Introducere…3 [305241]

CUPRINS

Introducere…………………………………………………………………………………………………………….3

Capitolul I – Consideratii privind energia solara si sistemele de panouri solare

Probleme ale lumii contemporane privind aspectul energiei……………………………..5

1.2. Energii regenerabile si energii neregenerabile…………………………………………………6

1.3. Soarele si energia solara………………………………………………………………………………..8

1.4. [anonimizat]……………………………………………………….10

1.5. Panouri Solare……………………………………………………………………………………………13

[anonimizat]

2.1. Generalitati………………………………………………………………………………………………….16

2.2. Familii de microcontrolere……………………………………………………………………………..18

2.2.1 Familia de microcontrolere AVR………………………………………………………..19

2.2.2 Familia de microcontrolere PIC…………………………………………………………20

2.3. Medii de dezvoltare………………………………………………………………………………………21

2.4. Programul inscris in microcontroler………………………………………………………………..23

[anonimizat]

3.1. Descrierea temei proiectului……………………………………………………………………………….32

3.2. Structura aplicatiei…………………………………………………………………………………………34

3.2.1. Sistemul de afisaj…………………………………………………………………………….34

3.2.2. Generalitati privind un digit………………………………………………………………35

3.2.3. Topologii de conectare al sistemului de afisaj…………………………………….37

3.2.4. Microcontroler ATMEGA16………………………………………………………………39

3.2.5. Releul…………………………………………………………………………………………….42

3.2.6. Acumulator 12v……………………………………………………………………………….43

3.2. Descrierea modului de functionare………………………………………………………………….44

3.3. Schema de principiu si schema electrica…………………………………………………………..45

[anonimizat]…………………………………………………………………………………………….50

Bibliografie…………………………………………………………………………………………………………….51

Anexe…………………………………………………………………………………………………………………..52

[anonimizat]. Lipsa unui plan la nivel mondial în ceea ce privește exploatarea resurselor a condus și conduce inevitabil la consumarea unora dintre acestea.

Statele se infrunta în prezent cu epuizarea resurselor neregenerabile (petrol, gaz metan, cărbune), ceea ce conduce la utilizarea în mare parte a resurselor naturale alternative și schimbarea tehnologiilor industriale.

Uniunea Europeană este deja lider mondial în domeniul tehnologiilor regenerabile.

Această politică rezolvă trei probleme majore și anume :

1. Combaterea schimbărilor climatice ;

2. Limitarea vulnerabilității față de importurile de hidrocarburi ;

3. Promovarea ocupării forței de muncă și a creșterii economice prin prețuri mici la energia furnizată.

În prezent, Uniunea Europeană realizează aproximativ o treime din energia electrică produsă pe Glob și jumatate din cea produsă în centrale nucleare. Resursele primare de energie ale țărilor membre UE, inclusiv România, sunt marginite. Resursele neconvenționale (energia mareelor, energia eoliană, energia termală) ocupă ponderi neinsemnate atât în Europa cât și în România. Mai mult decât atât, în prezent România este dependentă de resurse energetice din exterior în proporție de 40%.

Idealul omului modern este atingerea unui grad de confort personal din ce în ce mai ridicat. În zilele noastre, pentru a obtine un grad de confort ridicat, apelam la o creșterea semnificativa a consumului de energie. Pentru a ne putea folosii de resursele fosile disponibile pe o durată cât mai indelungata și pentru păstrarea și refacerea condițiilor vieții umane pe Glob trebuie ca, în viitor, să ne axam pe utilizarea surselor de energie regenerabile. Din aceste surse de energie regenerabile fac parte următoarele: energie solară, energie eoliană, energia apei, energie geotermică, energie derivată din biomasă.

Energia solară este una din potențialele viitoare surse de energie importante, utilizată fie la înlocuirea permanenta a surselor convenționale de energie, fie la folosirea ei ca alternativă la utilizarea surselor convenționale, mai ales pe timpul verii, cea de-a doua utilizare fiind în momentul de față cea mai răspândită utilizare din lume.

Unul dintre avantajele importante, în vederea utilizării acesteia, este acela de a nu polua mediului înconjurător, deci este o sursă de energie curată. Un alt avantaj al energiei solare este că sursa de energie pe care se bazează întreaga tehnologie este gratuită.

Energia solară se evidentiaza prin instalații relativ simple și cu costuri reduse ale acestora la nivelul unor temperaturi în jur de 100°C, temperatura folosită pentru încălzirea apei cu aproximativ 40°C peste temperatura mediului ambiant, instalații folosite la încălzirea apei menajere sau a clădirilor.

Faptul ca soarele este deasupra fiecarui acoperis in mod gratuit, poate sa confere un avantaj pentru fiecare om in parte si pentru utilizarea energiei solare in mod individual nu numai in marile companii care dispun de echipamente pentru captarea si prelucrarea razelor solare, echipamente care ar ocupa o suprafata mare de teren. Printre multimea de avantaje putem enumera: reducerea costurilor, reducerea poluarii sau de ce nu lipsa ei, lucru care duce la o stare de sanatate considerabil mai buna.

Nivelul de insolație reprezintă cantitatea de energie solară care pătrunde în atmosferă și atinge suprafața pământului. Această cantitate de energie solară variază în funcție de latitudine, altitudine și perioada anului.

România este situata într-o zonă geografică cu acoperire solară bună, beneficiaza de circa 210 zile insorite pe an care ofera un flux anual de energie solară cuprins între 1000-1300 kWh/m2 /an, respectiv un flux zilnic de energie solara de, 3.66 kWh/m2/zi . Radiația medie zilnică poate ajunge să fie de 5 ori mai intensă vara decât iarna. Avantajul utilizării energiei solare este faptul ca aceasta este inepuizabilă, fiind una dintre cele mai curate‘ forme de energie.

Ca domenii de utilizare pentru energia solară putem menționa printre cele mai importante:

1. Iluminatul gospodariei și alimentarea unor aparate electrocasnice mici consumatoare de energie;

2. Încălzirea spațiilor de locuit ;

3. Încălzirea apei menajere ;

Lucrarea practica este proiectata si construiata pentru a exemplifica un sistem inteligent care comuta locuinta pe energia solara respectiv pe reteaua electrica stradala , in functie de intervalul orar in care pretul kWh este mai mare sau mai mic.

Foarte important este ca populatia sa constientizeze faptul că energia electrică va suferi o creștere de preț treptata, ceea ce va determina oamenii să se orienteze către surse de energie solară.

Capitolul I

Consideratii privind energia solara si panourile solare

1.1. Probleme ale lumii contemporane privind aspectul energiei

Inca din trecut se stie faptul ca energia este una din cele mai importante resurse de care omenirea are nevoie pentru a se dezvolta.

Datorita resurselor generoase din secolele anterioare aceasta problema nu s-a pus cu atata importanta. Existenta din plin a resurselor naturale si faptul ca procesul dezvoltarii nu s-a confruntat cu fenomenul de scadere accelerata a resurselor in asa mare masura, a condus la neluarea in calculul economic a acestei probleme.

Energia este considerata ca fiind un factor important in cresterea economica la nivel mondial, dar odata cu consumul de cele mai multe ori exagerat al resurselor si al caracterului limitat si insuficient al acestora, pentru o lunga periaoda de timp, economia dar si teoriticienii domeniului au reconsiderat rolul resurselor in intregul proces economic. Astfel in zilele noastre putem vorbi despre caracterul bivalent al resurselor, ca fiind pe de o parte factor de crestere economica (cand nu se pune problema existentei, procurarii si utilizarii lor in procesul de productie), iar pe cealalta parte, factor de frana economica, pentru tarile sarace in resurse naturale care nu au posibilitatea financiara sa si le procure.

Printre factorii care creeaza probleme legate de mediul inconjurator putem enumera:

1. Schimbarile climatice: Sunt modificări climatice atribuite activităților umane, datorită cărora se modifică compoziția atmosferei globale. Ele reprezinta una dintre cele mai mari amenintari asupra mediului.

