ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΝΙΚΟΛΑΟΥ ΙΩΑΝΝΗ ΠΑΠΠΑ Α.Μ.: ΑΝΑΛΥΣΗ, ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΓΙΑ ΤΗ ΦΟΡΤΙΣΗ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ ΑΠΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΑ ΠΛΑΙΣΙΑ Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Ν ο 419 Πάτρα, Μάρτιος 2017 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥΠΟΛΗ ΠΑΤΡΑΣ ΡΙΟ - ΠΑΤΡΑ Τηλ: Τηλ: Τηλ: Fax: e.c.tatakis@ece.upatras.gr

2 Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Νικόλαος Παππάς 2017 Με την επιφύλαξη παντός δικαιώματος Το σύνολο της εργασίας αποτελεί πρωτότυπο έργο, παραχθέν από τον Νικόλαο Παππά, και δεν παραβιάζει δικαιώματα τρίτων καθ οιονδήποτε τρόπο. Υλικό που περιέχεται στην εργασία, το οποίο δεν έχει παραχθεί από τον ίδιο, είναι ευδιάκριτο και αναφέρεται ρητώς εντός του κειμένου της εργασίας ως προϊόν εργασίας τρίτου, σημειώνοντας με παρομοίως σαφή τρόπο τα στοιχεία ταυτοποίησής του, ενώ παράλληλα βεβαιώνεται πως στην περίπτωση χρήσης αυτούσιων γραφικών αναπαραστάσεων, εικόνων, γραφημάτων κλπ., ο συγγραφέας έχει λάβει τη χωρίς περιορισμούς άδεια του κατόχου των πνευματικών δικαιωμάτων για τη συμπερίληψη και επακόλουθη δημοσίευση του υλικού αυτού.

3 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΝΙΚΟΛΑΟΥ ΙΩΑΝΝΗ ΠΑΠΠΑ Α.Μ.: ΑΝΑΛΥΣΗ, ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΓΙΑ ΤΗ ΦΟΡΤΙΣΗ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ ΑΠΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΑ ΠΛΑΙΣΙΑ Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Ν ο /2017 Πάτρα, Μάρτιος 2017

4 Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Νικόλαος Παππάς 2017 Με την επιφύλαξη παντός δικαιώματος Το σύνολο της εργασίας αποτελεί πρωτότυπο έργο, παραχθέν από τον Νικόλαο Παππά, και δεν παραβιάζει δικαιώματα τρίτων καθ οιονδήποτε τρόπο. Υλικό που περιέχεται στην εργασία, το οποίο δεν έχει παραχθεί από τον ίδιο, είναι ευδιάκριτο και αναφέρεται ρητώς εντός του κειμένου της εργασίας ως προϊόν εργασίας τρίτου, σημειώνοντας με παρομοίως σαφή τρόπο τα στοιχεία ταυτοποίησής του, ενώ παράλληλα βεβαιώνεται πως στην περίπτωση χρήσης αυτούσιων γραφικών αναπαραστάσεων, εικόνων, γραφημάτων κλπ., ο συγγραφέας έχει λάβει τη χωρίς περιορισμούς άδεια του κατόχου των πνευματικών δικαιωμάτων για τη συμπερίληψη και επακόλουθη δημοσίευση του υλικού αυτού.

5 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: "ΑΝΑΛΥΣΗ, ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΓΙΑ ΤΗ ΦΟΡΤΙΣΗ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ ΑΠΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΑ ΠΛΑΙΣΙΑ" του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΝΙΚΟΛΑΟΥ ΙΩΑΝΝΗ ΠΑΠΠΑ (Α.Μ ) Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 08/03/2017 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Εμμανουήλ Τατάκης Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής

6

7 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2017 ΤΙΤΛΟΣ: "ΑΝΑΛΥΣΗ, ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΓΙΑ ΤΗ ΦΟΡΤΙΣΗ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ ΑΠΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΑ ΠΛΑΙΣΙΑ" Φοιτητής: Επιβλέπων: Νικόλαος Παππάς του Ιωάννη Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος (Φ/Β) μικρής ονομαστικής ισχύος (~100W). Επιπλέον, πραγματεύεται τη σχεδίαση, κατασκευή και έλεγχο ενός μετατροπέα ανύψωσης τάσης που ενσωματώνεται στο εν λόγω σύστημα, με στόχο τη λειτουργία του Φ/Β συστήματος στο σημείο μέγιστης ισχύος. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Κύριος σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η κατασκευή ενός ανυψωτή τάσης, για τη διασύνδεση των φωτοβολταϊκών πλαισίων του συστήματος, τόσο με μια συστοιχία συσσωρευτών, όσο και με ένα κοινόχρηστο δίκτυο φωτισμού μίας πολυκατοικίας. Παράλληλα, βασικός στόχος είναι ο έλεγχος του μετατροπέα για την αποδοτικότερη (Έλεγχος Απομάστευσης Μέγιστης Ισχύος-MPPT) και ασφαλέστερη φόρτιση των συσσωρευτών. Απώτερος σκοπός είναι η άμεση παροχή ισχύος για τις ανάγκες του δικτύου φωτισμού κατά τη διάρκεια της ημέρας και η αποθήκευση της επιπλέον ισχύος στους συσσωρευτές, για την εξυπηρέτηση των φορτίων κατά τη διάρκεια της νύχτας. Αρχικά, παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης των φωτοβολταϊκών γεννητριών για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και αναλύεται ο τρόπος με τον οποίο η ηλιακή ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Επιπλέον, γίνεται μια σύντομη αναφορά στα είδη των φωτοβολταϊκών κυττάρων, καθώς και στους τύπους των φωτοβολταϊκών συστημάτων ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας τους. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται θεωρητική ανάλυση για κάθε βαθμίδα του αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην ανάλυση της λειτουργίας του μετατροπέα ανύψωσης τάσης. Επόμενο βήμα αποτελεί η διαστασιολόγηση του υπό μελέτη συστήματος και η προσομοίωσή του στο περιβάλλον Matlab/Simulink. Ακολούθως, εξετάζεται η συμπεριφορά του, αρχικά με παλμογεννήτρια και έπειτα με έλεγχο MPPT. Επιπρόσθετα, περιγράφεται ο σχεδιασμός και η κατασκευή όλων των κυκλωμάτων της διάταξης. Τέλος, διενεργούνται πειράματα από τα οποία λαμβάνονται μετρήσεις και παλμογραφήματα για την επιβεβαίωση και την αξιολόγηση της μελέτης που προηγήθηκε, καθώς και για να εκτιμηθεί η απόδοση του μετατροπέα.

