în comparație cu alte platforme de microcontroler. Versiunea cea mai puțin costisitoare a modulului Arduino poate fi asamblată manual, iar modulele Arduino pre-asamblate costă mai puțin de 50 $

Cross-platform – Software-ul Arduino (IDE) rulează pe sistemele de operare Windows, Macintosh OSX și Linux. Cele mai multe sisteme de microcontroler sunt limitate la Windows.

Mediu de programare simplu și clar – Software-ul Arduino (IDE) este ușor de utilizat pentru începători, dar suficient de flexibil pentru ca utilizatorii avansați să profite de asemenea. Pentru profesori, se bazează convenabil pe mediul de programare Prelucrare, astfel încât elevii care învață să programeze în acel mediu vor cunoaște modul în care funcționează ID-ul Arduino.

Software open source și extensibil – Software-ul Arduino este publicat ca instrumente open source, disponibil pentru extensie de către programatori experimentați. Limbajul poate fi extinsă prin biblioteci C ++, iar oamenii care doresc să înțeleagă detaliile tehnice pot face saltul de la Arduino la limbajul de programare AVR C pe care se bazează. În mod similar, puteți adăuga codul AVR-C direct în programele dvs. Arduino dacă doriți.

Sursă open source și hardware extensibil – Planurile plăcilor Arduino sunt publicate sub licență Creative Commons, astfel încât designerii de circuit experimentați pot să facă propria versiune a modulului, să o extindă și să o îmbunătățească. Chiar și utilizatorii relativ neexperimentați pot construi versiunea cu panou de bord a modulului pentru a înțelege cum funcționează și pentru a economisi bani.[12]

Fig.26 Diagrama placii Arduino UNO R3 MCU MEGA328P-ATMEGA16U2

S-a decis folosirea plăcii Arduino datorită ușurinței de programare și a costului cu mult inferior față de alte placi că de exemplu Raspberyy deși ele sunt mult mai avansate din punct de vedere a posibilităților tehnice.

Fig.27 Diagrama placii Raspberry PI3 [27]

Ambele Raspberry Pi 3 și Arduino sunt alegeri populare pe piață intre ele fiind unele diferențe :

12.1.2 LDR

Rezistorul fotorezistor sau rezistența la lumină (LDR) este un rezistor a cărui rezistență scade cu intensitatea intensității luminoase sau se poate spune că LDR prezintă fotoconductivitate. Pentru acest proiect, intensitatea luminii detectată de LDR devine o intrare pentru controlerul principal.

În general, rezistențele fotoreactive sunt de putere redusă și au rezistențe variind de la câteva kΩ la lumină până la rezistențe de ordinul M Ω în întuneric.

Fig.28 LDR(fotorezistor)

12.1.3 Shield senzori Arduino

Fig.29 Shield Sensor v5 compaibil Arduino

Shield-urile sunt placi care pot fi conectate pe partea superioară a placii PCB Arduino.

Prin acest proces se extind capacitațile si posibilitațile de conectivitate la placa.Chiar daca sunt diferite ele urmeaza aceeași filozofie cu setul de instrumente :sunt usor de montat și sunt ieftine.

Fig.30 Diagrama Shield Arduino v5[30]

12.1.3.1 Tipuri de shield-uri

Varietatea de shield-uri este foarte mare,de la shield-uri de prototyping,ethernet,wi-fi,gps la music and sound,displays and cameras,motor drivers ,caracteristicile de baza sunt aceleasi ,dar se diferențiază prin adăugarea unuor posibilități de a amplifica multitudinea opțiunilor placii PCB.[31]

12.1.4 Servomotor

Fig.31 Conexiunea între un servomotor și Arduino

Servomotorul este unul dintre diferitele tipuri de motoare DC disponibile în aplicații electronice. Acest tip de motor necesită o alimentare de 4,8 V sau 6 V. Acest motor este alcătuit din trei fire, și anume sârmă de semnal, pozitivă și de împământare. De asemenea, cuprinde mai multe părți care sunt motorul și cutia de viteze, senzorul de poziție, un amplificator de eroare, driverul motorului și un circuit pentru decodarea poziției solicitate. Servomotorul se rotește cu maximum180 de grade. PWM este folosit pentru a controla motorul. Semnalul analog PWM vă trece printr-un circuit electronic și vă converti semnalul analogic într-un semnal digital. PWM în servo este folosit pentru a controla direcția și poziția motorului. În acest proiect au fost utilizate două servomotoare pentru axa orizontală și respectiv verticală

Fig.32 Servomotor

Sistemele automate moderne de reglare cer servomotoarelor anumite performanțe:

Gama diversificată de modificare a vitezei;

Constante cât mai reduse de timp;

Functionare sigură la viteză foarte mica;

Robustete si fiabilitate;

Suprasarcină admisibilă mare;

Reglare liniara;

Raport moment/cuplu cat mai mare.

