Sistem Orientabil de Pozitionare Dinamica a Panourilor Fotovoltaice

Politehnica

Sistem Orientabil de Pozitionare Dinamica a Panourilor Fotovoltaice

Byadmin ianuarie 1, 2024

PROIECT DE DIPLOMĂ

SISTEM ORIENTABIL DE POZIȚIONARE DINAMICĂ A PANOURILOR FOTOVOLTAICE

Cuprins

CAPITOLUL 1 INTRODUCERE

CAPITOLUL 2 NOȚIUNI GENERALE

2.1.Tipuri de energie:

2.1.1 Energia solară

2.1.3 Energia hidraulică

2.1.4 Energia geotermică

2.2 Motivarea și justificarea temei

CAPITOLUL 3. SISTEME FOTOVOLTAICE DE PRODUCERE A ENERGIEI

3.1. Generalități despre efectul si celula fotovoltaică

3.2 Contrucția și fabricarea panourilor solare

3.3 Tipuri de celule fotovoltaice

3.4 Sisteme fotovoltaice uzuale

3.5 Costurile si eficiența energetică a sistemelor fotovoltaice

CAPITOLUL 4 STUDIUL PRACTIC

4.1 Date generale despre componentele folosite in lucrarea practică

Microcontrolerul atmega328p-pu

LCD grafic 84×48

Modul RTC

Motor pas cu pas

4.2 Realizarea schemelor electrice și a cablajului

Linia de cod

Realizarea cablajului

4.3 Măsuratori efectuate cu ajutorul osciloscopului și a multimetrului

Lista de simboluri

Unitați de măsură

IBLIOGRAFIE

Bibliografie carți:

Bibliografie online

CAPITOLUL 1 INTRODUCERE

Energia solară poate fi captată și transformată fie în energie electrică prin utilizarea tehnologiilor fotovoltaice, fie în energie termică, prin utilizarea diferitelor tipuri de panouri solare termice. Domeniile pe care le-am abordat în acest studiu sunt producerea energiei electrice cu ajutorul panourilor fotovoltaice și transferul termic ce are loc la nivelul acestora.

Panourile solare (PV) fac parte dintr-o tehnologie care convertește în mod direct lumina în energie electrică. Luând în considerare creșterea necesității pentru energie solară, producerea de celule solare și panouri solare a crescut considerabil în ultimii ani, dublându-se tot la doi ani, crescând cu o medie de 48% în fiecare an din 2002, cunoscând astfel cea mai rapidă dezvoltare din lume în acest domeniu. Pentru a avea energie electric de la soare avem nevoie de un panou solar ce are o celulă solară sau mai multe celule.Celula solară absoarbe o parte din particulele de lumină ce cad pe aceasta, numite și fotoni.Fiecare foton conține o cantitate mică de energie,iar când un foton este absorbit,aceasta eliberează un electron din materialul celulei solare.Deoarece fiecare parte a celulei solare este conectată la un cablu ,un curent va trece prin aceasta,iar celula va produce electricitate ce poate fi folosită instantaneu sau înmagazinată în acumulatori.Energia electrică este produsă atât timp cât panoul este expus la soare. Un panou solar produce energie electrică chiar și când nu există radiație directă. Asadar, chiar dacă este innorat afară, un sistem solar va produce energie electrică. Totuși, cele mai bune condiții de obținere a energiei electrice sunt în zilele însorite, iar panoul îndreptat direct spre Soare. Pentru zonele ce se află in emisfera nodică, panourile se vor orienta spre sud iar pentru cele din emisfera sudică, se vor orienta spre nord.

Lucrarea intitulată”Sistem orientabil de poziționare dinamică a panourilor fotovoltaice” este structurată pe cinci capitole:

Capitolu 1 Introducere

Capitolul 2 Noțiuni generale-cuprinde tipuri de energie:energie solară, eoliană, hidraulică, geotermică și motivul pentru care am ales această temă

Capitolul 3 Sisteme fotovolotaice de producere a energiei-acest capitol conține:Generalități despre efectul și celula fotovoltaică; Tipuri de celule fotovoltaice; Sisteme fotovoltaice uzuale; Costurile și eficiența energetică a sistemelor fotovoltaice

Capitolul 4 Studiul practic este structurat în 3 subcapitole: Date generale despre componentele folosite în lucrarea practică; Realizarea schemelor electrice și a cablajului; Măsuratori efectuate cu ajutorul osciloscopului și a multimetrului

5 Concluzii

CAPITOLUL 2 NOȚIUNI GENERALE

2.1.Tipuri de energie:

2.1.1 Energia solară

Energia solară poate fi captată și transformată fie în energie electrică prin utilizarea tehnologiilor fotovoltaice, fie în energie termică, prin utilizarea diferitelor tipuri de panouri solare termice.

Un sistem fotovoltaic covertește în mod direct energia electrică pe baza efectului fotovoltaic și o aduce la parametrii impuși de consumatori.

Panourile solare se utilizează legate în baterii și separat pentru generarea de

curent electric ce se livrează în alimentarea consumatorilor independenți sau rețeaua publicîă.

Un panou solar este caracterizat prin parametrii electrici cum ar fi: curentul(I) de scurtcircuit sau tensiunea(U)de mers în gol.

Pentru a îndeplinii condițiile impuse pentru a produce energie electrică, celulele solare se asamblează în panouri solare utilizând diverse materiale, ceea ce va asigura :

protecție transparentă împotriva intemperiilor și radiațiilor;

asigurare unei răciri corespunzătoare a celulelor solare;

legături electrice robuste;

protecția legăturilor electrice de umiditate și a celulelor solare;

protecția celulelor solare de acțiuni mecanice;

proteția împotriva atingerii a elementelor componente conducătoare de electricitate

posibilitatea manipulării și montării ușoare

Luând în considerare creșterea necesității pentru energie solară, producerea de celule solare și panouri solare a crescut considerabil în ultimii ani, dublându-se tot la doi ani,crescând cu o medie de 48% în fiecare an din 2002, cunoscând astfel cea mai rapidă dezvoltare din lume în acest domeniu. La sfârșitul anului 2012, s-a estimat o putere produsă de 35.000 megawatt la nivel global (Figura 2.1).

Fig.2.1 Poducția mondială anuală a sistemelor fotovoltaice.

Energia regenerabilă are un avataj față de celelalte forme de energie-este nelimitată și practic nepoluantă.

Fig.2.2 Modul de utilizare SRE

Soarele furnizează echivalentul consumului energetic anual al omenirii într-un interval de 20 minute.Pe terioriul României putem capta anual o cantitate de energie cuprinsă între 900 și 1430 kWh pe o suprafață orizontală de 1m²,dependent de anotimp bineînțeles.

Energia din surse regenerabile oferă o gamă largă de tehnologii pentru încurajarea viitorului apropiat și planificarea pe termen lung .Dacă numai jumătate din aceste noi tehnologii ar avea o creștere mai mare pe piață, societatea va creea o șansă foarte bună la salvarea Pământului de la cursul său periculos (Figura 2.3).

Fig.2.3 Cerințele de panouri fotovoltaice din 2008 până în 2014

Energia radiantă primită de la Soare ar putea să acopere întreg necesarul de energie pe întreg globul dacă ar exista instalații adecvate de captare și conversie. Radiația solară zilnică existentă pe teritoriul României este apreciabilă, fluxul mediu anual fiind cuprins între 900 și 1450 KWh/mp.an. Această energie poate fi captată și concentrată astfel încât să poată fi obținute rezultate interesante. Energia solară poate fi convertită fie în energie termică ori în energie electrică. Radiația solară este relativ constantă în atmosferă, dar schimbările climatice pot să provoace variații importante ale insolției la nivelul suprafeței terestre.Insolția este maximă la orele amiezii. Curba de variație a insolției este o parabolă răsturnată, maximul fiind înregistrat la orele amiezii (12÷13). Conversia energiei solare în energie termică și electrică este posibilă conform figurii 2.4 în trei moduri: Energie solară →energie termică, energie solară energie mecanica energie electrică și energie solară energie electrică.

Fig 2.4. Sisteme de conversie a energiei solare

Transformarea energiei solare în energie termică este cel mai adesea realizată în scopuri caznice: încalzirea apei pentru consumul menajer, încălzirea apei pentru piscină, etc. Principiul utilizat la conversia energiei solare în energie termică constă în transmiterea căldurii de la captatorul solar la fluidul ce parcurge în contact cu captatorul traseul dintre sursa de alimentare cu apă și rezervorul cu apă caldă. Pentru aplicațiile de transformare a energiei solare în energie mecanică și electronică se utilizează elemente de concentrare a energiei solare utilizând concentratoare parabolice sau plate, așa cum se arată în figura 2.5 (Morar R., și colab., 2008)

a)

b)

Fig. 2.5 Conversia energiei solare în energie termică:

a) Captatori solari de formă plată; b) Circuitul de încălzire apă

2.1.2 Energia eoliană

Este energia cinetică a maselor de aer atmosferic, aflate în mișcare relativă față de suprafața terestră. Relief eolian: ansamblul de forme de relief sculptate prin acțiunea de eroziune și de acumulare. Puterea vântului poate fi utlilizată în mai multe feluri. Cele mai mici turbine eoliene acționează la baterii de 12 V, care asigură energia necesară iluminatului, echipamentelor de telecomunicații sau a sistemelor de alarmă. Turbinele de mărimi medii au o putere maximă de 500 KW și sunt utilizate de fermieri, companii și spitale. Acestea pot returna energia suplimentară (neconsumată) rețelei naționale. .( Filipoiu M.și colab.2006).