8

9 Abstract This diploma thesis deals with the study of an autonomous, low rated power (~100W), photovoltaic system (PV). In addition, the design, construction and control of a Boost converter that is incorporated into this system is studied, in order to force the photovoltaic system to operate at Maximum Power Point. This thesis was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion at the Department of Electrical & Computer Engineering of the Polytechnic School, University of Patras, Greece. The main purpose of this diploma thesis is the construction of a Boost converter for the interconnection of photovoltaic panels with a battery pack, as well as with a lighting system of a building. At the same time, the main objective is the control of the converter for the most efficient (Maximum Power Point Tracking MPPT) and safest battery charging. A further goal is the direct power supply for the needs of the lighting of the building during daytime, as well as storing the extra power in batteries in order to supply the lighting load during nighttime. Initially, both the advantages and the disadvantages of the use of photovoltaic generators for producing electrical energy are presented and the method with which solar energy is converted into electrical is analyzed. In addition, there is a brief reference to the types of photovoltaic cells, as well as the types of photovoltaic systems depending on how they operate. Furthermore, a theoretical analysis for each step of the autonomous photovoltaic system takes place. Particular emphasis is given on the analysis of the Boost operation. Next step is the design of the system under study and simulation in Matlab/Simulink environment. Subsequently, its behavior is examined, initially by means of a pulse generator and then by MPPT control. Additionally, the design and construction of all device circuits is described. Finally, experiments are conducted from which measurements and waveforms are taken in order to confirm and evaluate the prior study, and to assess the efficiency of the converter.

10

11 Πρόλογος ΠΡΟΛΟΓΟΣ Σε αυτήν τη διπλωματική εργασία μελετάται ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα, χαμηλής ισχύος, της τάξεως των 100W, το οποίο αποτελείται από μία φωτοβολταϊκή γεννήτρια, έναν ηλεκτρονικό μετατροπέα ανύψωσης τάσης και μία συστοιχία συσσωρευτών. Απώτερος σκοπός είναι η εγκατάσταση ενός τέτοιου συστήματος σε πολυκατοικίες για την τροφοδοσία των φωτιστικών σωμάτων των κοινόχρηστων χώρων της. Ιδιαίτερα αναλύεται η λειτουργία του ηλεκτρονικού μετατροπέα ανύψωσης τάσης και παρουσιάζεται ο έλεγχος που εφαρμόστηκε για την αδιάλειπτη παροχή ισχύος στο φορτίο, αποθηκεύοντας ταυτόχρονα την επιπλέον ενέργεια στη συστοιχία συσσωρευτών. Μέσω ενός κυκλώματος ελέγχου με ψηφιακό μικροελεγκτή μεταβάλλεται ο λόγος κατάτμησης δ του ημιαγωγικού στοιχείου ισχύος του μετατροπέα, με σκοπό την προσαρμογή του φορτίου στην έξοδό του, τη λειτουργία της φωτοβολταϊκής γεννήτριας στο Σημείο Μέγιστης Ισχύος (Maximum Power Point/MPP) και την ασφαλή φόρτιση της συστοιχίας των συσσωρευτών (Διακοπτόμενη Φόρτιση-Intermittent Charging). Συγκεκριμένα, προσομοιώνεται ο ανυψωτής τάσης με τον έλεγχο που εφαρμόστηκε, καθώς και το συνολικό αυτόνομο σύστημα. Επιπλέον, διαστασιολογείται και κατασκευάζεται ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ανύψωσης τάσης για να διαπιστωθούν στην πράξη τα αποτελέσματα της θεωρητικής μελέτης και προσομοίωσης που προηγήθηκε. Αναλυτικά, στο Κεφάλαιο 1 γίνεται αναφορά στο ενεργειακό πρόβλημα και αναλύονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της χρήσης φωτοβολταϊκών πλαισίων. Επίσης, παρουσιάζονται τα είδη των φωτοβολταϊκών κυττάρων, καθώς και οι τύποι των φωτοβολταϊκών συστημάτων ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας τους. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται θεωρητική ανάλυση της κάθε βαθμίδας του συνολικού συστήματος. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην ανάλυση της λειτουργίας του μετατροπέα ανύψωσης τάσης, καθώς και στον τρόπο λειτουργίας της μεθόδου Ανίχνευσης Σημείου Μέγιστης Ισχύος και συγκεκριμένα του αλγορίθμου Διαταραχής και Παρατήρησης (P&O). Στο Κεφάλαιο 3 προσομοιώνονται στο περιβάλλον Matlab/Simulink οι διάφορες μονάδες του συστήματος ξεχωριστά και έπειτα ενώνονται όλες μαζί, για το σχηματισμό του συνολικού συστήματος, προκειμένου να μελετηθεί η συμπεριφορά του. Στη συνέχεια, εφαρμόζεται ο - I -

12 Πρόλογος συνδυαστικός έλεγχος MPPT-Intermittent Charging και επιβεβαιώνεται η ορθή λειτουργία του. Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται επίσης και η διαστασιολόγηση του μετατροπέα. Στο Κεφάλαιο 4 αναλύεται ο σχεδιασμός και η κατασκευή της πλακέτας, που έγινε στο εργαστήριο. Συγκεκριμένα, διαχωρίζονται και αναλύονται τα επιμέρους τμήματα που την αποτελούν, το κύκλωμα ισχύος, το κύκλωμα παλμοδότησης και ελέγχου, καθώς και η λειτουργία των ολοκληρωμένων στοιχείων. Στο Κεφάλαιο 5 περιγράφεται η λειτουργία του μικροελεγκτή dspic30f4011, καθώς και κάποιων περιφερειακών που ενσωματώνει και είναι ιδιαίτερα χρήσιμα για την παλμοδότηση και τον έλεγχο του μετατροπέα. Επιπρόσθετα, αναλύονται τα χαρακτηριστικά και ο τρόπος λειτουργίας μιας Οθόνης Υγρών Κρυστάλλων (LCD), που χρησιμοποιείται για την ενημέρωση του χρήστη για τα σημαντικότερα μεγέθη της διάταξης σε πραγματικό χρόνο. Στο Κεφάλαιο 6 παρατίθενται τα αποτελέσματα από τις πειραματικές δοκιμές που διενεργήθηκαν και συγκρίνονται με τα αντίστοιχα θεωρητικά. Επιβεβαιώνεται η ορθή λειτουργία της διάταξης ισχύος και ελέγχου και καταγράφονται τα συμπεράσματα που εξήχθησαν. Τέλος, καταγράφεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε και στα παραρτήματα ενσωματώνονται τα φυλλάδια των κατασκευαστών των στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν, τα τυπωμένα κυκλώματα της πλακέτας που κατασκευάστηκε (PCB), καθώς και ο κώδικας που αναπτύχθηκε σε γλώσσα C, για τον προγραμματισμό του μικροελεγκτή και της οθόνης LCD. Στο σημείο αυτό, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον καθηγητή μου και επιβλέποντα της διπλωματικής μου εργασίας, κ. Εμμανουήλ Τατάκη, για την πολύτιμη και απλόχερη βοήθεια που μου προσέφερε κατά τη διάρκεια της εκπόνησής της. Η καθοδήγησή του και οι παρεμβάσεις του σε καίριες στιγμές όλο αυτό το διάστημα, υπήρξαν καθοριστικές για την επιτυχή ολοκλήρωση της διπλωματικής μου εργασίας και για το μεγάλο ενδιαφέρον που μου καλλιέργησε σχετικά με το αντικείμενο των ηλεκτρονικών ισχύος. Ιδιαίτερες ευχαριστίες αρμόζουν στην υποψήφια διδάκτορα Χαρούλα Ζωγόγιαννη για τη συνεχή βοήθεια, την προθυμία και την αμέριστη υποστήριξη που επέδειξε για την επίλυση οποιουδήποτε προβλήματος παρουσιάστηκε. Το κλίμα συνεργασίας που αναπτύχθηκε ήταν σημαντικός παράγοντας για την επιτυχή και εύρυθμη περάτωση της διπλωματικής εργασίας, το θέμα της οποίας αποτέλεσε αρχικά δική της ιδέα. - II -