Fig. 32 Servomor datasheet

Domeniul de aplicabilitate este divers, de la roboți industriali la perifericele calculatoarelor,la mașini unelte cu CN,acționarea imprimantelor și chiar și în sanătate și domeniul aerospațial.

Ele pot fi clasificate în :

Asincrone

Sincrone

Servomotor de curent continuu

La randul lor, cele sincrone sunt împărțite în motoare de curent continuu fără perii și pas cu pas.

Fig.33.Servomotor conectat la Arduino

12.1.5 Panou solar

Panoul solar, denumit și "fotovoltaic", este un dispozitiv care convertește lumina direct în electricitate. Există multe tipuri de panouri solare care se disting prin eficiența, prețul și coeficientul de temperatură care sunt disponibile pe piață.

Fig.32 Panou solar 5V 1W

Material -silicon policristalin de dimensiuni 107x61x2,iesire 5V,putere 1W

12.1.6 Voltmetru

Fig.33 Voltmetru

Domeniu de măsurare: DC 4.5V-30V

Intrare maximă: DC 32V. Aparatul poate fi deteriorat dacă intrarea depășește 32V

Afișaj: trei tuburi digitale de 0,36

Precizia măsurării: 0,1%

Interval de intrare: DC 2.7V-32V

Culoare afișaj: roșu

Impedanță de intrare: aproximativ 100K

12.2.Software

Partea software constă dintr-un limbaj de programare construit folosind programarea C. Codurile au fost direcționate spre consiliul Arduino UNO care urmează să fie compilat și încărcat. Fluxul procedurii software este prezentat în figura de mai jos. Cele patru LDR-uri au fost conectate la pinul analogic Arduino A6 la A7 pentru a acționa că intrare pentru sistem. Convertorul analog-digital încorporat a convertit valoarea analogică a LDR în PWM digital. Valorile impulsului PWM au fost apoi folosite pentru a muta servomotoarele. Intensitatea maximă a luminii capturate de una dintre intrările LDR a fost aleasă, iar servomotorul mută panoul solar în poziția LDR care a fost configurată în programare. Au existat trei puncte de rotație a motorului; 10, 90 și 180 de grade. Pozițiile LDR au fost împărțite în patru poziții stânga sus,dreapta sus,jos stânga,dreapta jos

Fig.34 Schema circuit

Yes

No

No

Yes

No

Yes

No

Yes

No

Yes

Fig.35 Diagrama software

13.Execuția proiectului

Execuția acestui proiect este împărțită în doua părți ,una fiind proiectarea și generarea codului de taiere,în SolidWorks, și a doua parte încărcarea codului și execuția procesului de tăiere pe CNC.

13.1 Proiectarea in SolidWorks

S-a decis masura in funcție de mărimea pieselor electronice folosite la acest proiect,mărimi care sunt luate direct din software-ul folosit.

Fig.36 Așezarea parturilor și alegerea Job-ului

Se genereaza parțile componente.

Fig.37 Crearea programului specific

Are loc simularea,ca să se vadă cum se asează piesele și cât de mare trebuie să fie piesa brută.

Fig.38 Simularea

Postprocesarea în baza simularii.

Fig.39 Postprocesarea

Generarea codurilor pentru fiecare piesă.

Fig.40 Generarea codurilor

13.2 Execuția pe CNC

S-au folosit codurile obținute din SolidWorks ,s-au încarcat în CNC și s-a început producția pieselor necesare proiectului.

Fig41 Încarcarea codurilor in CNC

Fig.42 Decupajul propriu-zis

14. Asamblarea proiectului

Fig.43 Asamblarea proiectului

15. Rezultate si concluzii

15.1 Rezultate

În anul 2013 s-a publicat un articol referitor la niste teste făcute cu panourile solare.[32]

S-a ajuns la concluzia că poziția ideala de amplasament a panourilor ar fi către sud deoarece panourile ar fi mai mult timp expuse la soare chiar dacă ele se mișcă după soare.Testul s-a făcut în mai multe zone,dar toate zonele au fost alese astfel încât să nu apară obstacole care să compromită testul.

S-a observant că punctul de performanță maximă a fost intre orele 09:00A.M și 12:00P.M

În imaginele de mai jos se pot vedea câteva dintre rezultatele obținute la teste.