Energia eoliană este în mod clar în creștere și ar putea deveni o sursă majoră de energie electrică în anii următori, deoarece vântul este disponibil pe scară largă și adesea abundent în multe părți ale lumii. Resurse semnificative sunt găsite pe fiecare continent. (Chiras D., 2010)

Tehnologia eoliană este lider între sursele de energie regenerabilă pentru producerea de energie electrică. (Carpentieri A. și Tieri G. B., 2009). Generarea de energie din energia eoliană este o tehnologie matură și competitivă economic, cu aplicații de combustibil mai fosili. (Stepanova K., 2009).

2.1.3 Energia hidraulică

Energia mareelor este energia ce poate fi captată prin exploatarea energiei potențiale, rezultată prin deplasarea pe verticală a maselor de apă, sau a energiei cinetice, datorată curenților de maree și valurilor formate de maree. Energia mareelor rezultă din acțiunea forțelor gravitaționale ale Soarelui și Lunii, precum și a rotației terestre. ( Filipoiu M., și colab., 2006).

Generarea de energie este constantă, dar mărimea și costul nu sunt indiferenți. Un alt tip de sistem este oscilând datorită apei de pe coloană pentru mișcărilor de undă, chiar și în acest caz, mișcarea apei pune în mișcare o turbină(Carpentieri A. și Tieri G. B., 2009) Energia hidraulică este capacitatea unui sistem fizic (apa) de a efectua un lucru mecanic în trecerea dintr-o stare în alta.

Energia hidro sau hidroenergia este energia obținută din curgerea apelor asupra unor turbine care generează curentul electric ; energia apelor curgătoare care pot antrena și alte sisteme ca, de exemplu, morile de apă. . ( Filipoiu M., și colab., 2006).

2.1.4 Energia geotermică

Energia geotermică sau geotermală este energia obținută din căldura aflată în interiorul Pământului. Apa fierbinte și aburul, captate în zonele cu activitate vulcanică și tectonică, sunt utlizate pentru încalzirea locuințelor și pentru producerea de electricități. Nu trebuie confundată cu căldura Pământului ( a solului) care nu poate fi utilizată decât pentru încălzirea unor locuințe sau în combinație cu alte forme de energie regenerabilă, ca de exemplu cea solară sau eoliană. . ( Filipoiu M., și colab., 2006)

Tehnologia geotermală este concentrată pe exploatarea bazinelor cu o entalpie ridicată, caracterizate printr-un randament mare. (Carpentieri A. și Tieri G. B., 2009). Energia geotermică este o formă de energie regenerabilă obținută din căldura aflată în interiorul Pamântului. Apa fierbinte și aburii, captați în zonele cu activitate vulcanică și tectonică, sunt utilizați pentru încălzirea locuințelor și pentru producerea electricității.

2.2 Motivarea și justificarea temei

Scopul cercetărilor efectuate în aceast Proiect de diplomă constă în determinarea existenței luminii la valori destul de mari pentru a produce energie electrică. Teama că resursele de producere a energiei convenționale se vor epuiza s-a accentuat în timpul crizei energetice din 1973, când s-a ridicat serios problema găsirii unor surse alternative de energie electrica.

Utilizarea panourilor fotovoltaice pentru a capta energia solară pentru a o transformageotermală este concentrată pe exploatarea bazinelor cu o entalpie ridicată, caracterizate printr-un randament mare. (Carpentieri A. și Tieri G. B., 2009). Energia geotermică este o formă de energie regenerabilă obținută din căldura aflată în interiorul Pamântului. Apa fierbinte și aburii, captați în zonele cu activitate vulcanică și tectonică, sunt utilizați pentru încălzirea locuințelor și pentru producerea electricității.

2.2 Motivarea și justificarea temei

Scopul cercetărilor efectuate în aceast Proiect de diplomă constă în determinarea existenței luminii la valori destul de mari pentru a produce energie electrică. Teama că resursele de producere a energiei convenționale se vor epuiza s-a accentuat în timpul crizei energetice din 1973, când s-a ridicat serios problema găsirii unor surse alternative de energie electrica.

Utilizarea panourilor fotovoltaice pentru a capta energia solară pentru a o transforma în energie electrică devine din ce în ce mai populară, mai ales în zonele în care cantitățile de lumină solară și căldură sunt abundente pe tot parcursul anului.

Sistemele fotovoltaice nu utilizează decât o mică parte din radiația solară și de anumite lungimi de undă, pentru a produce energie electrică. Restul energiei primite la suprafață este transformată în căldură, ce conduce la creșterea temperaturii celulelor componente și la scăderea randamentului lor. În consecință, creșterea productivității energetice a acestor instalații presupune atât eficientizarea funcționării lor în domeniul electric, cât și studiul fenomenelor termice care au loc.

În acest Proiect de licență am realizat un sistem automat de orientare al panourilor fotovoltaice,acest sistem dispune de protecție la alimentaere inversă sau la conectarea inversă a celulei fotovoltaice.

Proiectul meu este alcătuit din următoarele module:

partea central de procesare reprezentată de un microcontroler ATmega328;

senzorii de lumină sunt fotorezistorii care atunci când sunt puși la lumină rezistența lor tinde spre zero,iar când sunt puși la întuneric rezistența lor tinde spre infinit;

partea care acțonează panoul solar este reprezentată de un motor pas cu pas care este controlat de un driver ULN2003;

am folosit un modul RTC care stochează ora și data;

LCD grafic pentru a afișa diferite mesaje/valori de la senzori;

o celulă fotovoltaică cu Unominal=18V și Inominal=40mA;

un divizor rezistiv pentru măsurarea tensiunii pe care o furnizeză celula fotovoltaică;

Cercetările realizate în cadrul acestei lucrări, rezultatele experimentale obținute, precum și interpretarea acestora au urmărit următoarele aspecte:

realizarea unui sistem automat de orientare al panourilor solare care dispune de protecție la alimentarea inversă sau la conectarea inversă a celulei fotovoltaice;

determinarea existenței luminii la valori care pot produce energie electric;

cu ajutorul microcontrolerului citim valoarea de tensiune(analogică)de la cei trei senzori de lumină,iar în funcție de aceste valori rotim axul motorului înspre senzorul de la care citim valoarea cea mai mare,iar pe LCD afișam următoarele date:data și ora curentă, valorile citite de la cei trei senzori de lumină,tensiune,curentul și puterea debitată de celula fotovoltaică;

CAPITOLUL 3. SISTEME FOTOVOLTAICE DE PRODUCERE A ENERGIEI

3.1. Generalități despre efectul si celula fotovoltaică

Soarele este o sursă de energie nepoluantă și practic inepuizabilă, estimându-se o durată a existenței radiației sale de cel puțin 4 bilioane de ani. Soarele are un potențial energetic uriaș, emite în spațiu o cantitate imensă de energie din care Pamântul primește anual numai o fracțiune. Spre exemplificare dacă s-ar acoperii a mia parte din suprafața Pamântului cu captatori având un randament de 5%, s-ar obține anual circa 60 miliarde de MWh, asta în timp ce consumul unei gospodării medii este de cca. 2 MWh.

Energia solară poate fi transformată relativ ușor în alte forme de energie – termică, electrică, mecanică sau chimică. Aceste instalații/dispozitive de conversie a energiei solare pot fi executate în variante constructive simple sau mai complexe, obținandu-se performanțe corespunzatoare tehnologiilor folosite.

O celulă solară constă într-o joncțiune de tip p-n formată dintr-un material semiconductor similar unei diode. Ea este formată din două straturi cu proprietăți electrice diferite realizate prin „doparea” cu diferite impurități (boriu, fosfor). Un câmp electric este stabilit la joncțiunea dintre stratul încarcat negativ (atomii de fosfor) și stratul pozitiv (atomii de boriu). Dacă lumina este incidentă pe celula solară, energia dată de lumină (fotonii) crează purtători de sarcină liberi, care sunt separați de câmpul electric. O tensiune electrică este generată la contactele exterioare, astfel încât curentul poate trece în momentul conectării unei sarcini.

Curentul fotonic, care este generat intern de către celula solară, este proporțional cu intensitatea radiației solare.

a) Energia fotonului = joncțiune => electron liber

b) Energia fotonului > joncțiune => electron liber și căldură

c) Energia fotonului < joncțiune= nu se întâmplă nimic

d) Fotonul este respins de celulă = nu se întâmplă nimic

Fig.3.1 Descrierea fenomenului fotovoltaic

Conversia energiei solare în energie electrică este realizată într-un dipozitiv numit celula fotovoltaică.Aceasta constă în principal dintr-o diodă semiconductoare cu joncțiunea p- special proiectată.În zona joncțiunii, datorită difuziei purtătorilor majoritari, apare o zonă de sarcină spațiala pozitivă în stratul n, respectiv de sarcină negativă în stratul p.Această distribuție de sarcină crează, în zona joncțiunii un câmp electric orientat de la stratul n către stratul p.Dacă dioda este expusă radiației solare,în diodă sunt generate perechi de purtători mobili-electroni și goluri.Sub acțiunea câmpului din zona joncțiunii,electronii se deplasează către contactul metallic plasat pe stratul n, iar golurile către contactul plasat pe stratul p. Această acumulare de sarcini la cele doua contacte determină apariția unei tensiuni (U),respectiv a unui curent(I) .Acesta este efectul fotovoltaic.

