Procesul de Obtinere a Energiei Electrice din Energia Solara

CUPRINS

Introducere

Procesul de obținere a energiei electrice din energia solară

2.1.Scurt istoric

2.2. Energia Solară

2.2.1. Specificații

2.3. Efectele temperaturii și radiației solare aplicate panoului fotovoltaic

2.4. Factorul de umplere

2.5. Efectul fotovoltaic

2.6. Celula solară

2.6.1. Tipuri de celule solare

2.7. Panoul Solar Fotovoltaic

2.7.1. Componentele unui panou solar fotovoltaic

3. Microcontrolerul PIC16F887

4. Punctul de putere maximă

4.1. Metoda incrementării inductaței

4.2. Metoda în care este introdus un acumulator

4.3. Metoda controlului puterii convertorului

4.4. Metoda calcului tensiunii de referință

4.5. Metoda scurt-circuitării curentului

1.INTRODUCERE

În perioada actuală, datorită valurilor de explozii manifestate la nivelul prețului combustibililor se încearcă tot mai mult utilizarea resurselor regenerabile în mai toate domeniile care permit acest lucru. Așadar se remarcă prezența a trei mari categorii de resurse regenerabile și anume: eoliană, geotermală și solară.

În lucrarea de față se va prezenta energia de tip solară, față de care în prezent se manifestă un interes foarte crescut , atât la nivel energetic (în producerea curentului electric) cât și la nivel automobilistic ( în producerea mașinilor alimentate cu panouri solare).

Principalul considerent pentru care acest domeniu de activitate se află în plină expansiune este acela că acest tip de resursă devine regenerabilă, adică se reproduce în natură, având un caracter nepoluant asupra ei, așa cum combustibilii tot mai greu de produs devin poluanți pentru natură, în special prin emisiile de degajate în mediul înconjurător.

Așadar odată cu evoluția sistemelor de transformare a energiei solare în energie electrică apar numeroase proiecte care pot încorpora în structura lor energia solară.

Un sistem regenerabil de energie solară este în ansamblu un sistem de achiziții de date format dintr-un panou solar sau un lanț întreg de astfel de panouri solare (depinde de scopul utilizării ), un convertor electronic de putere , un sistem de comandă și control care este “serverul” acestui sistem controlând toate procesele desfășurate în structura unui astfel de sistem de achiziții de date.

Sistemele de achiziții de date au apărut ca o nevoie de concepere a unor sisteme complexe și inteligente care să fie capabile să realizeze numeroase funcții și să cuprindă cât mai multe echipamente electronice gestionate de un centru de management și control. Astfel se remarcă apariția a două tipuri importante de sisteme de achiziții de date și anume : sisteme de achiziții de date destinate aplicațiilor obisnuite și sisteme de achiziții de date pentru aplicații industriale.

Prima categorie de sisteme de achiziții de date a fost implementată odată cu dezvoltarea echipamentelor IT și în principal cu cea a calculatorului. Astfel a fost posibilă introducerea de noi aplicații prin intermediul unor programe special concepute și anume MATLAB și LABVIEW. Orice sistem de achiziții de date folosit în aplicații industriale are un început, o bază, adică înainte de introducerea în mediul industrial un astfel de sistem este întâi testat; și cum poate fi testat dacă nu prin intermediul unor programe dedicate?!

Sistemele de achiziții de date pentru aplicații industriale prezintă câteva concepte noi, care le deosebesc de sistemele de achiziții de date pentru utilizări generale și anume existența unor senzori conectați la un centru de management și control, care se interfațează cu operatorul uman.

Revenind la procesul de transformare a energiei solare în energie electrică acesta se poate realiza cu ajutorul unor procesoare digitale de semnal sau cu ajutorul unor microcontrolere.

O schemă tipică a unui echipament de conversie a energiei solare este prezentată în figura de mai jos:

[2] Figura 1.1 Echipament de conversie a energiei solare

O astfel de schemă este compusă, în ordinea ei de la stânga la dreapta, din următoarele componente:

panoul solar, format din celule solare, ajută la conversia radiațiilor luminoase în energie electrică;

convertorul DC/DC ajută la conversia energiei electrice primită de la panoul solar în energie capabilă de a fi captată de diverși acumulatori;

invertorul care este comandat de un sistem de comandă și control, prin PWM ajută la conversia curentului continuu în curent alternativ;

filtrul are rolul de a reduce zgomotele produse de invertor.

În principiu un panou solar este format din mai multe straturi, primul

este de fapt o sticlă de protecție plasată pe fața superioară a panoului, al 2-lea este un material incolor conceput din etil vinil acetat. Al 3-lea reprezintă chiar celulele mono sau policristaline. Pe suprafața interioară se aplică un strat din plastic rezistent la variațiile meteorologice. Un panou mai este dotat cu o priză de conectare, care conține o diodă de protecție.