În decursul ultimilor 150 de ani, temperatura medie a crescut cu aproape 0,8șC în general și cu aproximativ 1șC în Europa. Unsprezece din ultimii doisprezece ani (1995-2006) se numără printre cei 12 ani cu cea mai mare căldură înregistrată instrumental la suprafața globului (din 1850). Fără o acțiune globală de limitare a emisiilor, IPCC se așteaptă ca temperaturile globale să mai crească cu 1,8 până la 4,0șC până în 2100. Aceasta înseamnă că creșterea temperaturii începând cu perioada preindustrială ar fi peste 2°C. Peste acest prag, este pe departe mult mai probabil să aibă loc schimbări ireversibile și posibil catastrofice. Tarile dezvoltate din punct de vedere industrial sunt responsabile de acumularea actuala a 75% din gazele cu efect de sera din atmosfera. In figura 1.1 putem observa variatia temperaturii inn ultimii 150 ani.

Fig 1.1 Variatia Temperaturii Globale

2. Poluare – Reprezintă procesul prin care o serie de substanțe chimice, radioactive, bacteriologice, acționează asupra componentelor mediului sau a stării generale, având efecte negative care merg pana la modificarea compoziției chimice a materiei. Poluarea este o consecință dezvoltării industriale și se accentuează odată cu creșterea economică. Sectorul energetic este responsabil de 80% din emisiile de gaze cu efect de seră din Uniunea Europeană.

3. Suprapopularea – Relația neconcordantă între creșterea populației, în anumite regiuni ale planetei și factorii de mediu, conduce la apariția fenomenului de suprapopulare. Subdezvoltarea economică, nivelul de trai mic amplifică supradezvoltarea numerică a populației, multiplicând sărăcia, mizeria și deteriorând profund mediul. Creșterea demografică în anumite regiuni imprimă o presiune tot mai mare asupra ecosistemelor naturale.

4. Epuizarea resurselor – Exploatarea continuă a resurselor naturale neregenerabile (țîței, gaze naturale, minereuri) va conduce inevitabil la epuizarea lor, ceea ce va stimula dezvoltarea și elaborarea tehnlogiilor pentru exploatarea resurselor naturale alternative.

1.2 Energii regenerabile si neregenerabile

Energia regenerabilă provine din exploatarea fenomenelor naturale, iar cu ajutorul diferitelor procedee (tehnologii) o putem folosi în scopuri ultile. Aceste tehnologii, folosesc energia soarelui împreună cu efectele directe și indirecte pe care le are asupra Terrei (radiație solară, vânt, apă curgătoare, biomasă), forță gravitațională (valuri) și căldură geotermala ca surse pentru a producerea de energie. Aceste resurse, au un vast potențial, dar în general sunt greu de folosit, marea majoritate fiind disponibile doar în anumite zone ale Globului. Aceste caracteristici stârnesc probleme de ordin tehnic și economic. În zilele noastre, s-au făcut mari progrese în îmbunătățirea metodelor de colectare și transformare a energiei, reducând costurile inițiale și de menținere, majorând fiabilitatea și aplicabilitatea sistemelor ce se bazează pe energie regenerabilă.

Dintre sursele regenerabile de energie fac parte: energia eoliană, energia solară (Fig 1.2), energia apei, energiageotermică, energia derivată din biomasă (bioetanol, biogaz, biodiesel). Toate aceste forme de energiesunt valorificate pentru a servi la generarea curentului electric, incalzirea spatiilor de locuit, producerea apei calde menajere etc.

Fig 1.2 Casa ce utilizeaza panouri solare

Sursele regenerabile de energie se manifestă în natură pe mai multe căi:

forțele gravitaționale ale Lunii și Soarelui, care creează mareele;

rotația Pământului combinată cu energia solară, care generează curenții oceanici și vânturile;

fisiunea substnțelor radioactive și căldura interioară a Pământului, care produc energia geotermală;

producerea fotosintetică a materiei organice (biomasa);

căldura directă de la Soare (energia solară)

Beneficiile energiei regenerabile:

Dezvoltarea economica si socială – Producția de energie regenerabilă, în special biomasă, ar putea genera dezvoltare economică și oportunități de angajare, în special în zone rurale, care în general au șanse scăzute de dezvoltare economică.

Reducerea poluării aerului – Cu ajutorul tehnologiilor implementate pentru energia regenerabilă, vehiculele pe baza de metanol și hidrogen, nu emit gaze toxice, și nu este necesară invesția in sisteme de control al poluării.Reducerea riscului de incălzire globală

Reducerea riscului de incălzire globală – Folosirea energiei regenerabile, nu generează dioxid de carbon sau alte emisii ce contribuie la încălzirea globală. Folosind combustibili pe bază de biomasă, dioxidul de carbon rezultat din arderea acestora, este folosit de plantele necesare pentru producerea acestuia.

Energia neregenerabilă este cea derivată din folosirea surselor epuizabile cum ar fi energia nucleară, și cea generată din arderea combustibililor fosili (țițeiul, cărbunele, gazele naturale). Deoarece majoritatea resurselor naturale, au un ciclu de refacere de ordinul milioanelor de ani, ar trebui să ne orientăm spre folosirea energiei regenerabile

1.3 Soarele si energia solara

Soarele este o sfera imensa alcatuita in mare parte din elemente gazoase, cu un diametru de 1.39 x 10 9 m. S-a format in urma cu 4,5 miliarde de ani impreuna cu tot sistemul solar. Este situat la o distanță de 1.5 x 10 8 km(unitate astronomică) fata de Terra și datorită faptului că radiația termică se propagă cu viteza luminii în vid(300.000km/s), energia solară ajunge pe suprafața planetei noastre în 8 minute și 20 de secunde.

Fig 1.3 Soarele

Soarele (Fig 1.3) este o imensă centrală termică. De milioane de ani este cel mai important furnizor de energie pe Terra (cu 30% energie reflectată și 70% absorbită). Soarele este o sferă cu raza de 695.000 km, cu o densitate medie de 1400 kg/mc. Masa lui reprezintă 98,85% din masa totală a sistemului solar. Elementele care predomină în masa Soarelui sunt hidrogenul și heliul. În interiorul Soarelui au loc reacții nucleare: hidrogenul se transformă în heliu eliberând 4 milioane de tone energie-masă pe secundă. Ca urmare a acestor reacții temperatura din interior atinge valori de 20×106 K, iar la suprafață, temperatura ajunge la 5.762 K. Din punct de vedere energetic, partea cea mai importantă a energiei solare din afara atmosferei se gasește în intervalul spectral 0,20- 0,30 um. În acest interval emite aproximativ 97% din energia totală. Diferența de 3% este emisă în banda cuprinsă între 1010 și 103 m. Soarele trimite în spațiu o cantitate enormă de energie, din care Pământul primește anual circa 2,8×1021 KJ. Are un potențial energetic uriaș, astfel încât dacă s-ar acoperi a mia parte din suprafața Terrei cu captatori având un randament de 5%, s-ar obține aproximativ 60 miliarde de kWh. În condițiile expunerii directe, în atmosfera Pământului ajung 1000 W/mp, față de 1.350 W/mp în stratosferă. Într-un singur an, pe întreg mapamondul ajung 170 miliarde MWh, adică de 20.000 de ori energia necesară întregii populații a globului. De asemenea, este important de știut că energia solară care ajunge pe Terra într-o singură zi, aproximativ 0,5 miliarde MWh, poate acoperi nevoile globale de energie pe o perioada de 180 de ani!

Energia solară este energia emisa de soare si totodata cea care mentine viata pe pamant. Încă de la începutul timpurilor, omenirea a înțeles beneficiile oferite de energia solară. În ciudă acestui fapt, doar recent, în ultimii 40 de ani s-a folosit ca energie alternativă, în principiu datorită faptului că nu dăunează mediului înconjurător și pentru că sursa de energie este gratuită.

Energia solară poate fi utilizată printr-o multitudine de procedee atât naturale cât și artificiale, spre exemplu, prin fotosinteză realizată de plante, ce captează energia solară necesară transformării prin procese chimice, a bioxidului de carbon în oxigen și compuși în forme mai simple ale carbonului; prin energia rezultată din petrol și alți combustibili fosili a€€ ce au ajuns în starea curentă tot datorită energiei solare (datorită fotosintezei din trecutul îndepărtat), și mai recet, de câteva decenii, prin conversia realizată în mod direct cu ajutorul panouri solare fotovoltaice și prin conversia indirectă rezultată în urma folosirii.