Foarte importante sunt materialele din care este confecționat un panou solar:

Conductor (Al, Ag, Au), ρ < 10-4 Ωcm; temp↑ înseamnă ρ↑ (îngreunează mișcarea e), banda de conducție aproape ocupată;

Semiconductor (Si, Ge, As) , ρ < 108 Ωcm, temp↑ înseamna ρ↓, prin impulsuri de energie sunt trimiși în banda de conducție;

Izolator (Cauciuc, ceramică) ρ > 108 Ωcm, banda de conducție goală fara e în mișcare;

Materia primă siliciu este al 2-lea element chimic din compoziția scoarței terestre în privința cantitatății. Se regăsește în compuși chimici formând silicate sau cuarț cu alte elemente.Siliciul brut se obține din cuarț prin topire în furnal.

Reducerea siliciului se realizează cu ajutorul carbonului la o temperatură de cca 1700°C. Mare parte din acesta este utilizat în industria chimică și de industrie la fabricarea oțelului, iar numai o mică parte în microelectronică și la fabricarea de celule fotovoltaice. Din siliciul brut printr-un proces de fabricație se obține siliciul policristalin de cea mai mare puritate.

Există și celule solare care necesită materiale mai speciale cum sunt cele pe bază de indiu, galiu, telur sau seleniu. La metalele rare, indiu și galiu consumul mondial (indiu cca. 850 t, galiu cca. 165 t) depășește deja de mai multe ori producția anulă (USGS Minerals Information). Deosebit de critică este situația datorită creșterii accentuate a consumului de indiu in combinația indiu – oxid de zinc în ecranele cu cristale lichide și cele cu LED organic, precum și utilizării de galiu și indiu în producția diodelor luminișcente electronice (LED).

La seleniu și telur, care e și mai greu de găsit, situația pare mai puțin critică, deoarece ambii metaloizi se regăsesec în cantități mici în nămolul anodic rezultat în urma procesului de electroliză a cuprului. Rezervele exploatabile economic la seleniu se estimează totuși la doar 82.000 tone, iar la telur la doar 43.000 tone, vis-a-vis de cupru unde se estimează la 550 milioane tone.

Principiu de funcționare

Când lumina soarelui este absorbită de aceste materiale, energia solară este convertită cu participarea particulelor subatomice, și fluxul dirijat de electroni ce ia naștere, reprezintă electricitate. Procesul de conversie a energiei luminii în energie electrică se numește efect fotovoltaic. De aceea, celulele fotovoltaice nu trebuiesc confundate cu alte sisteme de conversie ale energiei solare. Sunt notate cu simbolul PV.

Fig.3.2 Schema bloc a unei celule fotovoltaice

În figura 3.2 avem: a)stratul de electroni negativi ai semiconductorului; b)baza substratului;c)golurile pozitive ale semiconductorului;d)silicon de tip p;e)zona saracită;f)silicon de tip n;g)săgeți care reprezintă direcția mișcării fluxului de electroni;h)dungi metalice conductoare;i)radiația solară reprezentând fascicolul de fotoni;j)lentile de sticlă;k)simbolul celulei fotovoltaice.

3.2 Contrucția și fabricarea panourilor solare

Un panou fotovoltaic este construit din:

un geam de protecție pe fața expusă la soare;

un strat transparent din material plastic în care se fixează celulele solare;

celule solare policristaline și monocristaline conectate prin benzi de cositor între ele;

fixarea feței posterioare a panoului fotovoltaic cu o folie stratificată din material plastic rezistent la intemperii (Tedlar) și Polyester;

priză de conectare prevăzută cu diodă de scurtcircuitare și record precum și cu diodă de protecție respective ;

ramă din profil de aluminiu pentru protejarea geamului la transport, montare și manipulare , pentru rigidizarea și fixare legăturii.

Fig.3.3 Construția unui panou fotovoltaic

În figura 3.3 avem ;a)cadrul panoului solar;b)înveliș protector de sticlă;c)celule fotovoltaice;d)material de susținere a celulelor fotovoltaice;e)folie de polimer

Fabricarea începe de pe partea activă expusă la soare. Se pregătește și se curăță un geam de mărime corespunzătoare,iar pe acesta se așază un strat de folie de etilen vinil acetat (EVA), adaptat profilului celulelor solare utilizate. Celulele solare sunt legate cu ajutorul benzilor de cositor în grupe care mai apoi se așază pe folia de EVA, iar pe urmă se face conectarea grupelor între ele și racordarea la priza de legătură prin lipire. La final totul se acoperă cu o folie EVA peste care se pune o folie tedlar.Următorul pas constă în laminarea panoului în vacuum la 150 °C,iar în urma laminării din folia EVA prin polimerizare, se obține un strat de material plastic ce nu se va mai topii și în care celulele solare sunt bine lipite strâns de geam și incastrate.După terminarea procesului de laminare, marginile vor fixa priza de conectare în care vor fi montate diodele de bypass. La sfârșit totul se prevede cu o ramă metalică, se sortează după parametrii electrici după care se împachetează și se măsoară caracteristicile.

3.3 Tipuri de celule fotovoltaice

La o primă vedere, după componenta de baza celulele solare s-ar impărții în:

1. Celule pe bază de siliciu

Celule monocristaline (c-Si) cu randament mare – până la peste 20 % și tehnică de fabricație ajunsă la maturitate. Formă: rotundă/dreptunghiulară.Culoare: negru/albastru închis/albastrui;Putere maximă: 120 Wp/m2

Fig. 3.3 Celule de silicon monocristaline

Celule policristaline (mc-Si) cu randament energetic de peste 16 % producția în serie. %; Formă: dreptunghiulară . Culoare: albastrui;Putere maximă: 100 Wp/m2

Fig. 3.4 Celule de silicon policristaline

Celule cu siliciu amorf (a-Si) cu randament energetic al modulelor de la 5 la 7 %; fară strangulări în aprovizionare. Celule pe bază de siliciu cristalin, ex. microcristale (μc-Si) cu randament acceptabil si tehnologia aceeași ca la siliciul amorf. Formă: dreptunghiulară; Culoare: negru/maro închis, Putere maximă: 50 Wp/m2

Fig. 3.5 Celule de silicon amorfe

2. Semiconductoare pe bază de elemente din grupa III-V(celule cu GaAs).

Randament mare, foarte stabil la schimbările de temperatură.

3. Semiconductoare pe bază de elemente din grupa II-VI(celule CdTe)

Utilizează o tehnologie foarte avantajoasă CBD (depunere de staturi subțiri pe suprafețe mari în mediu cu pH, temperatură și concentrație controlate); în laborator s-a atins un randament de 16 %.

4. Celule CIS, CIGS

Sunt produse din materiale combinate pe bază de Cupru-Indiu-Diselenid respectiv Cupru- Indiu-Disulfat sau Cupru-Indiu-Galiu-Diselenat.

5. Celule solare pe bază de compuși organici

În procesul de fabricație este prezentă și tehnologia bazată pe chimia organică care furnizează compuși ce permit fabricarea de celule solare mai ieftine bineînțeles cu randamente slabe.

6. Celule pe bază de pigmenți

Utilizează pigmenți naturali pentru transformarea luminii în energie electrică; o procedură ce se bazează pe efectul de fotosinteză.

7. Celule cu electrolit semiconductor sau pe bază de polimeri

Deocamdată acestea se află doar în fază de cercetare.

Randamentul celulei solare:

(1.1)

unde, η – randament

Pm – puterea maximă [W]

E – radiația electromagnetică [W/m2]

Ac – suprafața celulei [m2]

Randamentul celulelor solare comerciale este sub 20%, iar în panourile construite cu acestea ating un randament de cca. 17 %. Recordul pentru celulele fabricate în condiții de laborator este de 24,7 % (University of New South Wales, Australia), din care s-au confecționat panouri cu un randament de 22 %. Fenomenul de îmbătrânire conduce la diminuarea randamentului cu cca 10 % în 25 ani. Fabricanții dau garanții pe cel puțin 80 % din puterea maximă în 20 ani.

Tab. 3.1. Randament real al celulelor solare

Fig. 3.6. Randament teoretic al celulelor solare

O celulă solară (CS) convențională constă dintr-o napolitană de siliciu de o grosime de aproximativ 0.5 mm. Celulele tipice au un diametru de 10 cm, produc 1 W de energie și sunt grupate în module de 12. Modulele sunt la rândul lor grupate în panouri, care formează dispozitive de captare a energiei solare. Când un cristal pur de siliciu este luminat de o rază de soare, unul sau mai mulți electroni sunt îndepartați de nucleu, în locul acestora formandu-se "găuri". Aceste “găuri” sunt umplute ulterior cu alți electroni, proces în urma căruia se degajă energie. CS convenționale transformă între 5 si 20% din energia solară în energie electrică. Unele celule experimentale, fabricate din materiale foarte scumpe, au o eficiență aproape dublă,dar numai în anumite condiții de laborator.