În final ansamblul panoului este încapsulat într-o ramă specială de cele mai multe ori aluminiu, necesară pentru fixare și protecție.

Convertorul reprezintă practice o sursă de comutație (BUCK, BOOST, BUCK-BOOST, FLY-BACK) care aproximeaza în permanență tensiunea și curentul produs de panoul solar. Convertorul lucrează în permanență la frecvențe de zeci de kilohertzi.

Invertorul este de mai multe tipuri: punte, semipunte sau multinivel, este cel care ajută la conversia curentului continuu în alternativ, astfel încât tensiunea de la ieșirea lui să fie identică cu cea a rețelei pentru care o furnizează. Este comandat prin modulația impulsurilor în durată de către sistemul de comandă și control.

Sistemul de comandă și control este compus din microcontrolere, procesoare digitale de semnal. De asemenea el controlează și impedanța sarcinii.

Procesoarele digitale de semnal și microcontrolerele prin structura lor complexă reușesc să obțină mai multe semnale analogice în timp real.

2.Procesul de obținere a energiei electrice din energia solară

2.1. Scurt istoric

Acest proces de obținere a energiei electrice sub acțiunea radiației solare, care poartă denumirea de efect fotovoltaic a fost descoperit în anul 1839 de fizicianul Alexandre-Edmond Becquerel de origine franceză. [5]

Termenul fotovoltaic în sinea lui este constituit din două părți și anume: “photos “ care semnifică lumina și “volta” care provine de la numele fizicianului Allesandro Volta, cel care a creat prima baterie din lume.[5]

Componenta de bază a acestui tip de dispozitiv o reprezintă celula solară, compusă în majoritatea cazurilor din siliciu și care datorită extinderii sale pe glob duce la creearea unor dispozitive cât mai robuste și cât mai puțin costisitoare.

Satelitul Vanguard este primul satelit lansat în anul 1958 care utilizează acest tip de celule. Randamentul conversiei era de 10% , iar puterea furnizată de toate aceste celule solare era de 0.1 W. [5]

2.2. Energia solară

Așa cum la energia eoliană puterea este realizată cu ajutorul vântului, la energia geotermală cu ajutorul apei, așa și la energia solară componenta fundamentală o constituie Soarele.

2.2.1. Specificații

Distanța între Pământ și Soare: 1,496 * 108 Km

Greutate totală: 1.9891 * 1030 Kg

Temperatura: 5780 K

Diametru: 1.392*106 Km (109 ori mai mare ca Pământul)

Cercetările realizate dealungul timpului au demonstrat că Soarele a luat naștere acum 4.6 miliarde de ani, aflându-se în prezent în centrul evoluției sale. În fiecare clipă 4 milioane de tone de componente sunt transformate prin procese fizice în radiație solară și binecunoscuta celulă, neutrino.

Radiația solară are o valoare de 1353 W/ în momentul în care intră în atmosferă. Principalul avantaj al energiei solare, așa cum am precizat în capitolele anterioare este acela că este regenerabilă și nu devine dăunătoare. Radiația solară are o lungime de undă egală cu .

1.5 miliarde de MWh reprezintă “cadoul” ce Soarele ni-l oferă în fiecare an, prin intermediul energiei solare, rămâne la latitudinea noastră cum il exploatăm pe tot?!

2.3. Efectele temperaturii și radiației aplicate panoului fotovoltaic

Temperatura respectiv radiația solară reprezintă doi parametrii vitali în buna funcționare a panoului solar. Datorită variației zilnice a acestor parametri este necesară urmărirea zilnică a acestui punct de putere maximă, pentru a putea asigura maximul de putere, de altfel prescris și în foile de catalog.

Urmărind variația temperaturii în acest proces se observă că ea afecteaza în mod direct tensiunea,mai precis tensiunea de deschidere a circuitului exact ca în formula de mai jos:

[5]

În concordanță cu temperatura tensiunea este invers proporțională cu aceasta, și este negativă, așadar când temperatura crește, tensiunea scade. O mică modificare se observă la nivelul curentului, acesta crește puțin o dată cu temperatura, dar nu influențează scăderea drastic a tensiunii. În figura 2.1 se prezintă schimbarea caracteristicilor tensiune-curent respectiv tensiune-putere în funcție de temperatură.