13 Πρόλογος Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους τους συμφοιτητές μου στον χώρο του εργαστηρίου, για την βοήθεια και τις συμβουλές που μου παρείχαν ειδικά στο στάδιο της κατασκευής και των πειραμάτων. Τέλος, ένα μεγάλο ευχαριστώ στην οικογένειά μου και στους φίλους μου για την υπομονή, την κατανόηση και τη στήριξη, που επέδειξαν καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μου. - III -

14 - IV - Πρόλογος

15 Πίνακας Περιεχομένων ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 1.1 Το Ενεργειακό Πρόβλημα Ανανεώσιμες Πηγές/Ήπιες Μορφές Ενέργειας Η Ηλιακή Ενέργεια και οι Μετατροπές της Μετατροπή ηλιακής ενέργειας σε θερμική Απευθείας εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας Μετατροπή ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική Φωτοβολταϊκά Στοιχεία και Συστήματα Το φωτοβολταϊκό κύτταρο και η λειτουργία του Είδη ηλιακών κυττάρων και η κατασκευή τους Ομαδοποίηση ηλιακών κυττάρων Φωτοβολταϊκά συστήματα Εφαρμογή Φ/Β στον Κοινόχρηστο Φωτισμό 5-όροφης Πολυκατοικίας Μελέτη ενεργειακής κατανάλωσης φωτισμού κοινόχρηστων χώρων πενταόροφης πολυκατοικίας Προτεινόμενο σύστημα αυτονομίας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΟΥ ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 2.1 Ανάλυση της Φωτοβολταϊκής Συστοιχίας Ισοδύναμο κύκλωμα και χαρακτηριστικές καμπύλες I-V και P-V Βαθμός απόδοσης ηλιακού κυττάρου Τεχνικά χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκών πλαισίων... 28

16 2.2 Ηλεκτρονικός Μετατροπέας Ανύψωσης Τάσης (Boost converter) Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα Μετατροπείς ΣΤ-ΣΤ (τροφοδοτικά συνεχούς τάσης) Ο Μετατροπέας Boost Περιοχές/Καταστάσεις λειτουργίας μετατροπέα Λειτουργία στην περιοχή συνεχούς αγωγής-ccm Λειτουργία στην περιοχή ασυνεχούς αγωγής-dcm Λειτουργία στην οριακή περιοχή (BCM) Χαρακτηριστικές εξόδου Boost Μέθοδος Εντοπισμού Σημείου Μέγιστης Ισχύος (MPPT) Ανάγκη MPPT και αλγόριθμοι υλοποίησής του Λειτουργία ηλεκτρονικών διατάξεων ανίχνευσης MPP στα Φ/Β συστήματα Μέθοδος διαταραχής και παρατήρησης (Perturb & Observe -P&O) Συσκευές Αποθήκευσης Ενέργειας-Συσσωρευτές Μονάδες αποθήκευσης ενέργειας και κατηγορίες συσσωρευτών Χαρακτηριστικά μεγέθη συσσωρευτών Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα συσσωρευτών σε Φ/Β συστήματα Τρόποι/Αλγόριθμοι φόρτισης συσσωρευτών στα Φ/Β συστήματα Επιλογή Συσσωρευτών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΤΑΣΗΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΣΥΝΟΛΙΚΟΥ ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 3.1 Προσομοίωση των Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Προσομοίωση του Ανυψωτή Τάσης (Φορτίο Αντίσταση/Μπαταρία) Προσομοίωση Συνολικού Συστήματος (Φ/Β-Μετατροπέας-Φορτίο) Φωτοβολταϊκό σύστημα-μετατροπέας ανύψωσης τάσης-αντίσταση

17 3.3.2 Φωτοβολταϊκό σύστημα-μετατροπέας ανύψωσης τάσης-μπαταρία Προσομοίωση Συνολικού Συστήματος με Έλεγχο MPPT/Intermittent Charging. 66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΤΑΣΗΣ 4.1 Κύκλωμα Ισχύος του Μετατροπέα Ανύψωσης Τάσης-Boost Επιλογή του ελεγχόμενου ημιαγωγικού στοιχείου ισχύος Επιλογή διόδου ελεύθερης διέλευσης Υπολογισμός και επιλογή απαγωγού θερμότητας (ψυκτικού) Υπολογισμός και κατασκευή του πηνίου Επιλογή πυκνωτών εισόδου Επιλογή πυκνωτών εξόδου Κυκλώματα Μέτρησης Κύκλωμα μέτρησης τάσης Κύκλωμα μέτρησης ρεύματος Ολοκληρωμένο LM Κύκλωμα Ελέγχου/Παλμοδότησης του Boost Ο μικροελεγκτής dspic30f Ο Ενισχυτής/Αντιστροφέας 74HC Ο Driver MC Ποτενσιόμετρα Ελέγχου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΛΕΙΤΟΥΡΓΊΑ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ ΚΑΙ ΟΘΟΝΗΣ LCD 5.1 Γενικά για τα Μικροϋπολογιστικά Συστήματα Θύρες Εισόδου/Εξόδου Περιφερειακή Μονάδα Μετατροπής Αναλογικού Σήματος σε Ψηφιακό (A/D Converter)

18 5.4 Περιφερειακή Μονάδα Παραγωγής Παλμών (Motor Control PWM) Προγραμματιστικό Περιβάλλον MPLAB X IDE και Επικοινωνία με τον Μικροελεγκτή Το προγραμματιστικό περιβάλλον Επικοινωνία υπολογιστή με μικροελεγκτή Περιγραφή Λειτουργίας Οθόνης Υγρών Κρυστάλλων (LCD) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 6.1 Προσαρμογή Φορτίου-Απομάστευση Μέγιστης Ισχύος Δοκιμή Λειτουργίας Μετατροπέα Ανύψωσης Τάσης Εφαρμογή Ελέγχου MPPT Συμπεράσματα και Προοπτικές ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΣΧΗΜΑΤΙΚΑ ΚΑΙ ΤΥΠΩΜΕΝΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ (PCB) ΠΛΑΚΕΤΑΣ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΚΩΔΙΚΕΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ ΦΥΛΛΑΔΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΩΝ

19 - 5 -

20 - 6 -

21 Κεφάλαιο 1 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 1.1 Το Ενεργειακό Πρόβλημα Μέχρι το 19 ο αιώνα ο άνθρωπος κάλυπτε τις ενεργειακές ανάγκες του με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως η ηλιακή, η αιολική (ανεμόμυλοι) ή η υδραυλική (νερόμυλοι). Με τη βιομηχανική επανάσταση όμως, τα ορυκτά καύσιμα-φυσικοί πόροι της Γης (πετρέλαιο, γαιάνθρακες, φυσικό αέριο) έγιναν οι κύριες μορφές ενέργειας για την ανθρώπινη κοινωνία και την οικονομία. Σύμφωνα με τον Παγκόσμιο Οργανισμό Ενέργειας [1], το πετρέλαιο κατέχει την πρώτη θέση στον κόσμο ως πρωταρχική πηγή ενέργειας με ποσοστό 31%. Ακολουθεί ο άνθρακας με 29% και το φυσικό αέριο με 21%. Στο Σχήμα σχήμα 1.1 παρουσιάζεται η κατανάλωση πετρελαίου παγκοσμίως το Σχήμα 1.1: Παγκόσμια κατανάλωση πετρελαίου [1] Η σχέση μεταξύ ακαθάριστου εθνικού προϊόντος (ΑΕΠ) και της κατανάλωσης ενέργειας είναι ευθέως ανάλογη. Αυτοί είναι δύο από τους δείκτες ανάπτυξης μίας χώρας. Το περιβαλλο