3.4 Sisteme fotovoltaice uzuale

Fig. 3.7 Structura celulei solare și schema electrică echivalentă (1-electrod negativ; 2-strat

n, 3-joncțiune p-n; 4-strat p; 5-electroni și goluri; 6-multistrat transparent; 7-electrod pozitv;

Celulele solare CS (fig.3.7) sunt construite în principiu ca niște fotodiode semiconductoare cu suprafața mare constituite din electrodul pozitiv (1) și cel negativ (2) și care funcționează ca sursă de curent. Acest tip de semiconductoare eliberează prin absorbție de energie purtatori de sarcină(5/fig.3.7) de tip electroni e- și goluri +. Pentru dirijarea acestor purtatori de sarcină electrică este nevoie de câmp electrostatic intern. Acest câmp electric orientat (3), se creaza în dreptul unei joncțiuni p-n. Pentru a se naște cât mai multe sarcini, respectiv a se genera curent, structura celulelor solare se realizează în așa mod încât să absoarbe cât mai mulți fotoni din lumină. Pentru aceasta stratul de suprafață (6) trebuie sa fie transparent rezistent, antireflex și cu contacte cât mai subțiri.

Prin iluminarea joncțiunii p-n, în regiunea p se generează perechi electron-gol. Electronii difuzează prin joncțiunea p-n în regiunea n, iar golurile rămân în regiunea p. Astfel, regiunea p se încarcă cu sarcină electrică pozitivă, iar regiunea n se încarcă cu sarcină electrică negativă, ceea ce conduce la apariția tensiunii fotovoltaice.

Din punct de vedere practic au valoare sursele de energie a caror tensiune și curent depașește limitele minime: cațiva volți și cațiva amperi. Din acest considerent topologia de conectare a celulelor în panouri joacă un rol însemnat. Fig.3.8 este relevantă pentru modul în care se pot dispune celulele solare. Respectând legile electrotehnicii, pentru ridicarea nivelului de tensiune celulele se înseriază, iar pentru ridicarea nivelului de curent celulele se leagă în paralel. Conexiunea mixtă este o combinație între cele două, generatorul putându-se astfel adapta mai bine consumatorului.

Fig. 3.8. Caracteristica U-I în funcție de conectarea CS

Tensiunea electrică maximă la armăturile unei celule solare (în exemplul anterior – celule de siliciu ) este de 0,6 V similară tensiunii electrice de prag a joncțiunii. Simbolul celulei solare indică prin intermediul unei săgeți sensul curentului pentru conectare. Caracteristica unei celule solare se deosebește de cea a unei fotodiode ideale. Pentru a modela și simula funcționarea celulei se folosesc diferite scheme echivalente mai simple sau complexe. Din punct de vedere electric structura unei celule cuprinde: generatorul de curent Iph, dioda paralelă D, efectul capacitiv C, rezistența serie Rs si paralel Rp.

Fig. 3.9. Simbol și scheme echivalente (simplă și extinsă) a celulei solare

Schema extinsă este cea mai exactă și ține cont de parametrii reali ai elementelor componente care apar în procesul de fabricație. Prin aceasta se încearcă modelarea cât mai precisă a comportamentului electric al celulei. De exemplu cu a 2-a diodă cu alți parametrii se evidențiaza funcționarea în regim de tensiune inversă. Rezistența în paralel Rp ia în considerare defectele de cristal, impurificări neomogene și defecte de material prin care apar curenți de pierdere care traversează joncțiunea p-n. La celulele solare bine construite această rezistență este relativ mare. Cu rezistența în serie Rs se iau în considerare efectele în urma cărora crește rezistența totală a elementelor componente. Acestea sunt în principal rezistența semiconductorului, rezistența contactelor și a legăturilor.

Fig. 3.10. Diferite conexiuni ale CS (celula solară fotovoltaică) într-un modul

(1.celulă, 2.diodă, 3.siguranță fuzibilă, 4.diodă antiparalel)

Conversia energiei solare în energie electrică se poate face prin conversie directă, atunci când radiația solară incidentă pe un anumit material, de exemplu siliciu, produce prin efect fotovoltaic sau termoelectric eliberarea electronilor de valență din atomii acestuia și face posibilă participarea lor la fenomenul de conducție electrică. Sistemele fotovoltaice realizează conversia directă a energiei radiației solare în energie electrică, fară o poluare sonoră și fară emisia unor gaze poluante în mediul ambiant. Desigur ca pe de altă parte infrastructura tehnică aferentă nu este chiar simplă și nici ieftină. În figura de mai jos se redau variante de echipamente de la simplu la complex. Caracteristicile undei și energiei de ieșire din echipament sunt direct proporționale cu complexitatea schemelor electrice. Astfel pentru invertoarele monofazate se pot folosii tiristorii ca și comutatoare, în schimb pentru invertoarele matriciale (care generează o unda sinusoidala sincronă cu rețeaua) se utilizează IGBT-uri sau semiconductoare de tip MosFet (HyperMOS, SuperMOS, PowerMOS).

Fig. 3.11. Echipament electronic de putere pt. convertoarele solare

Stg.) Invertor monofazat cu tiristori, condus de rețea. Mij.) Invertor monofazat cu

PWM, Dr.) Invertor matricial (cu tensiunea de ieșire în trepte)

În definitiv, orice sistem electric solar (fig.3.11.) conține următoarele componente:

sistemul de captare sau concentrare a radiației, cu coeficient mare de absorbție în domeniul vizibil al spectrului solar;

sistemul de conversie a energiei solare în energie electrică;

sistemul de stocare a energiei electrice (pentru asigurarea unui tampon energetic în perioadele neînsorite). În funcție de aplicație, sistemul solar poate debita energie într-o rețea insulară sau în sistemul energetic național.

Fig. 3.12. Structura unei instalații fotovoltaice pentru alimentarea sistemului energetic insular

DC – curent continuu; AC – curent alternative

Cu cât tipul de sarcină este mai apropiat de caracteristicile curentului debitat de generator, cu atât modulele intermediare sunt mai puține, respectiv randamentul buclei generator – consumator mai mare. În orice variantă se recomandă intercalarea unei baterii asistate de un regulator în amonte, ca în schema bloc din fig.3.12. Cele trei concepte uzuale de structuri energetice solare sunt prezentate în figura de mai jos. Desigur ca cel mai mare randament îl are cel decentral, orientabil local.

Fig. 3.13. Concept de structură energetică cu instalație fotovoltaică cuplată la rețea.

După cum s-a descris în paragrafele anterioare elementul central al sistemelor solare este panoul solar. Parametrii tehnici ale panourilor sunt dați pentru condițiile standard (STC, Standard Test Conditions): radiație de putere de 1000 W/m2, temperatură constantă de 25 °C, și un spectru bine definit AM 1,5 global al luminii.

Fig. 3.14. Caracteristica U-I a celulei solare în funcție de temperatură și intensitate

SC: Short Circuit – scurtcircuit; OC: Open Circuit – mers în gol; MPP: Maximum

Power Point – punctul de putere maximă; Ik-curent de scurtcircuit; Uo-tensiune de mers în gol

Pentru o evaluare/comparație unitară a panourilor solare, specialiștii au introdus parametrii clari care caracterizează performanțele lor cum ar fi:

Tensiunea de mers în gol UOC

Curentul de scurtcircuit ISC

Tensiunea în punctul optim de funcționare UMPP

Curentul în punctul de putere maximă IMPP

Puterea maximă estimată PMPP

Factor de umplere

Coeficient de modificare a puterii cu temperatura celulei

Randamentul celulei solare la o suprafață iluminată A și intensitate luminoasă Popt

Caracteristica I-U

Comportarea electrică a unei celule fotovoltaice este determinată de relația dintre curentul (I) debitat de celulă și tensiunea (U)dintre cele două contacte metalice (borne).

Graficul relației I=f(U) se numește caracteristica I-U a celulei (sau caracteristica curent – tensiune).

Fig.3.15 Caracteristica I-U

Intersecțiile caracteristicii I-U cu axele de coordonate corespund unor regimuri extreme de funcționare ale celulei fotovoltaice:

Mers în scurtcircuit Mers în circuit deschis

Curentul de scurtcircuit Isc și tensiunea de mers în gol Uoc sunt doi parametrii importanți ai unei celule fotovoltaice. Reprezintă valoarea maxima a tensiunii,respective a curentului unei celule fotovoltaice în condiții de iradiantă și temperatură date.

Punctul de putere maximă(MPP)

În cele două regimuri extreme puterea P=U*I debitată de CFV este nulă întrucât la scurtcircuit U=0, iar în circuit deschis I=0. Pe de altă parte, pentru orice U>0 și I>0 puterea este pozitivă. Punctul respectiv de pe caracteristica I-U sau P=I se numește punct de putere maximă ( MPP).

Fig.3.16 Punctul de putere maximă a caracteristici I-U

Factorul de umplere

În ipoteza unei caracteristici I-U dreptunghiulare, ideale, puterea maximă ar fi UgolIsc. Pentru a caracteriza abaterea caracteristicii reale fața de caracteristica ipotetică se definește un factor de umplere (Fill Factor).