[5]Figura 2.1 Variația puterii și a curentului în funcție de tensiune, la 3 temperaturi diferite și atunci când gradul de radiație este constant (1kw/m2)

Schimbarea caracteristicii tensiune-curent respectiv tensiune-putere în funcție de factorul de radiere este prezentată în figura 2.2:

[5]Figura 2.2 Se prezintă variația puterii și a curentului în funcție de tensiune la 3 nivele diferite ale gradului de radiere și temperatura este constantă (25 C)

Curentul foto-generat variază în mod direct cu nivelul de radiație, implicit curentul de scurt-circuit este direct proporțional cu radiația. Când punctul de scurt circuit nu este atins, puterea nu este generată , așadar principalul factor care intervine în formarea curentului panoului fotovoltaic fiind descris de următoarele ecuații.

[5]

[5]

Așadar acesta este principalul motiv pentru care caracteristica tensiune-curent se modifică parametric o dată cu radiația, iar tensiunea de deschidere o circuitului are o valoare logaritmică descrisă în formula de mai jos:

[5]

2.4. Factorul de umplere

Factorul de umplere (Fill Factor) se poate defini ca și în formula de mai jos, utilizând în ecuație patru parametrii și anume curentul , tensiunea , tensiunea la care se deschide circuitul , și curentul de scurtcircuit .

[5]

Valoarea în care acest factor de umplere se încadreaza ar trebui să fie constantă și egală cu 0.70.[5]

2.5. Efectul fotovoltaic

Principiul efectului fotovoltaic este cel mai bine descris prin intermediul unui semiconductor format din două zone: o zonă de tip p și o zonă de tip n. Datorită joncțiunii de tip P-N care apare la limita de separație a celor două zone, zona astfel evidențiată expusă timp îndelungat la lumina razelor solare va furniza suficientă energie încât să poată alimenta un circuit. Acest proces se realizează prin ciocnirea electronilor din cele două regiuni, mai precis a fotonilor.

În urma ciocnirilor aceștia trec din banda de valență în banda de conducție și duc la apariția unor goluri în banda de conducție. Sub acțiunea lui E se va realiza deplasarea electronilor din banda de valență , de la regiunea de tip P la cea de tip N și deplasarea golurilor din banda de conducție de la regiunea N la cea de tip P.

Descrierea matematică a procesului:

se notează:

= lățimea zonei de separație dintre cele două regiuni (P și N);

=tensiunea formată în acestă zonă;

=intensitatea câmpului electric imprimat.

apare astfel relația de legătură între aceste relații:

;

Energia necesară a unui electron pentru a străpunge stratul de baraj trebuie să îndeplinească următoarea formulă:

[1]; unde reprezintă sarcina

electronului, care o dată cu pătrunderea în stratul p va forma o pereche de tip electron-gol; perechea electron-gol este condiționată de durata de viață , care atât timp cât va fi mică, va conduce la formarea unui curent interior inutil, iar atunci când va fi mare va conduce la apariția curentului fotolelectric intern.

Curentul elsului:

se notează:

= lățimea zonei de separație dintre cele două regiuni (P și N);

=tensiunea formată în acestă zonă;

=intensitatea câmpului electric imprimat.

apare astfel relația de legătură între aceste relații:

;

Energia necesară a unui electron pentru a străpunge stratul de baraj trebuie să îndeplinească următoarea formulă:

[1]; unde reprezintă sarcina

electronului, care o dată cu pătrunderea în stratul p va forma o pereche de tip electron-gol; perechea electron-gol este condiționată de durata de viață , care atât timp cât va fi mică, va conduce la formarea unui curent interior inutil, iar atunci când va fi mare va conduce la apariția curentului fotolelectric intern.

Curentul electric intern se formează din două categorii de curenți, o parte curentul cedat de acceptorii regiunii “p” și o parte de curentul cedat de donorii din regiunea “n”. Se formează astfel două tipuri de curenți și anume: curentul și curentul .

Apare relația de legătura între cei doi curenți descrisă în formula de mai jos:

[1];

unde: U – tensiunea la bornele celulei fotoelectrice U=RI;

k – constanta lui Boltzmann ;

T – temperatura absolută a celulei

Datorită expunerii continue la soare a celulei solare, în unitatea de timp, va apărea curentul sursei pe care îl v-om nota cu și conform [1] va avea următoarea expresie:

;

Relația de mai sus definește și structura de ansamblu a convertorului fotoelectric descris mai jos prin următoarea imagine:

[1] Figura 2.3 Schema convertorului fotoelectric

Convertorul fotoelectric are mai multe moduri de funcționare descrise în etapele de mai jos:

pentru funcționarea în gol:

relația de legătură între curentul sursei și curentul intern are următoarea formă:

;

relația de legătură între curentul intern și curentul :

;[1]

apare astfel tensiunea termică a convertorului fotoelectric:

;[1]

pentru funcționarea în scurtcircuit:

puterea maximă debitată se deduce din formula și are următoarea formă:

;[1]

randamentul convertorului fotoelectric are următoarea formă:

;[1] valorile optime ale randamentului trebuie să aibă valori cuprinse între 0.07 și 0.14 și este influențată de doi parametri: temperatura și lumina.