22 Κεφάλαιο 1 ο ντικό κόστος όμως μιας τέτοιας ανάπτυξης, είναι ιδιαίτερα βαρύ. Πρέπει να παρατηρήσουμε, ότι αυτό το κόστος δεν αντιμετωπίστηκε ποτέ σοβαρά. Με την ανεξέλεγκτη χρήση των φυσικών πόρων της Γης, καθώς και με την εμφάνιση της ενεργειακής κρίσης το 1973, άρχισε η συνειδητοποίηση του αποκαλούμενου «ενεργειακού ζητήματος», ένα πρόβλημα πολύ σημαντικό για το μέλλον της ανθρώπινης διαβίωσης και του ίδιου του πλανήτη [2]. Το ενεργειακό πρόβλημα προσδιορίζεται κυρίως από τις εξής συνιστώσες [3]: Την αύξηση του πληθυσμού της γης σε συνδυασμό με την τεχνολογική ανάπτυξη Την ανοδική τάση των τιμών της ενέργειας, η οποία δημιουργεί αύξηση του κόστους στο σύνολο των προϊόντων και των υπηρεσιών Την αβεβαιότητα επάρκειας και σταθερότητας της ενεργειακής τροφοδοσίας Την εξάντληση των ενεργειακών πόρων, έστω και αν αυτή τοποθετείται σε μακρινούς χρονικούς ορίζοντες Τη ρύπανση της ατμόσφαιρας και των υδάτινων αποδεκτών, με αποτέλεσμα την τεράστια συμβολή του στο φαινόμενο του θερμοκηπίου Το κύκλωμα διαχείρισης της ενεργειακής ροής που χαρακτηρίζεται από μεγάλες απώλειες Όλα τα παραπάνω περιγράφουν το ενεργειακό πρόβλημα, το οποίο οφείλεται στην αποκλειστική εξάρτηση του ενεργειακού συστήματος από τα ορυκτά καύσιμα, που όπως είδαμε και πιο πάνω, ανέρχεται σε ποσοστό 81%. Είναι φανερό ότι για την επίλυση του ενεργειακού προβλήματος επιβάλλεται να ελαχιστοποιηθεί η χρήση των ορυκτών καυσίμων. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με την υποκατάσταση των προηγούμενων συμβατικών ενεργειακών πηγών με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ). 1.2 Ανανεώσιμες Πηγές/Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ως ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ή ήπιες μορφές ενέργειας θεωρούνται γενικά οι εναλλακτικές των συμβατικών πηγών ενέργειας, όπως είναι η ηλιακή, η αιολική, η γεωθερμική, η υδροηλεκτρική, η βιομάζα και η ενέργεια από τις παλίρροιες. Οι ΑΠΕ ανανεώνονται μέσω του κύκλου της φύσης και θεωρούνται πρακτικά ανεξάντλητες. Υπάρχουν σε αφθονία στο φυσικό μας περιβάλλον και είναι οι πρώτες μορφές ενέργειας που χρησιμοποίησε ο άνθρωπος

23 Κεφάλαιο 1 ο Το ενδιαφέρον για την ευρύτερη αξιοποίηση των ΑΠΕ, καθώς και για την ανάπτυξη αξιόπιστων και οικονομικά αποδοτικών τεχνολογιών που δεσμεύουν το δυναμικό τους παρουσιάσθηκε αρχικά, μετά την πετρελαϊκή κρίση τη δεκαετία του 80. Για πολλές χώρες, οι ΑΠΕ αποτελούν μία σημαντική εγχώρια πηγή ενέργειας, με μεγάλες δυνατότητες ανάπτυξης σε τοπικό και εθνικό επίπεδο [4]. Χρησιμοποιούνται είτε άμεσα είτε μετατρεπόμενες σε άλλες μορφές ενέργειας (κυρίως ηλεκτρισμό ή μηχανική ενέργεια). Υπολογίζεται ότι το τεχνικά εκμεταλλεύσιμο ενεργειακό δυναμικό από τις ήπιες μορφές ενέργειας είναι πολλαπλάσιο της παγκόσμιας συνολικής κατανάλωσης ενέργειας. Η υψηλή όμως μέχρι πρόσφατα τιμή των νέων ενεργειακών εφαρμογών, τα τεχνικά προβλήματα εφαρμογής καθώς και πολιτικές και οικονομικές σκοπιμότητες που έχουν να κάνουν με τη διατήρηση της υπάρχουσας κατάστασης στον ενεργειακό τομέα, εμπόδισαν την εκμετάλλευση έστω και μέρους αυτού του δυναμικού. Τα κύρια πλεονεκτήματα των ΑΠΕ [4], είναι: Είναι πρακτικά ανεξάντλητες πηγές ενέργειας και συμβάλλουν στη μείωση της εξάρτησης από συμβατικούς ενεργειακούς πόρους Απαντούν στο ενεργειακό πρόβλημα για τη σταθεροποίηση ή και μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα και των υπόλοιπων αερίων του θερμοκηπίου Είναι εγχώριες πηγές ενέργειας και συνεισφέρουν στην ενίσχυση της ενεργειακής ανεξαρτησίας και της ασφάλειας του ενεργειακού εφοδιασμού σε εθνικό επίπεδο της εκάστοτε χώρας Είναι διάσπαρτες γεωγραφικά και οδηγούν στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος, δίνοντας τη δυνατότητα κάλυψης των ενεργειακών αναγκών σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο, ανακουφίζοντας έτσι τα συστήματα υποδομής και μειώνοντας τις απώλειες από τη μεταφορά ενέργειας. Προσφέρουν τη δυνατότητα ορθολογικής αξιοποίησης των ενεργειακών πόρων, καλύπτοντας ένα ευρύ φάσμα των ενεργειακών αναγκών των χρηστών Έχουν συνήθως χαμηλό λειτουργικό κόστος που δεν επηρεάζεται από τις διακυμάνσεις της διεθνούς οικονομίας και ειδικότερα των τιμών των συμβατικών καυσίμων. Στο χάρτη που ακολουθεί (Σχήμα 1.2) παρουσιάζεται η συνεισφορά των ΑΠΕ στην παγκόσμια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Με έντονο χρώμα φαίνονται οι χώρες που είναι - 9 -

24 Κεφάλαιο 1 ο πιο ανεξάρτητες από τα συμβατικά καύσιμα στην ηλεκτροπαραγωγή τους. Σχήμα 1.2: Μερίδιο ΑΠΕ στην ηλεκτροπαραγωγή παγκοσμίως [1] Στη χώρα μας, η συμβολή των ήπιων μορφών ενέργειας στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και οι μεταβολές της τα τελευταία 45 περίπου χρόνια φαίνονται στο σχήμα 1.3. Σχήμα 1.3: Μερίδιο ΑΠΕ στην ηλεκτροπαραγωγή στην Ελλάδα [1]