Fig.3.17 Factorul de umplere a carcteristicii I-U

3.5 Costurile si eficiența energetică a sistemelor fotovoltaice

Randamentul este raportul dintre puterea debitată de panou și puterea conținută în lumina incidentă totală. Semiconductoare cu zona interzisă stabilă utilizează doar o parte a luminii solare. Randamentul teoretic maxim ce poate fi atins în acest caz este de 33 %. Pe de altă parte randamentul termodinamic maxim teoretic pentru producerea de energie din lumina solară este de 85%. Acesta se calculează din temperatura suprafeței soarelui (58000K), temperatura maximă de absorbție (<25000K, temperatura de topire a materialelor greu fuzibile) și temperatura mediului înconjurător (3000K).

Fig. 3.18. Comparația fluxurilor energetice la conversia solar-electric, fața de solar-termic

Dacă se utilizează doar o porțiune din spectrul luminii solare, valoarea teoretică se reduce în funcție de lungimea de undă, până la 5-35 %. Neutilizarea completă a spectrului este una din dezavantajele celulelor solare față de centralele solare termice. Relevantă în acest sens este comparația de mai sus. Este considerată a se îndeplinii amortizarea energetic în momentul în care energia consumată pentru fabricarea celulei fotovoltaice trebuie sa fie egalată de cea produsă în timpul exploatării. Celulele cu strat subțire se prezintă cel mai bine din acest punct de vedere Un panou solar cu astfel de celule se amortizează în 2-3 ani.Celulele policristaline necesită cca 3-5 ani, pe când cele monocristaline 4-6 ani până la amortizare.

Un sistem cu panouri solare include și suporții de montare, invertor, accesorii, etc. durata de amortizare energetică se mărește cu cca 1 an.

Avantajele utilizării sistemelor fotovoltaice integrate pot fi sintetizate după cum urmează:

producerea descentralizată a energiei electrice în locuri izolate, reducerea pierderilor de energie electrică datorate transportului la distanță,

eliminarea armonicilor și compensarea pierderilor de putere reactivă,

investiție inițial redusă și recuperare rapidă, efecte ecologice prin reducerea factorilor poluanți.Pe de altă parte, experții prevăd, într-un viitor relativ apropiat, creșterea randamentului de conversie fotovoltaică la valori mai mari decât: – 20% în cazul celulelor solare cu siliciu monocristalin;- 18% în cazul celulelor solare cu siliciu policristalin ;- 30% în cazul celulelor solare cu siliciu cu concentrație în cascadă;

Toate aceste argumente conduc la implementarea pe o scară și mai mare a utilizarii sistemelor fotovoltaice în aplicațiile locale, decât există în prezent (tab.3.2).

Tab.3.2. Arii de aplicație a sistemelor solare.

Fig. 3.19 arată exemplificativ câteva din proiectele implementate in zona Alba Iulia. Unul dintre ele finanțat de UE a susținut producția de energie electrică utilizând potențialul solar local captiv ca urmare a montării, operaționalizării și interconectării cu Sistemul Energetic Național (SEN) a 1714 panouri fotovoltaice, cu o putere instalată totală de 257 kW. Programului Operațional Sectorial „Creșterea Competitivității Economice” (POS CCE), Axa Prioritară 4 „Creșterea eficienței energetice și a securității furnizării, în contextul combaterii schimbărilor climatice”, D.M.I. „Valorificarea Resurselor regenerabile de energie pentru producerea energiei verzi”. Operațiunea: “Sprijinirea investițiilor în modernizarea și realizarea de noi capacități de producere a energiei electrice și termice, prin valorificarea resurselor energetice regenerabile: a biomasei, a resurselor hidroenergetice (<10 MW), solare, eoliene, a biocombustibilului, a resurselor geotermale și a altor resurse regenerabile de energie”, impulsionează protecția mediului prin reducerea emisiilor poluante, combaterea schimbărilor climatice; diversificarea surselor de producere a energiei, tehnologiilor și infrastructurii pentru producția de energie electrică, respectiv crearea a noi locuri de muncă în diferite zone ale țării prin realizarea/ modernizarea capacităților de producere a energiei din surse neconvenționale. Cu referire la contextul din România, se poate afirma următoarele:

Producția de energie electrică pe bază de panouri fotovoltaice este oportună în contextul actual din România.

Conform cadrului legislativ care susține energiile regenerabile (4 certificate verzi plus valoarea energiei electrice produse / MWh produs cu panouri fotovoltaice) perioada de recuperare a investiției este între 5 – 14 de ani.

În acest sens este necesară sprijinirea producției de energie electrică pe bază de panouri fotovoltaice în România la nivelul european care este de aproximativ 2 – 3 euro / Wp

Fig. 3.19. Proiecte de energie solara in zona Alba Iulia (stg.)-Invertoare solare în montaj

modular (dr.)-Panouri solare pe un acoperiș de cladire publică.

CAPITOLUL 4 STUDIUL PRACTIC

În această lucrare am realizat un sistem automat de orientare al panourilor solare,acest sistem dispune de protecție la alimentare sau la conectarea inversă a celulei fotovoltaice și este alcătuit din următoarele module:

Partea central de procesare este reprezentată de un microcontroler ATmega328

Senzorii de lumină sunt fotorezistorii care atunci când sunt puși la lumină,rezistența lor tinde spre zero, iar când sunt puși la întuneric rezistența lor tinde la infinit

Partea care acționează panoul solar reprezentată de un motor pas cu pas, care este controlat de un driver ULN2003

Am folosit un modul RTC care tochează ora și data

Un LCD grafic folosit în modulul alfanumeric pentru a afișa diferite mesaje/valori de la senzori

O celulă fotovoltaică cu Unominal=18V și Inominal=40mA

Un divisor rezistiv pentru măsurarea tensiunii pe care o furnizează celula fotovoltaică

Principiul de funcționare este următorul:cu ajutorul microcontrolerului citim valoarea de tensiune de la cei trei senzori de lumină, iar în funcție de aceste valori rotim axul motorului spre senzorul de la care citim valoarea cea mai mare, iar pe LCD afișăm următoarele date:data și ora;valorile citite de la cei trei senzori de lumină;tensiunea,curentul și puterea debitată de celula fotovoltaică.

4.1 Date generale despre componentele folosite in lucrarea practică

În acest subcapitol vor fi prezentate microcontrolerul atmega328 p-pu, LCD grafic84x48,modulul RTC,motorul pas cu pas.

ATmega328 este un microcontroler ce are un consum redus de energie, folosește o tehnologie de tip CMOS pe 8 biți, cu o arhitectură de tip RISC. Prin executarea unor instrucțiuni puternice într-un singur ciclu de ceas, microcontrolerul este capabil să execute aproape 1 MIPS (un milion de instrucțiuni pe secundă) pe MHz ceea ce permite obtimizarea consumului de energie în raport cu viteza de procesare.

Partea centrală reprezentată de:

Microcontrolerul atmega328p-pu

Fig.4.1 Configurația pinilor

În fig.4.1 este prezentat modul în care sunt dispuși pinii și o scurtă prezentare a funcțiilor pe care aceștia le îndeplinesc.

Microcontrolerul combină un bogat set de instrucțiuni cu 32 de registri de uz general. Toți cei 32 de regiștri sunt conectați la ALU (Unitatea Logica Aritmetică), astfel este posibil ca doi regiștrii independenți să fie accesați printr-o singură executare a unei instrucțiuni într-un ciclu de ceas, astfel rezultă o arhitectură care este de 10 ori mai eficientă din punct de vedere al vitezei decât arhitecturile convenționale CISC, folosite de alte microcontrolere.

ATmega328 oferă următoarele funcții: 4K/8K octeți de memorie Flash programabilă integrată în sistem cu capacități Read-While-Write, 1K octeți de memorie EEPROM, 2K octeți de memorie SRAM, 23 de I/O (intrări/ieșiri) de uz general, 32 de regiștrii de uz general, trei Timer/Counters flexibili cu moduri de comparare, USART programabil serial, interfață serială pe 2 fire, port serial SPI, 6 canale ADC cu o rezoluție de 10 biți, timer-ul Watchdog programabil cu oscilator intern și 5 moduri de funcționare selectabile prin intermediul software-ului pentru consum redus de energie.

Fig.4.2 Diagrama bloc a microcontrolerului Atmega328

În fig.4.2 este prezentată diagrama bloc a microcontrolerului, unde sunt evidențiate toate blocurile funcționale ale acestuia, printre care amintim și CPU (unitatea centrala de procesare).

LCD grafic 84×48

Acesta utilizează controlerul PCD8544. PCD8544 este un mic CMOS de putere LCD controler / conducător auto, proiectat pentru a conduce un display grafic de 48 de rânduri și 84 de coloane. Toate funcțiile necesare pentru afișaj sunt prevăzute într-un singur cip, inclusiv generarea on-chip de aprovizionare LCD și tensiuni prejudecată, rezultând într-un minim de componente externe și un consum redus de energie. Interfețele PCD8544 la microcontrolere printr-o interfață de magistrală serială.

Fig.4.3 LCD grafic 84×48

LCD grafic 84×48 are un consum redus de energie,tensiunea de alimentare 3,3V, interfața serială maxim 4.0 Mbiți/s ,reset pin de intrare,date de afișare RAM 48 x 84 biți,intrări compatibile CMOS.