Energia solară mai este folosită și pentru climatizarea clădirilor (atât activ cât și pasiv), pentru a încălzi apa atât în locuințe cât și în industrie, pentru a alimenta frigidere, pentru a opera motoare și pompe, pentru a desaliniza apa transformând-o în apa potabilă, pentru a genera electricitate și pentru aplicații chimice. Energia solară eventual va înlocui definitiv sursele convenționale de energie cum ar fi: cărbunele, petrolul, gazele naturale. Nivelul de insolație este reprezentat de cantitatea de energie solară care străbate atmosferă și ajunge pe suprafața pământului. Aceasta depinde de orientarea suprafeței în raport cu Soarele și gradul de transparență a atmosferei. Cantitatea de energie variază în raport cu latitudinea, altitudinea și perioadă anului. Nivelul de insolație se măsoară ca medie 11 lunară în kwh/m 2 /zi. Țara noastră se regăsește într-o zonă geografică cu o bună acoperire solară, și un flux anual de energie ce variază de la 950 kwh/m 2 /an la 1250 kwh/m 2 /an.

Tehnologia echipamentului pentru instalațiile solare de încălzire a clădirilor este deja destul de bine pusă la punct într-o serie de țări ca Japonia, S.U.A., Australia, Israel, Rusia, Franța, Canada și Germania.

Sintagma ―energie solara‖ se refera la energia care este produsă direct prin transferul energiei luminoase radiate de Soare. Aceasta poate fi folosită ca să genereze energia electrică și termică necesară pentru diferite utilități, de regulă pentru climatizarea aerului din interiorul unor clădiri. Având în vedere aceste lucruri pot fi identificate următoarele aplicații ale energiei solare și anume:

1. generarea de electricitate prin celule solare (fotovoltaice);

2. generarea de electricitate prin centrale termice solare (heliocentrale);

3. încălzirea clădirilor, prin pompe de căldură;

4. încălzirea clădirilor și producerea apei calde menajere (prin panouri solare termice)

1.4 Energia solara avantaje si dezavantaje

Datorita faptului ca este disponibilă în cantități imense, este inepuizabilă și este nepoluantă, captarea energiei solare nu are efecte nocive și nu este poluanta asupra mediului, iar în condițiile în care degradarea Terrei atinge un nivel crescator, această solutie capata din ce in ce mai mult interes.

Cantitatea de energie solară care ajunge zilnic la nivelul Pământului este în medie de 3,4-4,4 kWh/m2 . România se află în zona B europeană din punct de vedere al însoririi (1250-1600 kWh/m2 / an), între țări cu o industrie solară puternică dar cu o însorire considerabil mai mică (Germania, Suedia, Danemarca 2,4-3,4 kWh/m2 / zi) și țările Europei de Sud (Portugalia, Spania, Italia, Grecia 4,4-5,4 kWh/m2 / zi).

"Energia solară este gratuită, regenerabilă, nepoluantă, practic inepuizabilă, dispersă și ușor de produs. Problema principală este că Soarele nu oferă energia constantă în nici un loc de pe Terra. În plus, datorită rotației Pământului, în jurul axei sale și deci a alternanței zi-noapte, lumina solară nu poate fi folosită la generarea electricității decât pentru un timp limitat în fiecare zi. O altă restrângere a utilizării acestui tip de „energie verde” o reprezintă existența zilelor noroase, când potențialul de captare al energiei scade sensibil datorită ecranării Soarelui, reducând aplicațiile acestei forme de energie regenerabilă”.

Beneficiile ce apar datorita instalării și folosirii tehnologiei pe bază de energie solară se impart în două categorii: beneficii asupra mediului înconjurător și beneficii din punct de vedere socioeconomic.

Din punct de vedere al mediului înconjurător, folosirea tehnologiei ce include energia solară are următoarele beneficii :

Asigurarea energiei electrice in zonele rurale și cele izolate.

Reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră în special dioxidul de carbon, și a gazelor toxice (dioxid de sulf).

Recuperarea terenurilor degradate.

Îmbunătățirea calității apei potabile pe întreg Globul

Din punct de vedere socioeconomic se remarcă urmatoarele beneficii:

Majorarea independenței regionale și naționale față de furnizorii de energie electrică.

Generarea unor noi locuri de muncă.

Restructurarea pieței energiei electrice datorită dezvoltării unei noi tehnologii și a noilor industrii generate.

Diversificarea si stabilitatea surselor de energie electrică.

Utilizarea tehnologiei cu energia solara este deocamdata foarte putin raspandita din cateva considerente cum ar fii:

Tehnologia captarii energiei solare este mai costisitoare pentru producerea unui watt decat pretul producerii unui watt in termocentrale. Din aceasta cauza pretul implementarii unui sistem pe baza energiei solare esti mai mare dar isi amortizeaza investitia in cativa ani deoarece sistemele sunt in general foarte fiabile si se intretin cu costuri relativ mici.

Un alt dezavantaj important este ca energia solara este dependenta de cantitatea de radiatii care ajung pe pamant, adica de soare. Si acestea variaza dupa cateva criterii cum ar fi: perioada anului, conditiile atmosferice, ora etc.

Sistemele pe baza panourilor solare mai au un alt dezavantaj deoarece ofera un randament foarte scazut daca comparam cantitatea energiei produse cu dimensiunea panourilor solare. Astfel pentru acoperirea necesarului de energie al unei locuinte, fiind necesare panouri solare de cativa zeci de metri patrati, dar cu siguranta acest lucru se va imbunatatii odata cu dezvoltarea tehnologiei.

Rata de productie al sistemelor pe baza energiei solare difera nu in ultimul rand si de locul in care sunt amplasate panourile solare, care trebuiesc pozitionate strategic astfel in cat sa capteze razele solare, cu alte cuvinte depind in mod direct de unghiul in care cade raza solara, adica de pozitia pe glob. In figura (Fig 1.4) alaturata poate fi vazuta harta potentialului solar in Europa.

Fig 1.4 Harta potentialului solar in Europa

În figura de mai jos, este prezentată distribuția însoririi în România pe parcursul unui an. Așa cum se poate observa, România face parte din zona B europeană din punct de vedere al însoririi pe parcursul unui an. De exemplu, zona colorată cu roșu din partea de sud a României (cu valori ale însoririi de 1420-1450 kWh/m2 /an) este cea mai bună pentru instalații solare,

Fig 1.5 Harta solara Romania

In comparatie cu energia eoliana, unde se bazeaza pe potentialul de vant care este concentrat cu precadere in zona Dobrogei, potentialul solar al Romania noastre este raspandit aproape pe toata suprafata tarii.

Energia solara este cu siguranta o alternativa precum energia eoliana sau marina. Deoarece in conditiile din prezent necesarul energetic al Pamantului are nevoie de existenta centraleor baza de carbune sau nucleare. Dar in viitor cu siguranta acest fapt se va schimba.

1.5 Panouri Solare

Un panou solar fotovoltaic transformă energia luminoasă din razele solare direct în energie electrică. Componentele principale ale panoului solar sunt reprezentate de către celulele solare.

Panourile solare se utilizează separat sau legate în baterii pentru alimentarea consumatorilor independenți sau pentru generarea de curent electric ce se livrează în rețeaua publică. Un panou solar este caracterizat prin parametrii săi electrici cum ar fi tensiunea de mers în gol sau curentul de scurtcircuit

Panourile solare sunt compuse din celule solare, asamblate folosind diferite materiale astfel încât următoarele condiții vor fi asigurate:

1. legături electrice rezistente.

2. protecție ce poate fi străbătută de lumină, împotriva radiațiilor și intemperiilor.

3. protecție pentru celulele solare împotriva acțiunilor mecanice.

4. protecție pentru legăturile electrice și celulele solare de factorul umiditate.

5. o răcire corespunzătoare a celulelor solare.

6. posibilitatea montării și manipulării facile.

Celulele solare sau fotovoltaicele cum mai sunt numite, sunt dispozitive semiconductoare care transformă lumina solară în curent electric. Se impart in doua grupe configurate electric, în module și matrice, care pot fi folosite la încărcarea bateriilor, funcționarea motoarelor, și pentru a alimenta sarcini electrice. Cu ajutorul unui echipament adecvat de transformare a puterii, sistemele fotovoltaice pot produce curent alternativ.

Celulele fotovoltaice sunt compuse din materiale semiconductoare, cu o conductivitate relativ bună a electricității. Materialele folosite în general sunt siliconul (Si), compuși ai sulfuratului de cadmiu (Cds), a sulfuratului de cupru (Cu2S), și a arseniurii de galiu (GaAs).