25 Κεφάλαιο 1 ο 1.3 Η Ηλιακή Ενέργεια και οι Μετατροπές της Ηλιακή ενέργεια χαρακτηρίζεται το σύνολο των διαφόρων μορφών ενέργειας που προέρχονται από τον Ήλιο. Τέτοιες είναι η φωτεινή ενέργεια, η θερμότητα καθώς και διάφορες ακτινοβολίες. Η ηλιακή ενέργεια στο σύνολό της είναι πρακτικά ανεξάντλητη, αφού προέρχεται από τον ήλιο και ως εκ τούτου, δεν υπάρχουν περιορισμοί για την εκμετάλλευσή της. Έχει μηδενικό κόστος παραγωγής και δεν έχει καμία επίπτωση στο φυσικό περιβάλλον. Ωστόσο, το μειονέκτημά της είναι, ότι έχει μικρή ένταση ανά μονάδα επιφάνειας, είναι διαθέσιμη μόνο ένα μέρος της ημέρας και εξαρτάται από τις καιρικές συνθήκες. Η μέση προσπίπτουσα ηλιακή ενέργεια στην επιφάνεια της γης είναι περίπου 600 W/m 2 αλλά η πραγματική της τιμή εξαρτάται πολύ από τη γεωγραφική θέση της περιοχής. Στο σχήμα 1.4 βλέπουμε την ετήσια ηλιακή ακτινοβολία που δέχεται η Ελλάδα [5]. Σχήμα 1.4: Ετήσια ηλιακή ακτινοβολία στην Ελλάδα [5]

26 Κεφάλαιο 1 ο Η εκμετάλλευσή της γίνεται με τους παρακάτω 3 τρόπους: Ενεργητικά ηλιακά συστήματα Βιοκλιματικός σχεδιασμός και παθητικά ηλιακά συστήματα Φωτοβολταϊκά ηλιακά συστήματα Μετατροπή ηλιακής ενέργειας σε θερμική Η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε θερμική επιτυγχάνεται με τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα. Αυτά τα συστήματα συλλέγουν την ηλιακή ακτινοβολία, και στη συνέχεια τη μεταφέρουν με τη μορφή θερμότητας σε νερό, σε αέρα ή σε κάποιο άλλο ρευστό. Σε επίπεδο καταναλωτών, η πλέον διαδεδομένη εφαρμογή των συστημάτων αυτών είναι η παραγωγή ζεστού νερού χρήσης, οι γνωστοί σε όλους ηλιακοί θερμοσίφωνες. Σε επίπεδο ηλεκτρικών σταθμών, η ηλιακή ακτινοβολία κατευθύνεται με ειδικά κάτοπτρα μεγάλης επιφάνειας σε ένα συγκεκριμένο σημείο με μικρότερη επιφάνεια, τον απορροφητή. Εκεί θερμαίνεται μια ποσότητα νερού ή υγρού νατρίου μέσα σε ένα λέβητα και έτσι η θερμότητα χρησιμοποιείται για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας [6] Απευθείας εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας Η απευθείας εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας μπορεί να επιτευχθεί με το βιοκλιματικό σχεδιασμό των κτιρίων και τα παθητικά ηλιακά συστήματα. H βιοκλιματική αρχιτεκτονική αφορά στο σχεδιασμό κτιρίων και χώρων (εσωτερικών και εξωτερικών) με βάση το τοπικό κλίμα, με σκοπό την εξασφάλιση συνθηκών θερμικής και οπτικής άνεσης, αξιοποιώντας την ηλιακή ενέργεια και άλλες περιβαλλοντικές πηγές αλλά και τα φυσικά φαινόμενα του κλίματος. Βασικά στοιχεία του βιοκλιματικού σχεδιασμού αποτελούν τα παθητικά ηλιακά συστήματα που ενσωματώνονται στα κτίρια, με στόχο την αξιοποίηση των περιβαλλοντικών πηγών (π.χ. ήλιο, άνεμο, βλάστηση, νερό, έδαφος, ουρανό) για θέρμανση, ψύξη και φωτισμό των κτιρίων. Πρόκειται για αναπόσπαστα κομμάτια-δομικά στοιχεία ενός κτιρίου, που λειτουργούν χωρίς μηχανολογικά εξαρτήματα ή πρόσθετη παροχή ενέργειας και με φυσικό τρόπο θερμαίνουν, αλλά και δροσίζουν τα κτίρια [4]

27 Κεφάλαιο 1 ο Μετατροπή ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική Η απευθείας μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική επιτυγχάνεται με τη βοήθεια των ηλιακών κυττάρων, των οποίων την αρχή λειτουργίας αποτελεί το φωτοβολταϊκό φαινόμενο, που θα αναλυθεί στην επόμενη παράγραφο. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με τη βοήθεια των ηλιακών κυττάρων και κατ επέκταση των φωτοβολταϊκών συστημάτων συνοδεύεται από μία σειρά πλεονεκτήματα τα οποία είναι: Λειτουργούν αθόρυβα, καθαρά, χωρίς κατάλοιπα, αποφεύγοντας τη μόλυνση του περιβάλλοντος Λειτουργούν χωρίς κινητά μέρη, με ελάχιστη συντήρηση Λειτουργούν χωρίς καύσιμα Λειτουργούν και με νεφελώδη ουρανό, δηλαδή με διάχυτη ακτινοβολία Δε χρησιμοποιούν αέρια ή υγρά σε αντίθεση με τα θερμικά συστήματα Κατασκευάζονται από πυρίτιο στη μεγάλη τους πλειοψηφία, ένα από τα πλέον εν αφθονία στοιχεία στη φύση Είναι πλέον αποδοτικά στις χαμηλές θερμοκρασίες Έχουν γρήγορη απόκριση σε ξαφνικές μεταβολές της ηλιοφάνειας Αν ένα κομμάτι πάθει βλάβη, το σύστημα συνεχίζει τη λειτουργία του μέχρι την αντικατάστασή του Έχουν μεγάλες δυνατότητες σε μια ευρεία περιοχή ισχύος (από mw μέχρι MW) Έχουν μεγάλο λόγο ισχύος/βάρους, επομένως είναι κατάλληλα για εγκατάσταση στις στέγες Είναι κατάλληλα για επιτόπιες εφαρμογές, όπου ή δεν υπάρχει ή δε συμφέρει η επέκταση του ηλεκτρικού δικτύου (αυτόνομα συστήματα) Είναι δυνατόν να συναρμολογηθούν τυποποιημένα στοιχεία μαζικής παραγωγής σε σύστημα οποιουδήποτε μεγέθους (και βαθμό απόδοσης πρακτικά ανεξάρτητο του μεγέθους), για να καλύψουν μικρές, μέσες και μεγάλες ενεργειακές ανάγκες. Το ποσοστό απόδοσης αυτής της μετατροπής που έχει επιτευχθεί έως σήμερα αγγίζει το 21%. Με την εξέλιξη της τεχνολογίας όμως και τη χρήση νέων υλικών αναμένεται πως αυτό το ποσοστό θα αυξηθεί ακόμα περισσότερο [7]