2.6. Celula solară

Celula solară constituie o altă componentă fundamentală a unui panou fotovoltaic, constituită în majoritatea cazurilor din Siliciu, fiind formată în mod obligatoriu dintr- joncțiune de tip P-N. Joncțiunea p-n depinde de doi parametri fundamentali și anume dimensiunea și grosimea acesteia, pe măsura ce dimensiunea va fi tot mai mare și randamentul conversiei va fi tot mai mare, și pe măsura ce grosimea va fi tot mai redusă lumina va putea pătrunde mai ușor în interiorul celulei solare.

[2] Figura 2.4 Straturile componente ale unei celule solare

Un panou solar reprezintă de fapt un ansamblu de astfel de celule solare care sunt interconectate între ele alcătuind un panou solar compus din două straturi: unul transparent și altul protector, care conform [7] poate furniza puteri cuprinse între 5W și 200W ajungând de mult ori până la 300W.

Stratul care are rolul de a prelua lumina solară este depus peste joncțiunea de tip N și are în componența sa chimică un sulfat de cobalt, acesta din urmă având rolul de a prelua lumina solară, a reflecta o mică parte din aceasta și a o transmite pe cealaltă celulei solare. Stratul de protecție este poziționat deasupra celulelor solare având în mare parte rolul de protecție a panoului solar împotriva intemperiilor (precipitații, îngheț, ș.a.m.d)

Între fiecare strat, cel de protecție, cel care conține joncțiunea p-n și cel absorbant se găsește un suport de susținere metalic care are rolul de a prelua curentul cedat de purtătorii de sarcină. Tensiunea generată de un panou fotovoltaic, cu terminalele în gol este de 0.6 V iar curentul este de ordinul miliamperilor sau a zecilor de miliamperi.[2]

În figura 2.5 se prezintă descrierea modelului ideal al unei fotocelule:

[2]Figura 2.5 Modelul ideal al unei celule solare

Se notează cu curentul produs de intensitatea luminoasă, fiind egal cu puterea fluxului de fotoni; D este o diodă și face parte din ansamblul fotocelulei ca motiv al existenței joncțiunii p-n; indicate în partea stângă a figurii de mai sus reprezinta tensiunea, respectiv curentul anodic utilizat de dioda ideala. reprezinta o rezistentă utilizată de circuit pentru valori mici ale tensiunii anodice; respectiv rezistența contactelor metal-semiconductor. reprezintă rezistența de sarcină, tensiunea de sarcină respectiv curentul de sarcină.

Tensiunea de funcționare în gol a celulei are următoarea formă:

=,[2] unde k reprezintăconstanta lui Boltzmann, T reprezintă temperature (K), e este sarcina electronului.

Valoarea curentului de scurtcircuit are următoarea formă:

; [2]

Puterea maximă creată de o celulă fotovoltaică poate fi exprimată prin următoarea formulă, atunci când intensitatea luminoasă este tot mai mare, astfel încât și căderea de tensiune pe .

[2]Figura 2.6 Modelul ideal al unei celule solare, varianta simplificată

Se pornește de la schema simplificată a figurii 2.6 obținându-se curentul de sarcină[2].

Puterea obținută de o celulă solară în urma interacțiunii cu intensitatea luminoasă are următoarea relație de calcul: ;[2]

În urma prelucrării prin derivare a acestei formule se obține într-un punct notat M, de tensiune și curent o putere maximă în acest punct. Rezultă relația de calcul finală,care are următoarea formă: ;[2]

Tipuri de celule solare existente în comerț

2.7. Panoul solar fotovoltaic

Apariția panourilor solare a fost cauza unor experimente eronate , când în jurul anilor 1839 fizicianul Edmund Becquerel descoperă procesul fotovoltaic, mai sus descris, în jurul anilor 1883 Charles Fritts descoperă prima celulă solară, care avea o eficiență de 1%, explozia domeniului de studiu asupra tehnologiilor solare sa realizat în 1954 când la Bell Laboratories se află că, conductorii de siliciu sunt sensibili la lumină. În 1958 apare primul panou creat de Hoffman Electronics.

În evoluția panourilor solare se remarcă împărțirea acestui domeniu în două mari și importanteramuri:

panouri solare termice

panouri solare fotovoltaice

A doua categorie este și cea studiată de mine, categorie în care panourile solare fotovoltaice sunt destinate transformării energiei solare în energie electrică, cu deosebire de prima categorie în care se realizează conversia energiei solare în energie termică.