Fig.4.4 Diagrama bloc pentru LCD grafic 84×48

Modul RTC

Aceasta este un ceas de timp real DS1307 .Modulul este complet asamblat și pre-programate cu ora curentă .DS1307 este accesat prin protocolul I2C.Este alimentat de o baterie,detectează căderile de tensiune,adresa și datele sunt transferate in serie prin intermediul a două fire. DS1307 funcționează ca un dispozitiv pe magistrala serială. Accesul este obținut prin implementarea unei condiții de START și oferă un cod de identificare dispozitivului urmat de o adresă de registru. Registrele ulterioare pot fi accesate secvențial până când condiția STOP este executată. Modulul are interfața I2C,ieșire 1Hz pe pini, 56 biți de memorie non-volatilă disponibile pentru utilizatori.

Fig.4.5 Modul RTC DS1307

Fig.4.6 Diagrama bloc a modulului RTC DS1307

Motor pas cu pas

Motor pas cu pas este un motor controlat de o serie de bobine electromagnetice. Arborele central are o serie de magneți montați pe el, iar bobinele din jurul arborelui sunt date alternativ curent sau nu, creaza un câmp magnetic care atrage sau respinge magneții pe arbore, provocând motorul să se rotească. Acest design permite un control foarte prețios al motorului, Există două tipuri de bază de motoare pas cu pas unipolare și bipolare. Motorul pas cu pas unipolare 28-BYJ48 are cinci sau șase fire si patru bobine. Conexiunile mediane ale bobinelor sunt legate împreună și utilizate drept conexiune de putere.

Fig.4.7 Motor pas cu pas

Tensiunea nominală 5 V,rezistența pe fază 300 Ω are un număr de 4 faze,frecvența 100 Hz iar viteza de 500 pași pe secundă.

4.2 Realizarea schemelor electrice și a cablajului

Schema electrică și cablajul au fost realizate în programul Eagle ,acesta este un produs al firmei Cad Soft din Statele Unite ale Americii . Numele acestui program este de fapt un acronim Easly Applicable Grapich Layout Editor, ceea ce în traducere libera în limba română ar însemna un editor foarte simplu și ușor de aplicat pentru realizarea schemelor.

Fig.4.8 Schema motor

Fig 4.9 Modulul pentru alimentare

În fig.4.9 este modulul de alimentare cu urmatoarele componente:

J1-conector pentru alimentarea circuitului

D1-diodă de protecție pentru alimentarea inversă

C2-condensator de filtraj(3V3)

C3-stabilizator liniar de tensiune(3V3)

C4-condensator de filtraj(5V)

C5,C6-condensator de decuplaj

LED1-indicator de tensiune 3V3

IC2-stabilizator liniar de tensiune

Fig.4.10 Microcontroler cu conectori pentru celelalte module

În fig.4.10 cuprinde urmatoarele componente:

S1-buton reset

R1,C1-filtru buton reset

Rezonator ceramic THT

SV2-conector pentru LCD

SV1-AREF pin referințăpentru ADC

SV3-conecor programare pentru programator

SV4-conector pentru stepper

SV5-conector pentru RTC

Fig.4.11 Circuit pentru fotorezistor

Circuitul pentru fotorezistor din fig.4.11 este alcătuit din urmatoarele componente:

A0,A1,A2-intrări analogice

U$3-conectori fotorezistori(stânga)

R7-filtru trece jos

R8-divizor de tensiune

Fig.4.12 Senzorul de tensiune

Caracteristici:

D4-diodă protecție pentru alimentare inversă

C10-condensator de cuplaj

C11-condensator de filtraj

LED2-indicator tensiune celulă

R5-rezistență de sarcină

R13,R14-divizori rezistivi

D5-diodă protecție

Fig.4.13 Butoane de reglare

Caracteristici:

B1,B2-intrări conectate la microcontroller

S2,S3-buton pentru offset

R15,R16,C12,C13-filtru pentru zgomot mechanic

Fig.4.14 Așezarea componentelor pe cablaj

Fig.4.15 Circuit imprimat care a fost printat pe cablaj

Linia de cod

#define PinSenzorLuminaStanga A0

#define PinSenzorLuminaCentru A1

#define PinSenzorLuminaDreapta A2

#define PinDivizorTensiune A3

#define PinButonOffsetStanga 8

#define PinButonOffsetDeapta 9

#define Pin1Stepper 10

#define Pin2Stepper 11

#define Pin3Stepper 12

#define Pin4Stepper 13

#define ValoareRezistorLED 1000

#define ValoareTensiuneDioda 0.60

#define RaportDivizorTensiune 5.55

int x = 0;

int m = 0;

int _step = 0;

int pozitieCitita = 0;

int pozitieActuala = 0;

int ValoareSenzorLuminaStanga = 0;

int ValoareSenzorLuminaCentru = 0;

int ValoareSenzorLuminaDreapta = 0;

int ValoareDivizorTensiune = 0;

float ValoareTensiune = 0;

float ValoareCurent = 0;

float ValoarePutere = 0;

float ValoareCurentSarcina = 0;

int ValoareButonOffsetStanga = 0;

int ValoareButonOffsetDeapta = 0;

boolean dir = true;

#include <PCD8544.h>

static PCD8544 lcd;

#include <Wire.h>

#include "RTClib.h"

RTC_Millis rtc;

void setup() {

rtc.begin(DateTime(__DATE__, __TIME__));

lcd.begin(84, 48);

pinMode(PinSenzorLuminaStanga, INPUT);

pinMode(PinSenzorLuminaCentru, INPUT);

pinMode(PinSenzorLuminaDreapta, INPUT);

pinMode(PinDivizorTensiune, INPUT);

pinMode(PinButonOffsetStanga, INPUT);

pinMode(PinButonOffsetDeapta, INPUT);

pinMode(Pin1Stepper, OUTPUT);

pinMode(Pin2Stepper, OUTPUT);

pinMode(Pin3Stepper, OUTPUT);

pinMode(Pin4Stepper, OUTPUT);

printLCDinitializare();

}

void loop() {

DateTime now = rtc.now();

ValoareSenzorLuminaStanga = analogRead(PinSenzorLuminaStanga);

ValoareSenzorLuminaCentru = analogRead(PinSenzorLuminaCentru);

ValoareSenzorLuminaDreapta = analogRead(PinSenzorLuminaDreapta);

if (ValoareSenzorLuminaStanga >= ValoareSenzorLuminaCentru &&

ValoareSenzorLuminaStanga >= ValoareSenzorLuminaDreapta) {

pozitieCitita = -1;

}

else if (ValoareSenzorLuminaDreapta >= ValoareSenzorLuminaCentru &&

ValoareSenzorLuminaDreapta >= ValoareSenzorLuminaStanga) {

pozitieCitita = 1;

}

else {

pozitieCitita = 0;

}

ValoareDivizorTensiune = analogRead(PinDivizorTensiune);

ValoareButonOffsetStanga = digitalRead(PinButonOffsetStanga);

ValoareButonOffsetDeapta = digitalRead(PinButonOffsetDeapta);

if (ValoareButonOffsetStanga == 0) {

dir = false; motor(); pozitieActuala = 0;

}

if (ValoareButonOffsetDeapta == 0) {

dir = true; motor(); pozitieActuala = 0;

}

printLCD();

if (pozitieActuala == pozitieCitita) { }

else {

if (pozitieActuala == 0 && pozitieCitita == -1) {

dir = false;

for (m = 0; m < 5; m++) {

motor();

}

pozitieActuala = pozitieCitita;

}

if (pozitieActuala == 1 && pozitieCitita == -1) {

dir = false;

for (m = 0; m < 10; m++) {

motor();

}

pozitieActuala = pozitieCitita;

}

if (pozitieActuala == -1 && pozitieCitita == 0) {

dir = true;

for (m = 0; m < 5; m++) {

motor();

}

pozitieActuala = pozitieCitita;

}

if (pozitieActuala == 1 && pozitieCitita == 0) {

dir = false;

for (m = 0; m < 5; m++) {

motor();

}

pozitieActuala = pozitieCitita;

}

if (pozitieActuala == -1 && pozitieCitita == 1) {

dir = true;

for (m = 0; m < 10; m++) {

motor();

}

pozitieActuala = pozitieCitita;

}

if (pozitieActuala == 0 && pozitieCitita == 1) {

dir = true;

for (m = 0; m < 5; m++) {

motor();

}

pozitieActuala = pozitieCitita;

}

tensiune();

curent();

putere();

lcd.setCursor(0, 0); lcd.print(" ");

lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("Data:");

lcd.setCursor(30, 0); lcd.print(now.day(), DEC);

lcd.setCursor(42, 0); lcd.print("/");

lcd.setCursor(48, 0); lcd.print(now.month(), DEC);

lcd.setCursor(54, 0); lcd.print("/");

lcd.setCursor(60, 0); lcd.print(now.year(), DEC);

lcd.setCursor(0, 1); lcd.print(" ");

lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Ora:");

lcd.setCursor(30, 1); lcd.print(now.hour(), DEC);

lcd.setCursor(43, 1); lcd.print(":");

lcd.setCursor(48, 1); lcd.print(now.minute(), DEC);

lcd.setCursor(61, 1); lcd.print(":");

lcd.setCursor(66, 1); lcd.print(now.second(), DEC);

delay(1000);