28 Κεφάλαιο 1 ο 1.4 Φωτοβολταϊκά Στοιχεία και Συστήματα Το φωτοβολταϊκό κύτταρο και η λειτουργία του Κάθε ηλιακό κύτταρο περιέχει ένα φράγμα δυναμικού, που διαχωρίζει τα παραγόμενα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών, στέλνοντας περισσότερα ηλεκτρόνια στη μία πλευρά του κυττάρου και περισσότερες οπές στην άλλη, έτσι ώστε να υπάρχει μικρή πιθανότητα επανασύνδεσης μεταξύ τους. Ο χωρισμός αυτός των φορτίων δημιουργεί μια διαφορά δυναμικού στα δύο άκρα του κυττάρου, που είναι δυνατό να δώσει ρεύμα σε ένα εξωτερικό κύκλωμα. Η διαδικασία αυτή διαχωρισμού των φορτίων που παράγονται σε ένα φωτιζόμενο ηλιακό κύτταρο, δημιουργεί πλεόνασμα αρνητικών φορτίων στο υλικό τύπου n και θετικών φορτίων στο υλικό τύπου p. Έτσι αν συνδέσουμε τις δύο πλευρές, μέσω ενός εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος, θα έχουμε ροή ρεύματος μέσω του κυκλώματος. με Η βασική εξίσωση του ηλιακού κυττάρου, που φωτίζεται (G 0), είναι: I = I o (e q V K T 1) I L (1.1) I L = q A G (L e + W + L h ) (1.2) όπου I L : φωτόρευμα W: εύρος της επαφής G: ρυθμός παραγωγής του ηλιακού φωτός Από το σχήμα 1.5 αντιλαμβανόμαστε, ότι η χαρακτηριστική καμπύλη στην περίπτωση που το Σχήμα 1.5: Χαρακτηριστική καμπύλη ηλιακού κυττάρου [8]

29 Κεφάλαιο 1 ο κύτταρο φωτίζεται (G 0), είναι η χαρακτηριστική όταν το κύτταρο δεν φωτίζεται (G = 0) μετατοπισμένη προς τα κάτω κατά I L Είδη ηλιακών κυττάρων και η κατασκευή τους Τα ηλιακά κύτταρα ανάλογα με τον τρόπο κατασκευής τους χωρίζονται σε τρεις βασικές κατηγορίες [9][10]: Μονοκρυσταλλικού Πυριτίου: χαρακτηρίζονται από το πλεονέκτημα της καλύτερης σχέσης επιφάνειας-απόδοσης. Κατασκευάζονται από κυψέλες που έχουν κοπεί από ένα μόνο μεγάλο κυλινδρικό κρύσταλλο πυριτίου. Η κατασκευή τους είναι πολύπλοκη για αυτό και το κόστος παραγωγής είναι μεγάλο. Η απόδοσή τους κυμαίνεται από 15%-19%. Πολυκρυσταλλικού Πυριτίου: χαρακτηρίζονται από την καλύτερη σχέση κόστουςαπόδοσης. Κατασκευάζονται από κυψέλες που έχουν κοπεί σε λεπτά τμήματα, από ράβδους λιωμένου και επανακρυσταλλοποιημένου πυριτίου. Η κατασκευή τους είναι φθηνότερη για αυτό και η τιμή τους είναι χαμηλότερη από αυτή των μονοκρυσταλλικών. Η απόδοσή τους κυμαίνεται από 11%-16%. Άμορφου Πυριτίου: χαρακτηρίζονται από αισθητά χαμηλότερες αποδόσεις σε σχέση με τις δύο προηγούμενες κατηγορίες, οι οποίες κυμαίνονται από 6%-8%. Κατασκευάζονται από ταινίες λεπτών επιστρώσεων, οι οποίες παράγονται με την εναπόθεση ημιαγωγού υλικού πάνω σε υπόστρωμα υποστήριξης, χαμηλού κόστους όπως γυαλί ή αλουμίνιο. Έτσι και λόγω της μικρότερης ποσότητας πυριτίου που χρησιμοποιείται, η τιμή τους είναι γενικότερα αρκετά χαμηλότερη. Αξιοποιούν καλύτερα τη διάχυτη ακτινοβολία ενώ δεν επηρεάζονται τόσο από τις υψηλές θερμοκρασίες. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια συνήθως αποτελούνται από: Ένα ηλιακό γυαλί με προ-τοποθετημένη την ειδικά επεξεργασμένη μεμβράνη προστασίας (EVA). Πρόκειται ουσιαστικά για ένα σκληρυσμένο, προεντεταμένο ηλιακό γυαλί. Ηλιακές φωτοβολταϊκές κυψέλες ενωμένες σε στοιχειοσειρές

30 Κεφάλαιο 1 ο Μία υαλώδη μεμβράνη ειδικής επεξεργασίας (EVA) καθώς και μια μονωτική μεμβράνη στην πίσω πλευρά. Και τα τρία παραπάνω στρώματα, που φαίνονται και στο σχήμα 1.6, δημιουργούν ένα ανθεκτικό ελασματοποιημένο φύλλο, πολύ ανθεκτικό στις καιρικές συνθήκες, το οποίο τοποθετείται σε ένα σταθεροποιητικό πλαίσιο αλουμινίου και μια υποδοχή σύνδεσης. Σχήμα 1.6: Στρώματα κατασκευής φωτοβολταϊκών πλαισίων [11] Τα τελευταία χρόνια με την εξέλιξη της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας αλλά και τη ραγδαία αύξηση ζήτησης της ενέργειας, έχουν δημιουργηθεί εξελιγμένα φωτοβολταϊκά προϊόντα για διάφορες εφαρμογές εξειδικευμένες ή μη. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, μελετήθηκε ένα νέο προϊόν, το οποίο δεν είναι ακόμα ευρέως γνωστό αν και βρίσκεται ήδη στο στάδιο της μαζικής παραγωγής. Πρόκειται για το φωτοβολταϊκό τζάμι (PV Glass). Η μεγαλύτερη καινοτομία είναι, πως σε αντίθεση με τα κοινά φωτοβολταϊκά που βρίσκονται σε εμπορική χρήση, αυτό είναι διαφανές και αφήνει το φως να το διαπεράσει. Σε αυτήν του τη συμπεριφορά, οφείλεται και ο χαρακτηρισμός του ως τζάμι. Παράγεται τόσο από κρυσταλλικό πυρίτιο, όσο και από άμορφο πυρίτιο. Ο βαθμός απόδοσής του φτάνει έως 16% στα κρυσταλλικά, ενώ σε αυτό του άμορφου πυριτίου είναι προφανώς μικρότερος. Το φωτοβολταϊκό τζάμι παράγεται σε μια μεγάλη ποικιλία χρωμάτων (Σχήμα 1.7) και σε διαφορετικούς βαθμούς διαφάνειας (Σχήμα 1.8). Σχήμα 1.7: Χρώματα φωτοβολταϊκού τζαμιού (PV Glass) της εταιρίας OnyxSolar [12]