2.7.1. Componentele unui panou solar fotovoltaic

Din structura unui panou solar fac parte următoarele componente:un geam securizat, rezistent la intemperii, de fapr construcția unui panou solar începe prin curățarea unui astfel de geam peste care se aplică stratul de etil vinil acetat; celulele solare, în funcție de caz: mono sau policristaline, care vor fi legate între ele; o folie tratată chimic rezistentă și ea la intemperii; o priză de conectare, având în componență o diodă de scurtcircuit, la care se vor lega și celulele solare după ce au fost legate între ele; ulterior întregul ansamblu se va introduce în vacuum la 150 C, fapt ce va duce la apariția unei structure bine ancorate în interiorul ei ; o ramă de încasetare necesară în cazul montării, protecției și transportului.

[11]Figura 2.12 Panou prezent în rețeaua de magazine Farnell; panou destinat vânzării

În figura 2.12 este prezentat un panou solar fotovoltaic distribuit de firma Farnell care la o lungime de 140mm și o lățime de 100mm are o rată de putere de 800mW, poate produce o tensiune nominală de 3.85V la 210 mA.

[12]Figura 2.13 Ceas produs de firma Citizen, bazându-se pe metoda celulei solare

În figura 2.13 este prezentat un ceas care are în componență o celulă solară, este produs de firma Citizen, și încarcă un acumulator, a cărui eficiență scade abia după 20 de ani cu cel mult 20%.

3.Microcontrolerul PIC16F887

Conform datelor de catalog a firmei producătoare ,Texas Instruments , acest tip de microcontroler conceput în tehnologie de tip nanowatt dispune de mai multe resurse, câteva dintre ele fiind prezentate în continuare:

pini de intrare/ieșire în număr de 24/35;

un comparator analog; de fapt două comparatoare incluse în unul singur;

un convertor analog/digital;

două temporizatoare : Timer0, Timer2;

un modul PWM (Pulse With Modulation);

un modul de tip USART;

un oscilator intern de precizie, care permite modificarea valorii frecvenței, în intervalul 8 MHz – 31 KHz;

durata de viață ridicată a memoriei de tip Flash/ EEPROM (100.000 de scrieri a memoriei de tip Flash și până la 1.000.000 de scrieri a memoriei de tip EEPROM);

consum redus de curent în modul standby : 50nA, 2.0V;

consum acceptat de curent în modul de lucru al pic-ului:

11 µA, 2.0 V la o frecvență de lucru de 32 KHz;

220 µA, 2.0 V la o frecvență de lucru de 4 MHz;

consum mic de curent al Watchdog-ului (‘ceasului de gardă’): 1 µA, 2.0 V;

În figura 3.1 este prezentată schema explicită a acestui tip de microcontroler: //datasheet

Figura n.1

În continuare se vor descrie doar elementele necesare lucrării de față și anume convertorul analog digital și generatorul PWM

(N.1) Convertorul Analog/ Digital

(N.1.1) Prezentare generală

Convertorul analog/digital este dispozitivul ce realizează conversia semnalului de intrare în formă analogică, într-un semnal binar reprezentat pe 10 biți. Un convertor este format din două seturi de pini: un set de pini de intrare spre care este transmis semnalul analogic, și un set de pini de ieșire cu ajutorul cărora semnalul binar obținut este transmis mai departe. Rezultatul pe 10 biți obținuți este stocat, datorită faptului că structura unui registru este constituită din 8 biți, în doi regiștri și anume ADRESL și ADRESH.

Convertorul dispune de o tensiune de referință care poate fi setată cu ajutorul unui pin, la intrare căruia se aplică valoarea tensiunii de referință.

(N 1.2) Configurarea convertorului analog/digital

În configurarea acestui convertor trebuie avute în vedere următoarele aspecte, care luate în ordinea lor conduc la realizarea bunei configurări a acestui tip de convertor:

setarea porturilor :

configurarea pinilor AN<0:13> ca pini de intrare de semnal analogic;

setarea modulului de lucru al convertorului A/D:

selectarea frecvenței de conversie;

setarea tensiunii de referință;

setarea canalului de intrare;

selectarea formatului;

introducerea unei întreruperi pentru a putea fi achiziționat semnalul;

validarea funcționării modului A/D;

validarea conversiei prin intermediul bitului Go/Done:

achizitia unui semnal și verificarea bitului Go/Done necesar verificării conversiei:

verificarea rezultatului , precum și stocarea acestuia în cei doi regiștri; în cazul nostru, va fi necesară creerea regiștrilor RESULTHI și RESULTLO;

ștergerea bitului care indică o întrerupere //CARTE TRIp +DATASHEET

(N. 1.3)Structura regiștrilor

Structura registrului ADCON0 este prezentată în cele ce urmează. //datasheet

Biții ADCS<1:0> sunt folosiți pentru configurarea frecvenței de conversie. Biții CHS<3:0> sunt utilizați pentru selectarea pinilor de intrare analogică a semnalului. Biții Go/Done au douăvalori logice (1 sau 0), bitul în 1 logic indică realizarea conversiei. Acest bit este automat resetat atunci când conversia este finalizată. Bitul ADON poate avea tot aceleași două valori logice, astfel bitul în 1 logic indică pornirea convertorului analog/digital.