O celulă fotovoltaică de silicon e compusă din o foiță subțire de un strat foarte subțire de silicon de tip N, deasupra unui strat gros de silicon de tip P. Un câmp electric este creat deasupra suprafeței de sus a acelei celule unde cele două materiale intră în contact, numită juncția P-N. Când razele solare ajung la suprafața unei celule fotovoltaice, câmpul electric produce momentul și direcția la electronii stimulați de lumină, rezultând fluxul de curent când celulele solare sunt conectate la un încărcător electric

Fig 1.6 Celula solara

Indiferent de mărime, o bucată de celulă fotovoltaică de silicon produce în jur de 0.5 – 0.6 volți în conformitate cu un circuit deschis, fără condiții de încărcare. Curentul (și puterea) de ieșire a unei celule fotovoltaice depinde de eficiența și mărimea suprafeței, și este proporțională cu intensitatea soarelui care ajunge la suprafața celulei. De exemplu, în condițiile în care lumina solară este foarte puternică, o celulă fotovoltaică comercială cu o suprafața de 160 cm2 va produce în jur de 2 wați, la putere maximă. Dacă intensitatea razelor solare a fost la 40% din putere, acea celulă va produce în jur de 0.8 wați.

Celulele fotovoltaice sunt distribuite în module ce produc o anumită tensiune și un anumit curent la ieșire (putere) atunci când sunt iluminate. Modulele fotovoltaice pot fi conectate atât în serie cât și în paralel pentru a crea o tensiune mai mare sau un curent mai puternic. Sistemele fotovoltaice pot fi folosite individual, sau împreună cu alte surse de curent electric. Aplicații ale sistemelor fotovoltaice includ mijloace de comunicare, monitorizare de la distanță, iluminare, pompare a apei și încărcare a bateriilor. Sistemele fotovoltaice se folosesc individual, si sunt formate din: matrice de celule fotovoltaice, acumulator și regulator de sarcină.Un invertor poate fi deasemenea inclus în sistemul fotovoltaic pentru a converti curentul continuu generat de celulele fotovoltaice în curent alternativ, necesar aparatelor de uz casnic

Fig 1.7 Sistem pe baza de panouri fotovoltaice

Capitolul II

Descrierea si utilizarea microcontrolerului in aplicatie

2.1 Generalitati

Microcontrolerele sunt componente electronice care inglobeaza in ele majoritatea componentelor dintr-un calculator PC, bineinteles toate de mai mici dimensiuni.Astfel acestea au: unitate centrala, porturi, memorii, convertoare analog numerice(o parte din ele), etc.

Fig 1.8 Microcontroler

Fizic, microcontrolerul, ca orice componentă electronica este realizat pe o plăcuță de siliciu care, cu ajutorul radiației ultraviolet, este dopată în mod selectiv cu atomi donori sau acceptori, formîndu-se joncțiuni de tip P-N , astfel realizăndu-se elementele de bază – tranzistoarele, tot aici se realizează traseele de interconectare conform schemei electrice căt și punctele de conexiune cu mediul exterior.

Fig 1.9 Pastila de siliciu

Încapsularea pastilei de siliciu se realizează , în funcție de numărul de conexiuni electrice, de gradul de disipare termică și nu în ultimul rănd de gradul de integrare, utilizănd diferite tipuri de capsule, pornind de la cele mai vechi, folosite cu precădere pentru circuitele logice MSI și LSI, anume capsulele DIL (Eng. Dual In Line) pînă la capsulele modern BGA(Eng. Ball Grid Array) sau µBGA.

Diferiți producători, concur pe piața componentelor electronice , oferind un spectru larg de microcontrolere ce se disting între ele printr-un spectru larg de facilități cum ar fii porturi seriale și paralele, numărătoare, temporizatoare, convertoare analog-numerice, posibilități de extensie exterioară a capacității interne de stocare,etc …

Fig 2.0 Capsule DIL 14 pin

Aceast mod de integrare a componentelor într-un microcontroller face posibilă abordarea unor probleme cu o complexitate ridicată, utilizănd un număr minim de componente electronice externe, crescănd pe deoparte fiabilitatea întregului system, numarul de ore de funcționare.

Arhitectura care stă la baza tuturor microcontrolerelor este cea Harvard, ele avănd un număr redus de instrucțiuni (RISC), majoritatea, executîndu-se într-un singur interval de ceas.

Sistemul, fiind unul cu logică programată, necesită existența și evoluția unui program, în memoria internă a microcontrolerului.

Distingem, în procesul de dezvoltare a unei aplicații bazată pe microcontrolere două etape

Etapa aferentă proiectării și implementării hardware – conexiuni electrice, dimensionare elemente electronice passive și active.

Etapa aferentă proiectării software – conceperea, scrierea, încărcarea și testarea programului

Astfel, proiectarea cu microcontrolere presupune atît cunoștințe din domeniul electronic dar și cunoștințe din domeniul informatic.

2.2. Familii de microcontrolere

Primul microprocessor integrat a fost conceput, proiectat și realizat de către firma de origine americană Intel, acesta purta numele de I4004, un processor cu o arhitectură pe 4 biți ce lucre la o frecvență de ceas de ordinal 100 de KHz, utilitatea găsită find în aplicații cum ar fi calculatoarele de buzunar sau de birou.

Pentru realizarea unei aplicații , era necesară adăugarea altor circuite externe de memorare, memorii ROM, RAM, circuite de multiplexare și demultiplexare, latch-uri , buffere , etc…

Primul microcontroller a fost realizat tot de către firma Intel, avănd la bază unitatea central 80C51.

Costurile mici, gradul de integrare, au dus la o adevărată explozie a proiectelor pe bază de microcontrolere.

Putem distinge, în funcție de arhitecturile lor , familiile de microcontrolere.

Astfel, funcție de lățimea magistralei de date, respective capacitatea regiștrilor interni

Microcontrolere pe 8 biți

Microcontrolere pe 16 biti

Microcontrolere pe 32 biți

Atmel, produce, bazat pe o arhitectură RISC, o întreagă serie de microcontrolere, avănd facilități și dispunînd de resurse, diferite, special concepute pentru anumite scopuri.

Astfel putem deosebi microcontrolere destinate industriei de automobile, aeronautică, medical, aplicații casnice, comunicații, etc…

2.2.1 Familia de microcontroalere AVR

Distingem familia de microcontrolere AVR, dezvoltată începînd cu anul 1996.

Caracteristicile definitorii , funcție de reprezentanții seriei dezvoltate de Atmel sunt

tinyAVR

0.5–16 KB memoria program

6–32-pini la capsulă

Un număr limitat de periferice

megaAVR

4–256 KB memorie program

28–100-pini la capsulă

Set extins de instrucțiuni, optimizate pentru a fi executate într-un singur impuls de ceas, instrucțiuni speciale pentru manipularea unor zone mari de memorie.

Număr mare de periferice

XMEGA

16–384 memorie program

44–64–100-pini la capsulă

Facilități extinse cum ar fi DMA, criptografie

Microcontrolere orientate pe aplicații

megaAVRs sunt microcontrolere din familia megaAVR ce dispun de controlere USB, LAN sau LCD.

FPSLIC (AVR ce include FPGA)

FPGA cu 5000 pînă la 40000 de porți logice

SRAM – memoria de program

Frecvența de ceas mare, de pîn la 50 MHz

Fig 2.1 AtxMega128 in capsula TQFP cu 100 pini

2.2.2 Familia de microcontroalere PIC

O altă familie de microcontrolere este cea produsă de către firma microchip, sub denumirea comercială PIC (Peripheral Interface Controller).

Modelele de început ale PIC aveau memorie numai pentru citire (ROM) sau EPROM programabil pentru stocarea programelor, unele având posibilitatea de a șterge memoria. Toate modelele actuale utilizează memoria flash pentru stocarea programelor, iar modelele mai noi permit PIC să se reprogrameze. Memoria programelor și memoria de date sunt separate. Memoria de date este de 8 biți, de 16 biți și, în cele mai recente modele, este pe 32 de biți. Programul de instrucțiuni variază în număr de biți de familie de PIC, și poate fi de 12, 14, 16 sau 24 de biți lungime. Setul de instrucțiuni variază de asemenea în funcție de model, cu cipuri mai puternice care adaugă instrucțiuni pentru funcțiile de procesare a semnalului digital.