31 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.8: Βαθμοί διαφάνειας του φωτοβολταϊκού τζαμιού (PV Glass) [12] Το συγκεκριμένο προϊόν ανήκει στην κατηγορία των υλικών BIPV (Building-integrated photovoltaics). Τα BIPV υλικά είναι ουσιαστικά φωτοβολταϊκά υλικά, τα οποία χρησιμοποιούνται αντί των συμβατικών κατασκευαστικών υλικών στην κατασκευή του εξωτερικού περιβλήματος (και όχι μόνο) των κτιρίων, όπως είναι η οροφή, οι φεγγίτες, η πρόσοψη, τα μπαλκόνια κτλ. Ιδιαίτερη εφαρμογή έχουν στην κατασκευή ουρανοξυστών και γενικότερα μεγάλων κτιριακών εγκαταστάσεων [12]. Από την έναρξη της παρούσας διπλωματικής εργασίας, έγινε προσπάθεια να αποκτηθεί και να μελετηθεί το παραπάνω προϊόν. Η αναζήτηση, που έγινε τόσο στην Ελλάδα, όσο και στο εξωτερικό, μας οδήγησε στο μεγαλύτερο κατασκευαστή υλικών BIPV, την εταιρία Onyx Solar, με την οποία υπήρξε επικοινωνία για μεγάλο χρονικό διάστημα, προκειμένου να ενημερωθούμε για το συγκεκριμένο προϊόν (λειτουργία, εγκατάσταση) και τον τρόπο απόκτησής του από το Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας. Τελικά αυτό δεν κατέστη δυνατό, οπότε και αποφασίσθηκε να μελετηθούν και να γίνει χρήση των φωτοβολταϊκών στοιχείων που είναι ήδη εγκατεστημένα στην ταράτσα του κτηρίου των Βαρέων Εργαστηρίων του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Ομαδοποίηση ηλιακών κυττάρων Η ισχύς στην έξοδο ενός ηλιακού κυττάρου είναι αρκετά μικρή (περίπου 0,5W), ακόμα και υπό τις καλύτερες συνθήκες. Κατά συνέπεια, για να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις κάποιας εφαρμογής σε ενέργεια, που συνήθως είναι πολύ μεγαλύτερες, απαιτείται ένας μεγάλος αριθ

32 Κεφάλαιο 1 ο μός ηλιακών κυττάρων, τα οποία συνδεδεμένα κατάλληλα σε σειρά ή/και παράλληλα θα δώσουν την απαιτούμενη ισχύ. Υπάρχουν διάφορα κατασκευαστικά στάδια ομαδοποίησης ηλιακών κυττάρων. Τη μικρότερη δομική μονάδα ομαδοποιημένων ηλιακών κυττάρων αποτελεί το πλαίσιο (Module), που είναι ένα σύνολο κυττάρων ηλεκτρικών συνδέσεων κατάλληλα συσκευασμένων ώστε να προστατεύονται από το περιβάλλον, που δίνει κάποια DC ισχύ, όταν προσπίπτει ηλιακό φως. Ακολουθεί το Panel, που είναι ένα σύνολο από δύο ή περισσότερα πλαίσια συνδεδεμένα μεταξύ τους τόσο από μηχανική όσο και από ηλεκτρική άποψη, που δίνουν μία μονάδα έτοιμη για εγκατάσταση. Τέλος, η συστοιχία (Array) είναι ένα μηχανικά ολοκληρωμένο σύνολο από Panels μαζί με τη κατασκευή στήριξης και ό,τι άλλο είναι απαραίτητο για να αποτελέσει μια ανεξάρτητη μονάδα φωτοβολταϊκής παραγωγής ισχύος. Στο σχήμα 1.9 παρουσιάζεται η εν λόγω ομαδοποίηση και η πορεία από το ηλιακό κύτταρο στη φωτοβολταϊκή συστοιχία. Σχήμα 1.9: Ομαδοποίηση φωτοβολταϊκών κυττάρων [13] Φωτοβολταϊκά συστήματα Τα Φ/Β συστήματα διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες [14]: Διασυνδεδεμένα Φ/Β συστήματα (σχήμα 1.10): Τα διασυνδεδεμένα Φ/Β συστήματα συνδέονται απευθείας με το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας και έχουν στόχο την εμπορική εκμετάλλευση (πώληση) της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Στην περίπτωση αυτή, ο χρήστης πουλάει το ηλιακό ρεύμα στο δίκτυο έναντι μίας, ορισμένης από το νόμο, τιμής και συνεχίζει να αγοράζει ρεύμα από τον πάροχο, όπως και σήμερα για να καλύψει τυχόν ανάγκες του. Έχει δηλαδή ένα διπλό μετρητή για

33 Κεφάλαιο 1 ο την καταμέτρηση της εισερχόμενης και εξερχόμενης ενέργειας. Στους Φ/Β σταθμούς όλη η παραγόμενη ισχύς τροφοδοτείται απευθείας στο δίκτυο. Σχήμα 1.10: Παράδειγμα διασυνδεδεμένου Φ/Β συστήματος [14] Αυτόνομα Φ/Β συστήματα (Σχήμα 1.11): Τα αυτόνομα Φ/Β συστήματα καλύπτουν ανάγκες σε ηλεκτρική ενέργεια σε μόνιμες και εξοχικές κατοικίες και γενικά σε κάθε είδους εγκαταστάσεις, που είτε δεν έχουν συνδεθεί με το δίκτυο, ή που επιθυμούν να καλύψουν μέρος των ενεργειακών τους αναγκών με τη χρήση Φ/Β συστημάτων. Για τη συνεχή εξυπηρέτηση του καταναλωτή, η εγκατάσταση θα πρέπει να περιλαμβάνει και μία μονάδα αποθήκευσης (μπαταρίες) και διαχείρισης της ενέργειας. Σχήμα 1.11: Παράδειγμα αυτόνομου Φ/Β συστήματος [14]

34 Κεφάλαιο 1 ο 1.5 Εφαρμογή Φ/Β στον Κοινόχρηστο Φωτισμό 5-όροφης Πολυκατοικίας Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν εξ αρχής η μελέτη και κατασκευή Αυτόνομου Φ/Β Συστήματος, ικανό να ανταπεξέλθει στις απαιτήσεις φωτισμού των κοινόχρηστων χώρων μιας 5-όροφης πολυκατοικίας. Έτσι έγινε μελέτη κατανάλωσης ηλεκτρικής ισχύος σε αυτούς τους χώρους προκειμένου να γίνει διαστασιολόγηση του Φ/Β συστήματος Μελέτη ενεργειακής κατανάλωσης φωτισμού κοινόχρηστων χώρων πενταόροφης πολυκατοικίας Μελετήσαμε, λοιπόν, μια πενταόροφη πολυκατοικία με υπόγειο και ταράτσα. Για τον επαρκή φωτισμό όλων των κοινόχρηστων, αλλά και για την επίτευξη ελάχιστης κατανάλωσης ενέργειας επιλέχθηκαν λαμπτήρες LED των 7W. Αν και το αρχικό κόστος εγκατάστασης των λαμπτήρων είναι μεγαλύτερο από αυτό των πυρακτώσεως ή των εξοικονόμησης ενέργειας, η απόσβεση γίνεται πολύ γρήγορα, ενώ η διάρκεια ζωής τους και η αξιοπιστία τους ξεπερνάει κατά πολύ τους προηγούμενους. Έτσι, αν οι σκάλες φωτίζονται από τα φώτα των ορόφων και σε κάθε όροφο υπάρχουν δύο λαμπτήρες LED, ενώ στο χώρο που βγάζει στην ταράτσα υπάρχει ένας λαμπτήρας, τότε έχουμε σύνολο 15 λαμπτήρες. 5(όροφοι) 2(λαμπτήρες) + 2(υπόγειο) + 2(ισόγειο) + 1(ταράτσα) = 15 λαμπτήρες Ύστερα από παρατήρηση της κίνησης σε μια τέτοια πολυκατοικία καταλήξαμε στο συμπέρασμα, πως τα φώτα στους κοινόχρηστους χώρους ανάβουν περίπου κάθε 10 λεπτά με διάρκεια αγωγής 2 λεπτά κάθε φορά. Έτσι, στη μία ώρα τα φώτα είναι αναμμένα για 12 λεπτά. Επομένως, τα φώτα παραμένουν ανοιχτά = 288 λεπτά ή 4,8 ώρες κάθε ημέρα. Η κατανάλωση ενέργειας δίνεται σε Wh από τον τύπο (1.3): Κατανάλωση = 15(λαμπτήρες) 7Watt 4,8(ώρες) = 504Wh (1.3) Αυτές λοιπόν είναι οι ενεργειακές απαιτήσεις των κοινόχρηστων χώρων για φωτισμό. Το κόστος κάθε λαμπτήρα ανέρχεται από 9-15 ανάλογα την εταιρία κατασκευής οπότε το συνο