( N.1.3.1)Registrul ADCON1 datasheet/

(N1.3.2)Registrul ADCON0 datasheet

În structura registrului descris prin figura de mai sus se remarcă următorii biți, în ordinea lor numerică, de la dreapta la stânga și anume bitul ADON folosit pentru pornirea funcționării convertorului, și care are două valori logice “1” și “0 ” logic. Bitul GO/DONE are de asemenea două valori logice și anume “1” și “0” logic. “1” logic indicăo conversie activă. Biții CHS0,CHS1,CH2,CHS3 sunt utilizați pentru definirea intrărilor analogice. Biții ADCS1, ADCS0 sunt folosiți pentru definirea frecvenței de conversie.

(M.1) Funcția PWM

(M 1.1) Prezentare Generală

Funcția PWM face parte dintr-un întreg modul disponibil în acest tip microcontroler ,”Capture/Compare/PWM”, fiecare având o alta utilizare. Prima oferă clientului controlul diferitelor evenimente. Modul Compare oferă posibilitatea de a genera un eveniment după o perioadăde timp stabilită. Funcția PWM este cea care generează un puls modulat în durată ,care variază în funcție de o frecvență și o perioadă.

(M 1.2) Configurarea funcției PWM

În ordinea lor numerică se vor respecta următorii pași:

se dezactivează pinii PWM (CCPx) ca și pini de ieșire;

se încarcă registrul PR2 cu perioada semnalului PWM care va fi generat;

se configurează modulul CCP încărcând regiștrii CCPxCON cu valoarea necesară modului PWM, adică “11xx” conform datelor de catalog;

se setează regiștrii CCPRxL și DCxB <1:0> ai registrului CCPxCON, cu perioada semnalului PWM generat;

configurarea temporizatorului Timer2;

ștergeți din bitul TMR2IF ai registrului PIR1, întreruperile;

încărcați bitul T2CKPS din registrul T2CON cu valoarea prescalerului;

porniți Timer2 cu ajutorul bitului TMR2ON din registrul T2CON;

se permite startul funcției PWM, se setează pinul CCPx ca pin de ieșire, și se va genera semnalul PWM.

(M .1.3)Structura regiștrilor

(M.1.3.1)Registrul CCP2CON datasheet

Se remarcă de la dreapta la stânga următorii biți: CCP2M<0:3> folosiți prin implementarea lor cu valoarea “11xx”, la indicarea modului de lucru PWM. Rezultatul obținut este reprezentat pe 10 biți ceea ce implicit va genera imposibilitatea salvării acestuia pe un singur registru care în total are 8 biți, așadar va fi nevoie de încă doi biți care să stocheze “diferența” rămasă. Așadar biții DCB<1:0> vor fi cei care vor stoca cei mai puțini 2 semnificativi biți rămași (LSB-Low Signifiant Bit), iar registrul CCPR2L va fi cel care va stoca cei 8 biți rămași din rezultat.

(M1.4) Alte referințe

Conform specificațiilor firmei producătoare se mai dau următoarele informații:

Durata Pulsului PWM se calculează cu următoarea relație: [4]

Perioada PWM se calculează cu relația:[4]

4. Punctul de putere maximă

Sursele fotovoltaice sunt utilizate actualmente în numeroase aplicații precum: încărcătoare de baterii, surse de energie pentru sateliți.

Tehnica de urmărire a punctului de putere maximă a sistemelor fotovoltaice este utilizată în scopul măririi eficienței puterii de ieșire a panourilor fotovoltaice, încercându-se transformarea temperaturii respectiv a condițiilor de radiatie în caracteristici electrice. Noua tehnică de urmărire a punctului de putere maximă se bazează pe implementarea ei cu ajutorul unui convertor controlat cu ajutorul unui microcontroler.
Marea diferență între aceste noi metode și cele utilizate în anii anteriori o constituie utilzarea directă a convertorului DC/DC principiu care reduce complexitatea acestei metode; apare astfel un sistem de înaltă eficiență, cost redus și care poate fi modificat foarte ușor pentru construcția unor surse suplimentare de energie.

Principiul de funcționare a punctului de putere maximă are ca scop compararea unei tensiuni sau curent cu o constantă de referință care să poată reprezenta o tensiune sau un curent, în funcție de preferințe. Aceste valori trebuie să coincidă cu tensiunea sau curentul punctului de putere maximă, în funcție de condițiile atmosferice.