Familiile de microcontrolere PIC

PIC10 și PIC12

Memorie RAM și EPROM avînd capacități reduce de ordinal sutelor de octeți

Arhitectură RISC pe 8 biți

Un număr mic de resurse hardware

PIC16

Capacitate sporită a memoriei (16KO)

Arhitectură RISC pe 8 biți

PIC17

Relocarea memoriei registrului acumulator

Protejarea acesului pentru memoria program (protecție la copier)

Memorie externă extinsă

Multiplicator hardware

PIC18

PIC24

2.3 Medii de dezvoltare

Scrierea aplicațiilor poate fi realizată în limbaj de ansamblare, indiferent de tipul microcontrolerului, această metodă este mai apropiată de nivelul fizic, fiind puternic dependent de arhitectura microcontrolerului.

Se obține în acest mod un cod mașină optimizat, ce ocupă în memoria de lucru un spațiu restrîns, asigurănd totodată o bună viteză de execuție a programului.

Metoda prezentată presupune un eford destul de mare din partea programatorului, distrăgînd atenția asupra problemei de rezolvat, programatorul va fii în cea mai mare parte atent la conceperea și alegerea unor instrucțiuni optime în vederea rezolvării problemei date.

La ora actuală, cele mai folosite sunt limbajele de nivel înalt, mult mai appropriate de limbajul natural, aceasta , grație capacitătilor mari de stocare în memoria internă și a frecvențelor ridicate de procesare a microcontrolerelor.

Mediile integrate ce sunt utilizate de către programatori, pun la dispoziția acestora instrumente grafice, intuitive, avansate, pentru funcțiile de editare , depanare, testare, și încărcare a programelor în sistemul tintă.

Fig 2.2 Mediu integrat de dezvoltare, Atmel Studio

Atmel studio, ajuns la versiunea 7.0 este un exemplu, a cărei interfață grafică este ilustrată în figura de mai sus. Este un mediu gratuity oferit de către producătorul de microcontrolere – Atmel.

Printe caracteristicile sale, putem enumera, ușurința in exploatare, configurarea facilă pentru diferite tipuri de microcontrolere și plăci de dezvoltare, un editor de cod ce oferă facilități de autocorectare, autosuggest.

Inițierea unei sesiuni de programare se poate face atat la nivel de proiect, caz în care în mod compact este creată o structură de directoare, structură ce conțin toate fișierele resursă necesare elaborării aplicației.

În general, orice aplicație software este dezvoltată etapizat, urmînd o succesiune de pași, standardizați.

Punerea problemei

Identificarea datelor de intrare și de iesire

Conceperea algoritmului – utilizănd diverse limbaje pseudocod

Scrierea programului

Verificarea programului sintactic și semantic

Compilarea programului

Testarea programului

Întreținerea programului

Atmel studio, facilitează, mai puțin descrierea algoritmului, realizarea tuturor pașilor ce trebuiesc executați în dezvoltarea software-ului.

Fig 2.3 Uploadarea codului binary

2.4 Programul inscris in microcontroller

Pentru funcționalitate, sistemele ce au logica programată au nevoie pe lînga componenta hardware și o componentă software, aceasta realizănd funcții de bază de configurare , control , implementănd aici , cu ajutorul programării procedurale, funcții ce realizează implementarea algoritmilor de comandă și control.

Avand în vedere facilitățile puse la dispoziție de către microcontroler, viteza de lucru, capacitatea de memorie, putem spune că dezvoltarea aplicației software se poate realiza utilizănd un limbaj de nivel înalt care, față de limbajul de ansamblare, este mai apropiat de limbajul natural, sintaxa lui , utilizănd expresii formate din cuvinte, deseori rupte din limba engleză.

Librăriile ce sunt puse la dispoziție, acoperă o gamă largă de nevoi, punînd la dispoziție programatorului un set puternic de funcții.

Programarea sistemului țintă este realizată utilizănd placi de dezvoltare, in cazul nostru sa utilizat o placa realizata de catre Atmel – STK500.

Aceasta placa ofera un support destul de mare, acomodand un numar destul de suficient de microcontrollere începănd de la tinyAVR pîna la megaAVR, posedand un numar de 8 socluri de extensie.

Găsim aici , pentru testare, dispositive de ieșire, format dintr-un număr de 8 led-uri ce se pot conecta în mod preferential la unul din cele patru porturi paralele prin intermediul unor conectori de tip PINHEAD cu 10 pini dispuși linear pe două randuri a cate 5 pini.

Regăsim si un număr de 8 pushbuton , ce se pot conecta ca și dispositive de intrare, prin conectori.

Programarea sistemului tintă, este realizată în patru moduri

High-Voltage Programing

Parallel High-Voltage Programing

Serial High-Voltage Programing

In-Sistem Programing (ISP)

Fig 2.4 Development Board

Pentru realizarea proiectului a fost necesar parcurgerea urmatorilor pasi, in ordinea specificata

Lansarea aplicației Atmel Studio

Crearea unui nou proiect

Alegerea tipului de placă de dezvoltare – STK500

Alegerea tipului de microcontroller (Atmega16)

Scrierea codului sursă

Compilarea codului sursă

Încărcarea codului executabil în microcontroller

Testare, eliminarea eventualelor erori.

Dezvoltarea aplicației a fost făcută utilizănd metoda spirală

Modelul spirală Modelul spirală este un exemplu bine cunoscut de metodologie a ingineriei programării. Acest model încearcă să rezolve problemele modelului în cascadă, păstrând avantajele acestuia: planificare, faze bine definite, produse intermediare. În locul reprezentării procesului software ca o secvență de activități, procesul este reprezentat în acest caz sub forma unei spirale. Fiecare buclă a spiralei reprezintă o fază a procesului software. Astfel, bucla cea mai din centru corespunde activității de stabilire a fezabilității sistemului, următoarea buclă corespunde definirii cerințelor, următoarea proiectării sistemului și așa mai departe

Funcțiile utilizate în aplicație sunt pe deoparte destinate sistemului de afișare a datelor, initializare a unor dispozitive hardware, convertoare, temporizatoare, funcții API de tratare a întreruperilor și bineînțeles funcția main.

void afisare_LCD(unsigned int numar1, unsigned int numar2, unsigned int digit)

Reprezintă funcția ce realizează afișarea datelor numerice pe elementele cu 7 segmente, parametrii ce sunt transmiși funcției sunt chiar valorile ce trebuiesc afișate, respectiv număr1 va trimite valoarea tensiunii la bornele panoului solar, număr2, valoarea timpului scurs cînd sistemul se află în una din stările de comutare, iar digit, numărul curent al digitului care este activat în sistem.

void initializare_ADC()

{

ADMUX = 0;

ADMUX |= (1<<REFS0);// Atmega16 5V pe AVCC AREF cu capacitate la masa

ADCSRA |= (1<<ADEN)|(1<<ADPS2)|(1<<ADPS1)|(1<<ADPS0);//Enable ADC si stabilire factor divizare frecventa core cu 128

}//END FUNCTION

Funcția de mai sus, realizează operațiunea de inițializare a convertorului analog-digital, cît și pornirea acestuia în modul free running mode.

Ca sursă de referință este utilizată sursa internă stabilizată cu valoarea de 5 volți ceea ce ănseamnă că, dacă aplicăm o tensiune de 5 volți la intrarea ADC, valoarea numerică furnizată de acesta va fi de 1023.

unsigned int citeste_ADC(int intrare)

{

unsigned int rezultat;

ADMUX = 0;

ADMUX = (1<<REFS0);

if(intrare == 0)

{

ADMUX |=(1<<REFS0);

ADCSRA |= (1<<ADSC);

while((ADCSRA & (1<<ADIF))==0)

{

//Asteapta sfarsitul conversiei

}

rezultat = ADCL + (ADCH*256);

}

if(intrare == 1)

{

ADMUX |=(1<<REFS0)|(1<<MUX0);

ADCSRA |= (1<<ADSC);

while((ADCSRA & (1<<ADIF))==0)

{

//Asteapta sfarsitul conversiei

}

rezultat = ADCL + (ADCH*256);

}

return rezultat;

}//END FUNCTION

Această funcție este concepută astfel încăt să întoarcă valoare citita pe unul dintre canalele convertorului ADC

Ea primește ca argument numărul canalului de conversie, o valoare între 0 și 7, și întoarce valoarea rezultatului conversiei pentru canalul selectat.

Penru o mai bună flexibilitate și o implementare mai ușoară fără probleme, sa implementat un mod de programare multithread, firele de execuție paralele, executîndu-se la apariția unor evenimente de tip intrerupere , evenimente generate în principal de depășirea capacității de numărare a numărătoarelor sincrone, atasate temporizatoarelor de 8 sau 16 biți.