}

void printLCDinitializare() {

lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("Univ 1Dec 1918");

lcd.setCursor(0, 1); lcd.print(" Alba Iulia");

lcd.setCursor(0, 2); lcd.print("+––––+");

lcd.setCursor(0, 3); lcd.print("+ PROIECT +");

lcd.setCursor(0, 4); lcd.print(" LICENTA 2014 ");

lcd.setCursor(0, 5); lcd.print("+––––+");

delay(1000);

lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("Sistem Automat");

lcd.setCursor(0, 1); lcd.print(" de orientare ");

lcd.setCursor(0, 2); lcd.print("al Panourilor ");

lcd.setCursor(0, 3); lcd.print(" Fotovoltaice ");

lcd.setCursor(0, 4); lcd.print("+ IUHOS +");

lcd.setCursor(0, 5); lcd.print("- Alexandra -");

delay(1000);

lcd.setCursor(0, 0); lcd.print(" ");

lcd.setCursor(0, 1); lcd.print(" ");

lcd.setCursor(0, 2); lcd.print(" ");

lcd.setCursor(0, 3); lcd.print(" ");

lcd.setCursor(0, 4); lcd.print(" ");

lcd.setCursor(0, 5); lcd.print(" ");

}

void printLCD() {

lcd.setCursor(0, 2); lcd.print("S");

lcd.setCursor(6, 2); lcd.print(map(ValoareSenzorLuminaDreapta, 0, 1023, 10, 99));

lcd.setCursor(18, 2); lcd.print("%");

lcd.setCursor(30, 2); lcd.print("C");

lcd.setCursor(36, 2); lcd.print(map(ValoareSenzorLuminaCentru, 0, 1023, 10, 99));

lcd.setCursor(48, 2); lcd.print("%");

lcd.setCursor(60, 2); lcd.print("D");

lcd.setCursor(66, 2); lcd.print(map(ValoareSenzorLuminaStanga, 0, 1023, 10, 99));

lcd.setCursor(78, 2); lcd.print("%");

lcd.setCursor(0, 3); lcd.print("Tensiune= ");

lcd.setCursor(54, 3); lcd.print(ValoareTensiune);

lcd.setCursor(78, 3); lcd.print("V");

lcd.setCursor(0, 4); lcd.print("Curent= ");

lcd.setCursor(42, 4); lcd.print(ValoareCurent);

lcd.setCursor(72, 4); lcd.print("mA");

lcd.setCursor(0, 5); lcd.print("Putere= ");

lcd.setCursor(42, 5); lcd.print(ValoarePutere);

lcd.setCursor(72, 5); lcd.print("mW");

}

void motor() {

for (x = 0; x < 128; x++)

{

switch (_step) {

case 0:

digitalWrite(Pin1Stepper, LOW);

digitalWrite(Pin2Stepper, LOW);

digitalWrite(Pin3Stepper, LOW);

digitalWrite(Pin4Stepper, HIGH);

break;

case 1:

digitalWrite(Pin1Stepper, LOW);

digitalWrite(Pin2Stepper, LOW);

digitalWrite(Pin3Stepper, HIGH);

digitalWrite(Pin4Stepper, HIGH);

break;

case 2:

digitalWrite(Pin1Stepper, LOW);

digitalWrite(Pin2Stepper, LOW);

digitalWrite(Pin3Stepper, HIGH);

digitalWrite(Pin4Stepper, LOW);

break;

case 3:

digitalWrite(Pin1Stepper, LOW);

digitalWrite(Pin2Stepper, HIGH);

digitalWrite(Pin3Stepper, HIGH);

digitalWrite(Pin4Stepper, LOW);

break;

case 4:

digitalWrite(Pin1Stepper, LOW);

digitalWrite(Pin2Stepper, HIGH);

digitalWrite(Pin3Stepper, LOW);

digitalWrite(Pin4Stepper, LOW);

break;

case 5:

digitalWrite(Pin1Stepper, HIGH);

digitalWrite(Pin2Stepper, HIGH);

digitalWrite(Pin3Stepper, LOW);

digitalWrite(Pin4Stepper, LOW);

break;

case 6:

digitalWrite(Pin1Stepper, HIGH);

digitalWrite(Pin2Stepper, LOW);

digitalWrite(Pin3Stepper, LOW);

digitalWrite(Pin4Stepper, LOW);

break;

case 7:

digitalWrite(Pin1Stepper, HIGH);

digitalWrite(Pin2Stepper, LOW);

digitalWrite(Pin3Stepper, LOW);

digitalWrite(Pin4Stepper, HIGH);

break;

default:

digitalWrite(Pin1Stepper, LOW);

digitalWrite(Pin2Stepper, LOW);

digitalWrite(Pin3Stepper, LOW);

digitalWrite(Pin4Stepper, LOW);

break;

}

if (dir) {

_step++;

}

else {

_step–;

}

if (_step > 7) {

_step = 0;

}

if (_step < 0) {

_step = 7;

}

delay(1);

}

digitalWrite(Pin1Stepper, LOW);

digitalWrite(Pin2Stepper, LOW);

digitalWrite(Pin3Stepper, LOW);

digitalWrite(Pin4Stepper, LOW);

}

void tensiune() {

ValoareTensiune = (ValoareDivizorTensiune /38);

}

void curent() {

if(ValoareTensiune>1.8)

{

ValoareCurent = ValoareTensiune – 1.8;

}

else

{

ValoareCurent = 0;

}

void putere() {

ValoarePutere = ValoareTensiune * ValoareCurent;

}

Realizarea cablajului

În acest subcapitol am proiectat cablajul în Eagle,l-am printat pe hârtie,iar hârtia am pus-o pe placuță de cupru.Pe urmă cu ajutorul fierului de călcat am trecut cablajul printat de pe hârtie pe placuța de cupru.Plăcuța am introdus-o la corodat în clorură ferică.Dupa ce am scos-o,am curațat traseele cu acetonă apoi am dat cu cositor pe trasee,iar în cele din urmă am lipit componentele.Când am realizat traseele am dat cu pastă decapantă pe placa și am dat cu letcon și pasta s-a transformat în cositor.Piesele au fost lipite cu cositor sârmă.

Fig.4.16 O parte din procesul de imprimare a circuitului

Fig.4.17 Imprimarea cablajului prin procesul press and peel

Fig.4.18 Imagine din procesul de imprimare

4.3 Măsuratori efectuate cu ajutorul osciloscopului și a multimetrului

Pentru realizarea măsuratorilor am avut nevoie de un aparat de măsură și un osciloscop Lecroy.

Osciloscopul este un aparat electronic de măsură care servește la observarea și măsurarea unui semnal de tensiune electrică cu frecvență constantă, sau a mai multor semnale simultane de tensiune ce evoluează discret, folosind pentru asta în mod uzual un câmp grafic vizualizator, unde axa 'X'-lor (abscisa) este axa timpului iar axa 'Y'-lor (ordonata) este axa reprezentării amplitudinilor semnalelor de măsurat .

Parametrii cei mai importanți ai semnalelor electrice care se pot măsura sunt următorii:

perioada sau frecvența semnalelor periodice;

factorul de umplere al unui semnal dreptunghiular;

timpul de creștere sau descreștere al unui puls de la un nivel dat la altul;

durata unui puls;

întârzierea relativă a două semnale;

Fig.4.19 Testarea montajului

Multimetru digital DT 9205A prevăzut cu carsacsă antisoc

Acest instrument este unul din seria celor profesionale pentru măsurarea tensiunii AC și DC, curent DC, rezistență și diode. Este un instrument ideal pentru utilizarea în domeniu electric, cum ar fi laboratoare, locul de munca și chiar și acasă.

Fig.4.20 Măsuratori facute dupa finalizarea montajului

Alimentarea montajului de la rețeaua electrică (alimentator 9V / 1A)

Fig.4.21 Tensiunea de alimentare a modulului

CH1 tensiunea de alimentare (9.6V cu riplu de 200mVpp)

CH2 tensiunea după stabilizatorul de 5V cu ieșirea în gol (5.4V)

Fig.4.22 Teniunea de alimentare a modulului

CH1 tensiunea de alimentare (9.6V)

CH2 tensiunea după stabilizatorul de 5V cu ieșirea în gol (5.4V)

Fig.4.23 Tensiunea de alimentare a modulului

CH1 tensiunea de alimentare (9.6V)

CH2 tensiunea după stabilizatorul de 3.3V cu ieșirea în gol (3.6V)

CH2 tensiunea după stabilizatorul de 3.3V cu ieșirea în sarcină (3.4V)

Pentru măsurarea curentului am folosit un traductor de curent (senzor Hall), care are următoarea caracteristică

La un curent de 1A(DC) generează un semnal de tensiunea de 100mV(DC).