[7]Figura 4.1 Prezentarea sistemului de control al panoului fotovoltaic în funcție de referințe

În cazul în care PV (Photovoltaic Panel) este controlat de sistemul MPPT ,vezi figura 4.1 ieșirea curentului este comparată cu un curent de referință introdus de microcontroler, care comparaă ieșirea puterii înainte și după schimbarea fiecărui ciclu al semnalului convertorului DC/DC.

4.1 Metoda incrementării inductaței

Metoda incrementării inductanței se bazează pe următoarele formule și , în cazul în care randamentul este egal cu ; unde P,V și I reprezintă ieșirile puterii, tensiunii și curentului. Cu ajutorul unui microcontroler este controlat semnalul PWM generat de convertorul DC/DC dacă este îndeplinită condiția . Singurul dezavantaj al acestei metode este acela că circuitul de control implică un cost ridicat de achiziție.

[7]Figura 4.2 Sistemul de control al panoului fotovoltaic utilizând metoda incrementării inductanței

4.2. Metodă în care este introdus un acumulator

Pentru exemplele în care sunt utilizate încărcătoarele de baterii unde este necesar ca ieșirea tensiunii să fie majoritatea timpului constantă un controler MPPT poate fi implementat asemenea figurii 4.3. Valoarea curentului de încărcare a acestor acumulatoare poate fi utilizată pentru a controla ciclul semnalului PWM aplicat convertorului DC/DC.

Marea problemă se remarcă însă la nivelul tensiunii de ieșire care trebuie să aibă în permanență aceeași valoare, adică să nu apară variații.

[7]Figura 4.3 Sistem de control al panoului solar folosit în scopul încărcării unui accumulator, unde curentul de încărcare decide sensul semnalului

4.3. Metoda controlului puterii convertorului

O altă metodă se bazează pe controlul puterii convertorului de către puterea de ieșire a panoului fotovoltaic. Altgoritmul MPPT se bazează pe calculul puterii de ieșire a panoului fotovoltaic și a calcului de putere cu ajutorul unei tensiunii și a unui curent cu valori impuse. Modificări ale puterii pot fi sesizate prin compararea unei tensiuni măsurate în prezent și a unei tensiuni măsurate anterior, la pasul inițial. Convertorul DC/DC este controlat cu ajutorul unui procesor digital de semnal necesar pentru obținerea unui timp de răspuns mic și a unei eficiențe a sistemului ridicată.

[7]Figura 4.4 Procesorul digital de semnal destinat controlului puterii convertorului și generatorul PWM

4.4. Metoda utilizării calculului tensiunii de referință

O metodă apropiată se bazează pe calculul unei tensiuni de referință asemănător formulei de mai jos:

; unde k,k+1 reprezintă două constante; M este mărimea pasului; , reprezintă o putere și o tensiune instantanee a panoului solar.

Dacă majoritatea metodelor descrise anterior se bazau pe reglarea tensiunii de ieșirii a panoului fotovoltaic, respectiv pe echivalarea curentului cu o tensiune de referință care este în majoritatea cazurilor o constantă ori o derivată din caracteristicile de ieșire a panoului fotovoltaic, în aceasta metodă descrisă în figura 4.5 microcontrolerul este cel utilizat pentru măsurarea puterii de ieșire și pentru schimbarea sensului semnalului aplicat convertorului DC/DC. Prin măsurarea continuă a curentului și tensiunii , puterea de ieșire a panoului fotovoltaic este comparată permanent cu puterea anterioară de ieșire a panoului fotovoltaic. Sensul semnalului este schimbat în funcție de aceste măsurători și rămâne aceleși până punctul de putere maximă este atins. Marele avantaj al schemei electrice care descrie acest principiu este acelă că se pot face ușor modificări în funcție de preferințe, iar un beneficiu din punct de vedere al costurilor este acela că se poate implementa și cu circuite analogice. De asemenea această metodă se remarcă și prin consum redus de putere al microcontrolerului, eficiență ridicată a convertorului DC/DC.

[7]Figura 4.5 Metoda calcului unei tensiuni, denumită tensiune de referință, utilizând un microcontroler

4.5. Metoda scurt-circuitării curentului

După metodelor de calcul a punctului de putere maximă descrise anterior voi descrie în cele ce urmează altgoritmul ales de mine pentru implementare și anume metoda scurt-circuitării curentului (“ short circuit current method”) , metodă descrisă în altgoritmul de mai jos prin figura 4.6.

Metoda scurt-circuitării curentului se bazează pe încărcarea unui impuls cu ajutorul căruia să poată fi generată condiția de scurt-circuit. În timpul realizării scurt-circuitului tensiunea de la intrare, respectiv de la ieșirea panoului fotovoltaic va tinde spre valoarea 0. Întreg ansamblul va trebui alimentat acum din altă sursă. Unul dintre cele mai mari avantaje este acela că toleranța capacitații va fi comparată cu metoda Voc. Se observă în figura 4.6 și o constantă k, care de preferință ar trebui să ia valori cuprinse între 0.9 și 0.98.