Astfel, la apariția evenimentelor mai sus menționate se vor apela în mod automat funcțiile de tip ISR (Interrupt Service Routine) corespunzătoare evenimentului selectat.

}

Un fir de execuție , tot separat, ce realizează citirea portului ADC si scalarea corespunzătoare a valorii citite, pe baza faptului de liniaritate.

ISR(TIMER2_OVF_vect, ISR_BLOCK){

puteresolara = citeste_ADC(0)/51.2;

}

Unde coeficientul de 51.2 a rezultat dintr-un calcul de calibrare a ADC, cunoscănd faptul că acesta este liniar, ieșirea numerică variază ăn domeniul 0 – 1023, ce corespunde unei intrări analogice ce variază ăntre 0 – 5 Volți, rezultă că pentru a avea un cap de scală a instrumentului de măsură situat la valoarea de 20 de volți trebuie determinată factorul de scalare astfel

= 51,2

Deasemenea sa realizat și dimensionarea unui divizor electric rezistiv, astfel încăt pentru o tensiune maximă furnizată de panoul solar, capătul de scară, să avem la intrarea convertorului digital maximum 5 volți

ISR(TIMER1_OVF_vect){

if(tick<=15){if((PIND&(1<<PD7))==0){

tick = 0;

PORTB |=(1<<PB1);//Releu pe conventional

PORTA |=(1<<PA2);

PORTA &=~(1<<PA3);}

tick = tick + 1;

}

else{

tick = 0;

if((PIND&(1<<PD7))==0){

PORTB &=~(1<<PB1);//Releu pe solar

PORTA |=(1<<PA3);

PORTA &=~(1<<PA2);}

else{

if(ciclu == 0){//implementeaza un toggle folosind variabila ciclu

ciclu = 1;

PORTB |=(1<<PB1);//Releu pe conventional

PORTA |=(1<<PA2);

PORTA &=~(1<<PA3);

}

else {

ciclu = 0;

PORTB &=~(1<<PB1);//Aici este pe solar

PORTA |=(1<<PA3);

PORTA &=~(1<<PA2);

}

}

}

}

În această ultimă funcție de tratare a întreruperii generate de către TIMER1, este implementată logica de comutare a releului, RL1 căt și semnalizarea sursei de alimentare utilizate cu ajutorul ledurilor.

Tot aici se realizează și testarea apăsării butonului RETEA cu instrucțiunea de decizie

if((PIND&(1<<PD7))==0)

Funcția main, necesară oricărui program scris în limbajul C, va conține instrucțiuni de configurare a porturilor, instrucțiuni de activare a sistemului global de întreruperi

Căt si configurarea și activarea circuitelor de temporizare, ea arătînd astfel

int main(void)

{

unsigned int incarca = 0;

DDRB = 0xFF;

PORTB = 0;

DDRC = 0xFF;

DDRD = 0xFF;

PORTC = 0;

PORTD = 0;

sei();//Activare sistem intrerupere globala

DDRA |= (1<<PA2)|(1<<PA3);//Leduri pentru semnalizarea sursei de putere utilizate, PA2 – LED ROSU – SOLAR, PA3 – LED VERDE – RETEA//

DDRD &= ~(1<<PD7);//Buton trecere fortata pe energie electrica normala

initializare_ADC();//Apel funcție prin care se activează convertorul ADC

TIMSK |= (1<<TOIE0)|(1<<TOIE2)|(1<<TOIE1);//Stabilirea sursei de întrerupere aferente timerelor

//TIMER0 , TIMER1, TIMER2

TCCR0 = 0;

//Stabilirea frecvenței de numărare a timerelor prin divizarea frecvenței de ceas a sistemului

//cu un factor de divizare, denumit prescaler

TCCR0 |= (1<<CS01);//TIMER 0 PENTRU AFISAREA PE DISPLAY

//CS02 CS01 CS00 sursa

//0 0 0 fara sursa

//0 0 1 CLK

//0 1 0 CLK/8

//0 1 1 CLK/64

//1 0 0 CLK/256

//1 0 1 CLK/1024

TCCR2 = 0;

TCCR2 |= (1<<CS21)|(1<<CS20)|(1<<CS22);//TIMER 2 PENTRU CITIREA ADC-ului

//CS22 CS21 CS20 sursa

//0 0 0 fara sursa

//0 0 1 CLK

//0 1 0 CLK/8

//0 1 1 CLK/32

//1 0 0 CLK/64

//1 0 1 CLK/128

//1 1 0 CLK/256

//1 1 1 CLK/1024

TCCR1A = 0;

TCCR1B |= (1<<CS11)|(1<<CS10);//1H

while (1)

{

//Aceasta este o buclă infinită ce este necesară pentru ca program counterul sa nu-si //depășească cumva capacitate de adresare, reluînd în acest fel execuția aplicației de la adresa 0

//De regulă și aici se scriu funcții sau instrucțiuni

}

}

Capitolul III

Descrierea aplicatiei

3.1. Descrierea temei proiectului

Acest proiect a fost realizat pentru a putea profita pe cat ne este permis de resursele regenerabile, gratuite si cel mai important nepoluante pe care natura le ofera mediului. In acest caz am ales sa utilizam energia solara ca alternativa pentru energia de la retea. Proiectul presupune realizarea unui sistem fizic alcatuit din mai multe componente, care este controlat la nivel software, astfel in cat sa comute in mod inteligent consumatorii unei locuinte fie pe reteaua stradala fie pe reteaua solara.

Problema propusă în lucrarea de față cere găsirea unei soluții de eficientizare a costurilor energiei electrice consumate într-o locință. Se știe, și vom argumenta, că prețul energiei electrice de pe piața liberă diferă pe intervalele orare dealungul unei zile – 24 de ore, putănd fii distinse diferite intervale orare, de zii și de noapte, unde prețul variază, nepaipunînd in calcul orele considerate de vărf, cănd prețul unui kwh este maxim.

Fig 1.8 Tarife ENEL pentru energie electric

Fig 1.9 Tarife ENEL pentru energie electrica

Observăm, din imaginile de mai sus, că pentru un utilizator casnic conectat la rețeaua de joasă tensiune (JT) există două tarife diferențiate pentru perioada de zi și de noapte.

Astfel pentru perioada de zi prețul unui KWh este de 0.445RON iar pentru perioada de noapte, prețul unui KWh este de 0.320RON.

Situația propusă în acest caz este de a utiliza pe timp de zi o sursă de energie alternativă, ecologică.

Putem folosii diferite surse alternative, energia eoliană, energia solară, energie termală,etc..

Dintre aceste tipuri cea mai la ăndemănă se dovedește a fii energia solară, fiind necesar un cost de investiție mult mai mic decăt în cazul turbinelor eoliene. Nivelul de energie solară, în țara noastră se situează la valoarea de aproximativ 1kw pe metru patrat.

Observăm din harta prezentată în figura de mai jos că, țara noastră se bucură, pe o suprafață destul de vastă , de o cantitate suficientă de energie solară, suficientă, mai ales pe zonele de șes si deal, pentru un necesar zilnic de consum al unei gospodării, fără a implica costuri exagerat de mari.

Fig 2.0 Harta radiatiei solare din Romania

3.2. Structura aplicatiei

3.2.1 Sistemul de afisaj

Sistemul de afișare, realizează interfațarea dintre om (utilizator) și echipament, cu ajutorul lui fiind transmise informații despre

Tensiunea furnizată de panoul solar

Temporizarea pentru intervalul orar de zii respectiv de noapte

Timpul scurs pînă la expirarea intervalului curent

Tipul de energie utilizat (convențională sau solară)

Elementele de afișare utilizate sunt de tipul digit cu sapte segmente, acestea asigurînd o bună vizibilitate atît pe tim de zi căt și pe timp de noapte, au un consum de curent relativ mic (80mA) și de asemenea un preț de cost scăzut.

Fig 2.3 Sistem de afisare compus din 3 digiti

3.2.2 Generalitati privind un digit

Constructiv, un digit este realizat dintr-o capsulă de plastic ce înglobează un număr de 7 diode electroluminiscente – LED, montate într-o configurație specifică ce amintețte de cifra 8, după cum se poate observa și în figura de mai sus.

Ledurile au fiecare un ghid de unda luminoasă ce posedă caracteristici optice de difuzie foarte diferite pe cele trei axe (X,Y,Z), astfel încăt propagarea luminii se face foarte facil în mod transversal decăt în cel longitudinal.