Fig.4.24 Consumul generat de traductorul de curent

CH1 tensiunea de alimentare (9.6V)

CH2 semnalul de tensiune generat de traductorul de curent

10mV/div * 0.45 div = 4.5mV

dacă la 100mV – 1A ->

4.5mV – 45mA (curent consumat de intreg circuitul când motorul se află în stand by)

Fig.4.25 Consum general de întreg circuitul când motorul se află în stand by

CH1 tensiunea de alimentare (9.6V)

CH2 semnalul de tensiune generat de traductorul de curent

10mV/div * 0.45 div = 4.5mV

10mV/div * 1 div = 10mV

10mV/div * 3 div = 30mV

dacă la 100mV – 1A ->

4.5mV – 45mA (curent consumat de întreg circuitul când motorul se află în stand by)

20mV – 200mA cu un riplu de 200mApp (curent consumat de întreg circuitul când motorul se află în funcțiune cu rotorul in gol)

Fig.4.26 Consum motor

CH1 tensiunea de alimentare a motorului după stabilizatorul de 5V

CH2 semnalul de tensiunea generat de traductorul de curent

10mV/div * 0.2 div = 2mV

10mV/div * 1.5 div = 15mV (riplu 10mVpp)

dacă la 100mV – 1A ->

2mV – 20mA (curent consumat de motor în stand by)

15mV – 150mA cu riplu de 100mA (curent consumat de motor în funcțiune cu rotorul în gol)

Fig.4.27 Generarea semnalului la celulă fotovoltaică

CH1 tensiunea generată de celula fotovoltaică la lumină (de la soare) maximă în sarcină (rezistivă) la un consum de 16.5mA

Tensiune generată de celula fotovoltaică 18.5V

Consumator

Un led înseriat cu un rezistor

Uled = 2V

Valoare rezistor 1kΩ

Curent prin led (1.2)

CH2 tensiunea după divizorul de tensiune, care intră în microcontroler pentru a fi măsurată

(1.3)

Fig.4.28 Generarea semnalulu la celulă fotovoltaică

CH1 tensiunea generată de celula fotovoltaică la lumină în sarcină (rezistivă) la un consum de 16mA

Tensiune generată de celula fotovoltaică 18V

Consumator

Un led înseriat cu un rezistor

Uled = 2V

Valoare rezistor 1kΩ

Curent prin led (1.4)

CH2 tensiunea după divizorul de tensiune, care intră în microcontroler pentru a fi măsurată

(1.5)

Curent consum motor:

4.29 Măsurarea curentului obținut de motor

Fig.4.30 Montajul în forma sa finală

CAPITOLUL 5 CONCLUZII

Panourile solare fotovoltaice sunt sisteme care captează energia solară și o transformă în energie electrică, energie electrică gratuită, nepoluantă si ecologică. Energia solară a devenit un subiect foarte important din momentul în care omenirea a realizat că energia constituie o componentă vitală a existenței sale în condițiile civilizației moderne. Soarele oferă o alternativă posibilă la soluționarea crizei de energie, care a devenit din ce în ce mai accentuată cu creșterea populației.

Domeniile pe care le-am abordat în acest studiu sunt producerea energiei electrice cu ajutorul panourilor fotovoltaice și transferul termic ce are loc la nivelul acestora.

Energie din surse regenerabile oferă o gamă largă de tehnologii pentru încurajarea

viitorului apropiat și planificarea pe termen lung. Dacă numai jumătate din aceste noi

tehnologii ar avea o creștere mai mare pe piață, societatea va crea o șansă foarte bună la salvarea Pământului de la cursul său periculos.

În această lucrare am realizat un sistem automat de orientare al panourilor solare,acest sistem dispune de protecție la alimentare sau la conectarea inversă a celulei fotovoltaice și este alcătuit din următoarele module:

Partea central de procesare este reprezentată de un microcontroler ATmega328

Senzorii de lumină sunt fotorezistorii care atunci când sunt puși la lumină,rezistența lor tinde spre zero, iar când sunt puși la întuneric rezistența lor tinde la infinit

Partea care acționează panoul solar reprezentată de un motor pas cu pas, care este controlat de un driver ULN2003

Am folosit un modul RTC care stochează ora și data

Un LCD grafic folosit în modulul alfanumeric pentru a afișa diferite mesaje/valori de la senzori

O celulă fotovoltaică cu Unominal=18V și Inominal=40mA

Un divizor rezistiv pentru măsurarea tensiunii pe care o furnizează celula fotovoltaică

Principiul de funcționare este următorul:cu ajutorul microcontrolerului citim valoarea de tensiune de la cei trei senzori de lumină, iar în funcție de aceste valori rotim axul motorului spre senzorul de la care citim valoarea cea mai mare, iar pe LCD afișăm următoarele date:data și ora;valorile citite de la cei trei senzori de lumină;tensiunea,curentul și puterea debitată de celula fotovoltaică.

Utilizarea energiei solare în vederea producerii energiei electrice prezintă următoarele avantaje:

Nu produce poloare asupra mediului;

Perioada de funcționare relativ mare,peste 25 de ani,perioadă de garanție de 20 de ani a modulelor fotovoltaice;

Costuri de instalare mai reduse față de conectarea la sistemul public pentru zonele izolate;

Cheltuieli cu mentenanță reduse,nu necesită supraveghere permanentă;

Instalare rapidă fără a necesita utilaje și un număr mare de personal;

Deși sistemele solare prezintă avantajue, trebuie să ținem seama și de unele dezavantaje:

Pentru puteri mari se solicită suprafețe mari de module fotovoltaice;

Sistemul nu produce energie noaptea, in perioadele reci și înnorate;

Depind de valorile radiației solare zilnice;

Lista de simboluri

PV-panouri fotovoltaice

UGSS-United States Geological Survey

CS-celulă solară

c-Si-celule monocristaline

mc-Si-celule policristaline

a-Si celule cu siliciu aforf

SEN-Sistemul Energetic Național

EEPROM-Electrically Erasable Programable Read Only Memory

ALU-Aritmethic Logic Unit

CISC-Complex Instruction Set Computer

RISC-Reduced Instruction Set Computer

ModulRTC-modul de ceas real

SRAM-Static Random Access Memory

USART-Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter

Unitați de măsură

KWh/mp.an-kilowatt/metru²·an

V-volt

KW-kilowatt

mA-miliamperi

MWh-megawatt-oră

ῼ-ohm

t-tone

Wp/m²-watt/metru²

W-watt

K-kiliwatt

IBLIOGRAFIE

Bibliografie carți:

M. Powalla and B. Dimmler. CIGS solar modules – progress in pilot production, new developments and applications. 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference, (2004) Paris, Ed.: JRC, Ispra, Italy, 1663)

2. "Shell SP140 Photovoltaik Solarmodul", Shell Solar, Produktinformation, Draft, 2006.

3. Simon M. Sze, "Physics of Semiconductor Devices", Wiley-Interscience; 2 Edition (September 1981), ISBN: 0471056618.

4. V. Quaschning (2002): Energieaufwand zur Herstellung regenerativer Anlagen.

Bibliografie online

5. http://www.earth-policy.org/data_highlights/2014/highlights46 accesat la data de 23.11.2013 ,ora 14:32

6. http://biblioteca.regielive.ro/proiecte/electronica/microcontrolere-9703.html?ref=doc2 accesat la data de 06.01.2014 ,ora 15:34

7.http://www.scribd.com/doc/39510987/microcontrolere-pentru-toti accesat la data de 23.11.2013 ,ora 12:08

8.http://www.wisegeek.com/what-is-solar-energy.htm accesat la data de 05.11.2013

9.http://science.nationalgeographic.com/science/space/solar-system accesat la data de 10.02.2014 ,ora 18:22

10. http://www.energie-loesungen.de/energie-loesungen/magazine/article.php?artID=63 accesat la data de 17.02.20134,ora 20:52

11.http://de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle. accesat la data de 14.03.2014 ,ora 16:42

12.http://ro.wikipedia.org/wiki/Celul%C4%83_solar%C4%83#Clasificare accesat la data de 23.03.2014 ,ora 21:30

13,http://www.tehnosat.ro/Produse/Panouri-Fotovoltaice#pfm accesat la data de 12.12.2013 ,ora 12:30

14.http://www.solarzone.ro/Panouri-Solare-Fotovoltaice accesat la data de 17.03.2014 ,ora 19:20

15.http://www.promacht.ro/solar/panouri.html accesat la data de 12.11.2013 ,ora 15:17

16.http://altiusfotovoltaic.ro/fabricarea-panourilor-fotovoltaice accesat la data de 29.11.2013 ,ora 18:30

17.http://www.earth-policy.org/indicators/C47/ accesat la data de 05.04.2014,ora 10:00

18.http://www.solarbuzz.com/news/recent-findings/strong-growth-forecast-solar-pv-industry-2014-demand-reaching-49-gwc accesat la data de 15.02.2014 ,ora 20:10

19.http://www.euedia.tuiasi.ro/lab_ep/ep_files/Lucrarea_18_img.pdf accesat la data de 10.04.2014 ,ora 15:12

20.http://www.qualiterm.ro/pdf/panouri_solare/panouri_solare_buderus/solar.pdf accesat la data de 10.03.2014,ora 17:45

21.http://ro.wikipedia.org/wiki/Celul%C4%83_solar%C4%83#Celule_solare_cu_strat_sub.C8.9Bire accesat la data de 02.05.2014 ,ora 22:30

22.http://www.ecovolt.ro/ro/systems/solarsys/solarsys_min_ro.html accesat la data de 26.04.2014 ,ora 19:37

23.http://derivat.ro/cursuri/electronica/an1/an1_derivat.ro_met_metc%20ch2_38527.pdf accesat la data de 16.05.2014 ora 14:24

24.http://energie-verde.ro/panouri-fotovoltaice accesat la data de 10.06.2014 ora 20:30

25.https://www.sparkfun.com/datasheets/Components/DS1307.pdf accesat la data de 12.04.2014 ora 15:46

26.https://www.sparkfun.com/datasheets/LCD/Monochrome/Nokia5110.pdf accesar la data de 17.05.2014 ora 09:40

BIBLIOGRAFIE