De altfel această metodă utilizează două valori și anume Isc, adică curentul de scurt-circuit respectiv Imp curentul de aproximare între care se leagă formula de mai jos:

Imp = k*Isc [6]

Cerințele actuale ale acestei metode impuneau ca fiind necesar un comutator care aplică în mod periodic un scurt-circuit panoului fotovoltaic și măsoară curentul de scurt-circuit Isc. Există două metode: una în care curentul de Isc este măsurat prin scurt-circuitarea panoului fotovoltaic cu ajutorul unui câmp de efect generat de tranzistorul introdus intre panoul fotovoltaic și capacitorul DC , a două metodă impune ca fiind necesară existența unui convertor folosit pentru scurt-circuitarea panoului fotovoltaic. Marele dezavantaj al acestei metode este acelă că majoritatea rezultatelor se bazează pe aproximări.

Figura 4.6 Descrierea altoritmului de urmărire a punctului de putere maximă folosind metoda scurt-circuitării

Partea Practica

Bibliografie

[1]Maghiar, Teodor și Bondor ,Károly. Surse Noi de Energie. Oradea: Editura Universității din Oradea,2007

[2]Trip, Nistor, Daniel și Șchiop, Adrian .Surse Regenerabile de Energie Solară.Oradea: Editura Universității din Oradea, 2008

[3]Curs microc

[4]Microchip PIC16F882/883/884/885/886/887 Data Sheet ,

[5] Morales, David.S; Maximum Power Point Tracking Altghoritms for Photovoltaic Applications; Faculty of Electronics, Communications and Automation, 14.12.2010, page 8, page 8-11.

[6]Freeman Dave; Introduction to Photovoltaic System Maximum Power Point Tracking; Texas Instruments, SLVA446, 11.2010, page 4-5.

[7] Koutroulis Eftichios; Kalaitzakis Kostas; Voulgaris C. Nicholas; Development of a Microcontroller- Based, Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Control System; IEEE Transactions on Power Electronics; Vol. 16, No. 1; 01.2001

(5)[7] http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile/5_1.pdf

(ultima schimbare)(penultima)[actual]

(7)(6)[8]http://www.ecovolt.ro/ro/support/cell_solar_ro.html

(7)[9]http://altiusfotovoltaic.ro/fabricarea-panourilor-fotovoltaice (consultat la data de 04.04.2014)

(8)[10]http://ro.wikipedia.org/wiki/Panou_solar (04.04.2014)

(9)[11]http://ro.farnell.com/multicomp/mc-sp0-8-nf-gcs/solar-panel-0-8w-4v-no-frame/dp/1852494 (04.04.2014)

(10)[12] http://ro.wikipedia.org/wiki/Aplica%C8%9Bii_cu_panou_fotovoltaic

Bibliografie

[1]Maghiar, Teodor și Bondor ,Károly. Surse Noi de Energie. Oradea: Editura Universității din Oradea,2007

[2]Trip, Nistor, Daniel și Șchiop, Adrian .Surse Regenerabile de Energie Solară.Oradea: Editura Universității din Oradea, 2008

[3]Curs microc

[4]Microchip PIC16F882/883/884/885/886/887 Data Sheet ,

[5] Morales, David.S; Maximum Power Point Tracking Altghoritms for Photovoltaic Applications; Faculty of Electronics, Communications and Automation, 14.12.2010, page 8, page 8-11.

[6]Freeman Dave; Introduction to Photovoltaic System Maximum Power Point Tracking; Texas Instruments, SLVA446, 11.2010, page 4-5.

[7] Koutroulis Eftichios; Kalaitzakis Kostas; Voulgaris C. Nicholas; Development of a Microcontroller- Based, Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Control System; IEEE Transactions on Power Electronics; Vol. 16, No. 1; 01.2001

(5)[7] http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile/5_1.pdf

(ultima schimbare)(penultima)[actual]

(7)(6)[8]http://www.ecovolt.ro/ro/support/cell_solar_ro.html

(7)[9]http://altiusfotovoltaic.ro/fabricarea-panourilor-fotovoltaice (consultat la data de 04.04.2014)

(8)[10]http://ro.wikipedia.org/wiki/Panou_solar (04.04.2014)

(9)[11]http://ro.farnell.com/multicomp/mc-sp0-8-nf-gcs/solar-panel-0-8w-4v-no-frame/dp/1852494 (04.04.2014)

(10)[12] http://ro.wikipedia.org/wiki/Aplica%C8%9Bii_cu_panou_fotovoltaic