Fig.44 Diferențe obținute prin teste intrepanouri fixe(albastru) și trackere(rosu)[32]

15.2 Concluzii

În concluzie, performanța sistemului de urmărire solar cu două axe a fost analizată cu succes,pe baza datelor colectate, se poate concluziona că sistemul de urmărire solar cu două axe este mai bun decât panoul solar static din punct de vedere al tensiunii, curentului și puterii de ieșire. Din acest motiv, sistemul s-a dovedit a fi alegerea cea mai potrivita.

Din punct de vedere economic și ecologic sistem de urmărire solară cu axă dublă, este o tehnică grozavă în utilizarea superiorității energiei solare, rezolvând astfel cererea crescândă a energiei electrice.

16.Bibliografie

1)Divva&Sashanka, April 30,2010.”Renewable Energy”, http://www.yuvaengineers.com/?p=495

2)”A design of low powersingle axis solar system regardless of motor speed”,Internal Journal Of Integrated Engineering,Vol.3,No.2(2011)

3)GL Gonzales,J Beltran,CD Garcia-Beltran”Design Manufacturing and Performance Test of a Solar Tracker made by a Embedded control fourth Congress of Electronic Robotic and Automotive Mechanics

4)N Fraidenraich,C Tiba&OC Vilela,(2003),”Photovoltaic pumping system driven by tracking collectors.Experiments and simulation(2003),Solar Energy

5)V Dutta&AK Saxena,”A versatile microprocessor based controller for solar tracking”,IEEE Proc.,1990

6)GA Capolino,G Notton,F Betin&A Yazidi,July 2006,”Low cost two axis solar tracker with high precision positioning”,Proceedings of the International Symposium on Environment Identities and Mediterranean Area,July 2006,France

7)Eurostat,statistic explained; https://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php?title=Renewable_energy_statistics/ro&oldid=365441

8)Editura Universitara; https://www.editurauniversitara.ro/carte/carti_noi/energia_solara_ghid_de_captare_si_conversie_a_energiei_solare_pentru_utilizare/11009

9)Energia solara,autor Victor Emil Lucian, Editura: UNIVERSITARA (2018)

10) https://toppanourisolare.ro/panouri-solare/tipuri-de-panouri-solare.html

11) https://www.academia.edu/25812016/Panouri_fotovoltaice

12) https://www.arduino.cc/en/guide/introduction

13) National Renewable Energy Laboratory (NREL) Home Page. Web. 12 Apr. 2010. http://www.nrel.gov/.

14) S. Kalogirou, "Wind Energy Systems (Chapter 13)," in Solar Energy Engineering Processes and Systems (Second Edition), Academic Press, 2013, pp. 735-762

15) "First Quadrennial Technology Review," U.S. Department of Energy, Washington, D.C., 2012.

16)Http://Tethys.pnnl.gov

17)Revista onlineNew Projects, http://revista.newprojects.org/?p=1160

18) L. Freris and D. Infield, Renewable Energy in Power Systems, Wiley, 2008, p. 300.

19) PVEducation, "Properties of sunlight," PVEducation, [Online]. Available: http://www.pveducation.org/pvcdrom/properties-of-sunlight/declination-angle.

20) ]Antonio L. Luque; Viacheslav M. Andreev (2007). Concentrator Photovoltaics. Springer

Verlag

21) ]Antonio L. Luque; Viacheslav M. Andreev (2007). Concentrator Photovoltaics. Springer

Verlag

22) "First Quadrennial Technology Review," U.S. Department of Energy, Washington, D.C., 2012.

23) M. de Wild-Scholten, "Renewable and Sustainable Energy Reviews," Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 119, pp. 296-305, 2013.

24) FirstSolar, "First Solar Builds the Highest Efficiency Thin Film Pv Cell on Record," First Solar, 5 August 2014. [Online]. Available: http://investor.firstsolar.com/releasedetail.cfm

25) http://pv-fotovoltaice.blogspot.com/search?updated-min=2015-01-01T00:00:00%2B02:00&updated-max=2016-01-01T00:00:00%2B02:00&max-results=19

26) PVEducation, "Surface texturing," PVEducation, [Online]. Available: http://pveducation.org/pvcdrom/design/surface-texturing.

27) https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-3-model-b/

28) A.K. Saxena and V. Dutta, “A versatile microprocessor based controller for solar

tracking,” in Proc. IEEE, 1990, pp. 1105 – 1109

29) David Cooke, "Single vs. Dual Axis Solar Tracking", Alternate Energy eMagazine, April

2011

30) https://learn.sparkfun.com/tutorials/arduino-shields/all

31) http://www.shieldlist.org/

32)IEEE International Conference of Control System,Computing and Engineering,Dec.,2013