Led-urile sunt conectate în paralel, fie la catod , conexiunde ce poartă denumirea de catod-comun, fie la anod, conexiune ce poartă denumirea de anod comun.

Anozii, respectiv catozii, pentru fiecare segment, sunt accesibili din exteriorul capsulei, grație unor pini de conexiune.

Digiții sunt produși pe diferite dimensiuni și culori în funcție de necesități, de distanța de amplasare față de operator, etc …

Deasemenea, fiecare digit mai este prevăzut cu un LED pentru simbolul punctului zecimal, util la reprezentarea numerelor fracționale.

În ceea ce privește gama de culori, este predominant culoarea roșie și verde, mai rar întălnindu-se culori precum galben , albastru , alb.

Fig 2.4 Schema electrica de conexiune

Segmentele digitului au denumiri consacrate în literatura tehnică de specialitate , respectiv , a se vedea și figura de mai sus a, b, c, d, e, f, g.

Astfel de exemplu, pentr a afișa cifra unu este necesar sa se activeze segmentele b și c, pentru cifra 8, se vor activa toate cele 7 segmente – a,b,c,d,e,f,g, cifra 4 va avea active segmentele, f,g,b,c , etc …

Pentru a putea utiliza un afișaj cu 7 segmente, fie se folosesc circuite de decodoare BCD la 7 segmente , un exemplu fiind CD4511 , sau MMC4511, fie, cum este în cazul nostru, folosind un port al microcontrolerului.

Implementerea logicii de afișare se face pe baza următoarelor tabele de adevăr.

Pentru conexiunea catod comun

Tabelul 1. Logica de activare a segmentelor pentru modul cato-comun

În situația în care conexiunea este de tipul anod comun , logica de activare a segmentelor , pentru obținerea unui anumit simbol este cea dată în tabelul 2.

Tabelul 2. Logica negativa

3.2.3 Topologiile de conectare a sistemului de afișare

Modurile de conectare a sistemului de afisare la microcontroler sunt de două feluri.

Prima asigură o conexiune directă, fiecare segment ce apartine unui digit are propriul său circuit electric, fiind conectat la căte un pin din portul microcontrolerului.

Această metodă este foarte neeconomică, necesitănd un număr mare de circuite electrice, care, spre exemplu în cazul nostru, pentru un afișaj de 3 digiți , avem nevoie de 21 de circuite electrice, deci trei porturi din totalul de patru ale microcontroller-ului vor fii ocupate doar de către un sistem de afișare. Situația se prezintă și mai dramatic dacă avem nevoie de mai multe sisteme de afișare.

Schematic, legăturile electrice se realizează conform figurii de mai jos

Aici observăm situația în care se utilizează un driver – decodificator din cod zecimal codificat binar în cod 7 segmente.

Dimensionarea rezistorilor de limitare , ce vor fi amplasati pe fiecare segment, se va realiza prin aplicarea legii lui ohm pentru un circuit simplu, anume

Unde, în cazul nostru = 2.2volți, =0.08A, =5volți

R = 200 ohm

Fig 2.5 Circuit echivalent de calcul

Conectarea sistemului de afișare , la microcontroller se face conform schemei de mai jos.

Fig 2.6 Conectarea digitilor la microcontroller

O a doua metodă , are la bază o decoperire veche ce fructifică deficențele simțului nostru vizual, mai exact, faptul ca o imagine persistă o fracțiune de timp pe retina ochiului.

Astfel , succesiuni rapide ale unor imagini distincte, vor crea senzația de imagine compactă, întreagă.

Pe acest principiu se bazează și afișarea cu multiplexare prin diviziune în timp, anume , cifra corespunzătoare unui rang din număr, va fi afișată un interval scurt de timp, urmănd a fi afișată cifra corespunzătoare urmaătorului rang din număr , totul repetăndu-se în mod ciclic.

Fig 2.7 Conectarea in mod multiplexat al digitilor

Avantajul acestui tip de conexiune este dat de numărul mic de conexiuni, care, după cum se poate observa din figura de mai sus este , pentru trei digiți, în număr de zece conexiuni.

Legătura este simplă, segmenții fiecărui digit fiind legați în mod paralel, astfel, segmentul A corespunzător digitului unităților este conectat cu segmentul A ce corespunde digitului zecilor și mai apoi este conectat cu segmentul A al digitului pentru simbolizarea sutelor, și așa pînă la epuizarea segmentelor.

Comutarea digiților se face cu ajutorul unor tranzistori bipolari conectați fie în conexiune emitor – comun pentru digiții cu catod – comun, fie în mod colector-comun, pentru digiții cu anod-comun.

3.2.4 Microcontroler ATMEGA16

Logica de acționare, este reprezentată de însuși microcontroller, acesta coordonează întreg sistemul , pe baza evoluției unui program, conceput special pentru a configura și a controla întregul sistem.

Alegerea tipului de microcontroler se va face ăn funcție de necesarul de resurse utilizate, respectiv, porturi paralele, convertoare analog-numerice, temporizatoare.

Analizănd datele problemei propuse, observăm că avem nevoie de o intrare în convertorul ADC, necesară pentru monitorizarea tensiunii pe panoul fotovoltaic.

Pentu afișarea tensiunii pe panou , cu ajutorul afișajului cu trei digiți , căt și pentru monitorizarea timpului de comutare, avem nevoie de 13 iesiri, 7 pentru segmente si 6 pentru comanda catozilor.

O ieșire pentru comanda comutatorului de schimbare a sursei de alimentare, alternativă sau convenșională

Două ieșiri pentru semnalizarea stării curente a sursei de alimentare

Totalizănd , avem nevoie de un circuit care să aisigure un minim de 16 ieșiri digitale, respectiv o intrare analogică.

Atmega16, este un microcontroler din seria AVR, ce dispune congorm fișei producătorului (Atmel) de un număr de 4 porturi a 8 biți, 8 intrări pentru convertorul analog-numeric, temporizatoare pe 8 respectiv 16 biți.

Aceste resurse fiind suficiente pentru atingerea scopului problemei propuse.În Anexa 1 putem observa schema bloc a microcontrolerului, iar în Anexa2 diagrama conexiunilor la pinii capsulei.

Avănd în vedere faptul că, conform foii de catalog a producătorului , fiecare port poate fi configurat în mod separat și la nivel de pin, atît ca port de intrare căt și ca port de ieșire, realizarea conexiunilor între diversele subsisteme este destul de flexibilă fiind lăsată la latitudinea proiectantului, alegerea fiind una pseudo aleatorie.

Totuși am ales portul PORTD – pentru sistemul de afișare , iar portul PORTC pentru comande catozilor digiților.

Singura constrîngere este pentru intrările convertorului analog-digital, acestea ocupănd cei 8 pini ai portului PORTA, desigur, dacă nu sunt necesare toate intrările analogice, cele rămase pot fii utilizate ca intrari respectiv iesiri digitale la nivel de pin, printr-o configurare software adecvată.

În continuare , vom centraliza într-un tabel atăt porturile căt și dispozitivele periferice conectate, acesta fiind primul pas spre realizarea schemei electrice de principiu.

Pentru cele două, sisteme de afișare, conectarea se va realiza astfel

Pentru realizarea comenzii digiților se vor asigna porturile conform tabelului de mai jos

Conectarea led-urilor de semnalizare a stării în care se află sistemul se va realiza astfel

Astfel vom asigna, tot în mod arbritrar porturile PB2 respectiv PB3

În situațiile de urgență cînd este necesară deconectarea panoului fotovoltaic, și al acumulatorului, pentru operațiile periodice de întreținere și mentenanță, sa prevăzut o modalitate de comutare în mod forțat, cu ajutorul unui buton electric cu reținere, exclusiv pe sursa electrică convențională.

Singurele elemente ce mai rămîn de conectat sunt, circuitul RC pentru resetarea la punerea sub tensiune a microcontrolerului, sursa de alimentare, sursă care este realizată în modul monolitic, utilizănd un circuit liniar de stabilizare a tensiunii la valoarea nominală de 5 volți, L7805.

3.2.5 Releul

Elementele de comutare a surselor de alimentare sunt realizate, avănd în vedere perioada mare de comutare, cu relee electrice, comandate cu ajutorul unor tranzistoare bipolare de medie putere

Releul

Releul electric este un element de circuit electromecanic, realizat dintr-un electromagnet și una sau mai multe perechi de contacte, acționate printr-o părghie mecanică.

La trecerea unui curent electric prin bobina electromagnetului, se produce un cîmp magnetic ce va atrace unul din capetele pîrghiei mecanice de acționare a contactelor electrice, acestea modificăndu-si starea.

În funcție de poziția inițială a contactelor electrice , cănd releul nu este anclanșat, distingem relee cu contacte aflate pe poziție normal-deschise (situație în care circuitul electric este întrerupt), respectiv relee cu contacte, normal închise (situație în care circuitul este continuu).

Acționarea releelor, datorită sistemelor mecanice , se face la frecvențe mici de sute pîna la mii de herți, ceea ce putem concretiza ca bobina electromagnetului, raprtată la inductanța sa , functionează în curent continuu.

Astfel la dimensionarea elementelor de circuit, este utilizată valoarea rezistenței electrice a bobinei, valoare specificată și în foile de catalog ale producătorilor.

Tensiunile de anclanșare pot fi de 5, 6, 12, 24 volți.

Tensiunile suportate de contactele electrice pot fii de 110 , 240 volți iar intensitățile curenților ce străbat aceste contacte pot fi de 10 – 100 Amperi

3.2.6 Acumulator 12v

Bateria de acumulatori de 12 volți, este un acumulator capsulat de tipul VRLA battery, avănd un curent de 1.2 Amperi.

Încărcarea acestuia se va face din panoul solar, printr-un stabilizator de tensiune de 12 volti de tipul L7812

VRLA Battery

Caracteistica de încărcare a acumulatorului este dată de curba de încărcare , ce se poate vedea în figura de mai jos

Observăm în primă fază o crestere liniară a tensiunii în primele 8 ore de încărcare cu un curent constant de ăncărcare , a cărei curbă este paralelă cu axa timpului, urmată de o scădere expnențială a curentului de încărcare pînă la valoarea de 0.

3.2 Descrierea modului de functionare

Comutarea între cele două surse de energie se va face în mod automat prin temporizare, la nivel de prototip se vor scala corespunzător timpii de temporizare pentru a nu influența în mod defavorabil prezentarea proiectului datorită unor perioade de așteptare între comutări prea lungi.Astfel sa ales ca întreg intervalul de 24 de ore să fie reprezentat în secunde, perioada de zi corespunzănd unei lungimi de 14 secunde iar cea de noapte de 10 secunde.

Pentru a realiza invarianța energiei furnizate la fluctuațiile de intensitate a luminii pe timp de zi (zii cu înorată cu averse de ploaie , lungimea scăzută a unei zile în perioada de iarnă) se va folosii un sistem de stocare a energie electrice convertite de panoul solar, cu ajutorul unui acumulator.

Imediat la punerea sistemului sub tensiune, cu ajutorul conectării sursei auxiliare de 9 volti prin cuplarea la conectorul simbolizat pe schema cu 9VBATT, acesta pornește în modul de conectare a consumatorului pe sursa de energie solară, lucru semnalizat prin indicatorul optic LED de culoare roșie.

Afișajul destinat urmăririi timpului de temporizare va începe contorizarea numărului de secunde cît sistemul sta pe energie regenerabila, respectiv 14 secunde.

La expirarea acestui timp, afișajul TEMPORIZARE își va începe de l 0 numărătoarea, contorizănd timpul scurs de această data , cînd sistemul se află pe alimentare cu energie convențională, lucru de asemenea semnalizat cu ajutorul LED-ului de culoare verde.

În permanență se poate monitoriza tensiunea electrică la bornele panoului solar, valoarea acesteia, exprimată în volți fiind afișată pe displayul notat în schema electrică TENSIUNE PANOU SOLAR.

În situația de defectare a sistemului de alimentare cu energie solară, sau în perioadele cănd se realizează mentenanța acestuia, în mod manual și independent de deciza sistemului, se poate trece forțat pe alimentarea din sursa electrică convențională, la simpla apăsare a butonului notat RETEA.

Un al trei-lea display, va afișa alternativ perioada maximă cît va sta sistemul pe durata de zii respectiv pe durata de noapte, respectiv valoarea numerica 14 și 10 secunde.

3.2. Schema de principiu si schema electrica

În practica inginerească se pot distinge două metode pentru proiectarea unui sistem, metode ce au particularitășile lor.

Prima metodă poartă numele top-down , aici proiectarea sistemului începe prin abstractizarea și eliminarea detaliilor , întregul sistem este vazut ca o cutie neagră ce are un număr de intrări și de ieșiri, acestea determinănd funcția de transfer, funcție care, în funcție de complexitatea sistemului poate fi liniară sau neliniară.

Sistemul considerat ca o cutie neagra

Abordarea descendentă (top-down) constă în a coborî, pe scara piramidei ierarhice până la bază, realizând totodată și o analiză. Această viziune consideră că un anumit domeniu este compus din părți corelate între ele și cu legături cu exteriorul, fiind caracteristică pentru toate sistemele . Adepții acestei abordări consideră că este mai bine să se creeze și să se realizeze din start un sistem care să țină cont de obiectivele planificate, abordată într-o manieră globală, decât să se încerce a se integra a posteriori subsisteme informatice independente.

Astfel vom realiza o abordare , recursivă, în care întreg sistemul reprezintă o colecție de subsisteme ce interacționează atît între ele căt și cu mediul înconjurător, schimbănd informație, pînă ajungem la elemente simple constituente. Ca o paralelă, în informatică, acest model de abordare a unei probleme poartă denumirea Divide Et Impera.

Proiectarea Top Down

O a doua metodă utilizată în proiectare este cea bottom-up, aici se pornește de la sisteme mici, simple cunoscute din punct de vedere al funcționalitășii lor, realizănd cu ajutorul acestora, subansamble mai complexe pînă la atingerea scopului final, propus de problema ce trebuie rezolvată.

Această metodă de abordare a problemei este utilizată cu precădere la sisteme relativ simple , în situația în care cunoaștem foarte bine fiecare structură funcțională de bază.

Schema de principiu

Consumatorul este reprezentat de un sistem de iluminare de 12 volți, practic un LED ultrabright, ce va fii alimentat în mod automat o cu ajutorul releului RL1 o perioadă de 14 secunde , pe timpul de zi , din sursa solară, respectiv o perioadă de 10 secunde pe timpul de noapte din sursa

convențioală, în cazul nostru , un alimentator electric stabilizat , cu tensiunea nominală de 12 vcc și un curent maxim de 2 amperi, conectat la planșetă cu ajutorul conectorului RETEA.

Bateria de acumulatori de 12 volți, este un acumulator capsulat de tipul VRLA battery, avănd un curent de 1.2 Amperi.

Încărcarea acestuia se va face din panoul solar, printr-un stabilizator de tensiune de 12 volti de tipul L7812

Schema electrică de principiu este următoarea

Schema electrica de principiu

la care se adauga pentru afișarea timpului de temporizare atribuit fiecărui interval orar doi digiți, conectați în logică cablată și un decodor BCD – 7segmente din seria CD4511, conform schemei electrice de mai jos

Capitolul IV

CONCLUZII

Proiectarea și realizarea acestui stand experimental a necesitat un studiu amplu și amănunțit privind diverse discipline cum ar fi:

1. electronica pentru realizarea montajelor electronice

2. programarea microcontrollerelor

3. softuri utilitare

Rezultatul este unul cât se poate de practic, un sistem inteligent care din considerente financiare si pentru a reduce gradul de poluare sa managerieze consumul de energie intro locuinta astfel in cat sa comute de pe reteaua solara pe reteaua stradala si invers in functie de pretul kW/h

Montajul a fost realizat în condiții de securitate a muncii și respectă normele de securitate în funcționare, fiind alimentat cu tensiuni reduse.

BIBLIOGRAFIE

1. Cristian Bucur, Dispozitive Electronice și Eelectronica Analogica, Editura Universitatii “Petrol-gaze” Ploiești, 2007

2. Armin Thembl, Instalatii solare, Colectia „Poti face si singur”

3. Cristian Bucur, Circuite electronice, Editura Universității „Petrol-Gaze‖ Ploiești, 2005;

4. D. Ungureanu, P. Todos, I. Sobor, Surse regenerabile de energie, Editura Tehnica, 1999;

5. Frank Spate, Heinz Ladener, Technica utilizarii energiei solare. Manual de executie, Colectia „Poti face si singur”;