35 Κεφάλαιο 1 ο λικό κόστος ανέρχεται από Ωστόσο, όπως αναφέραμε και προηγουμένως επικεντρωνόμαστε στην μείωση της κατανάλωσης και όχι στο κόστος εγκατάστασης Προτεινόμενο σύστημα αυτονομίας Προκειμένου να τροφοδοτήσουμε λοιπόν το παραπάνω φορτίο θα πρέπει να υπολογίσουμε το μέγεθος των φωτοβολταϊκών στοιχείων που θα χρησιμοποιήσουμε. Το μέγεθος μιας φωτοβολταϊκής συστοιχίας περιγράφεται από τα Watts που παράγει, όταν προσπίπτει ηλιακή ακτινοβολία 1000 W m 2 και θερμοκρασία 25 και ονομαστικό βαθμό απόδοσης R [7]. P[Wp] = A[m 2 ] 1000[W m 2 ] n R Ισχύς Αιχμής (1.4) Πρακτικά, για να βρούμε το σωστό μέγεθος του απαιτούμενου φωτοβολταϊκού συστήματος, διαιρούμε αρχικά τις Wh του φορτίου με την τιμή 5, όσες συμβατικά είναι γι αυτό οι χρήσιμες ώρες ηλιοφάνειας (ουσιαστικά πρόκειται για συντελεστή και όχι για πραγματικές ώρες ηλιοφάνειας) [15]. Έτσι έχουμε περίπου: P[Wp] = που είναι η απαιτούμενη ισχύς του φωτοβολταϊκού. = 100,8 Wp Ισχύς Αιχμής Οπότε το αυτόνομο σύστημα θα περιλαμβάνει τη Φ/Β συστοιχία στην ταράτσα, τον μετατροπέα ανύψωσης τάσης, προκειμένου να ανυψώνει την τάση στην τάση φόρτισης των μπαταριών και τους συσσωρευτές (μπαταρίες) για την τροφοδοσία του φορτίου τη νύχτα ή σε περίοδο μεγάλης ζήτησης. Το προτεινόμενο σύστημα φαίνεται στο Σχήμα Σχήμα 1.12: Προτεινόμενη διάταξη

36 Κεφάλαιο 1 ο

37 Κεφάλαιο 2 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΟΥ ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Το βασικό αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί η μελέτη, η κατασκευή και ο έλεγχος ενός κλασσικού μετατροπέα ανύψωσης τάσης Boost. Στο παρόν κεφάλαιο θα αναλυθούν και τα τρία μέρη του συστήματός μας, όπως παρουσιάστηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο, αλλά μεγαλύτερη έμφαση θα δοθεί στο μετατροπέα ανύψωσης τάσης. 2.1 Ανάλυση της Φωτοβολταϊκής Συστοιχίας Ισοδύναμο κύκλωμα και χαρακτηριστικές καμπύλες I-V και P-V Στο πρώτο κεφάλαιο αναλύσαμε τον τρόπο λειτουργίας του ηλιακού κυττάρου και εξήχθη η βασική του εξίσωση και η χαρακτηριστική του καμπύλη I-V. Ωστόσο, η εξίσωση (1.7) που προέκυψε θεωρητικά δεν αντικατοπτρίζει, με ικανοποιητική ακρίβεια, την πραγματική I-V χαρακτηριστική καμπύλη ενός κυττάρου σε πρακτικούς σκοπούς. Πειραματικές μετρήσεις έχουν οδηγήσει στη βελτίωση της εξίσωσης αυτής με τη χρησιμοποίηση τριών πρόσθετων παραμέτρων A, RS, RSH. Επιπλέον, έχει επικρατήσει για λόγους κυκλωματικής ανάλυσης, η αναπαράσταση της I-V χαρακτηριστικής του κυττάρου να γίνεται στο πρώτο τεταρτημόριο. Οι δύο τελευταίες παρατηρήσεις οδηγούν στην πραγματική εξίσωση για το ηλιακό κύτταρο: I = I L I O {exp [ q(v D) A K T ] 1} V [7] (2.1) R SH V D = V + I R S (2.2) όπου V D : τάση της διόδου επαφής μέσα στο κύτταρο R S : σε σειρά αντίσταση του κυττάρου. Παριστάνει σε συγκεντρωμένη μορφή όλα τα κατανεμημένα στοιχεία αντίστασης κατά τη ροή των φορέων στον κυρίως ημιαγωγό, την επιφανειακή ροή των φορέων στον κυρίως ημιαγωγό, συνήθως τύπου n, που βρίσκεται στην

38 Κεφάλαιο 2 ο πλευρά που προσπίπτει το φως και αποτελείται από πολύ λεπτό στρώμα, την ενδοεπιφάνεια μεταξύ ημιαγωγού ωμικής επαφής και την ωμική επαφή. A: σταθερά με τιμές μεταξύ 1 και 2. Οφείλεται σε φαινόμενα επανασύνδεσης που συμβαίνουν στην περιοχή της επαφής. R SH : παράλληλη αντίσταση. Οφείλεται σε διαρροές των φορέων, που συμβαίνουν είτε στην επαφή p-n (επανασύνδεση), είτε στην εξωτερική παράπλευρη επιφάνεια του κυττάρου (επιφανειακή διαρροή), είτε σε άλλες ανωμαλίες του κρυστάλλου και δεν είναι ομοιόμορφα κατανεμημένες σε όλη την επιφάνεια του κυττάρου, ούτε μεταξύ δύο όμοιων κυττάρων. Το ισοδύναμο κύκλωμα που εκφράζει την εξίσωση (2.1) παρουσιάζεται στο σχήμα 2.1. Σχήμα 2.1: Ισοδύναμο κύκλωμα ηλιακού κυττάρου [16] Η γραφική παράσταση μεταξύ ρεύματος και τάσης στην έξοδο ενός ηλιακού κυττάρου, έχει επικρατήσει να λέγεται I-V χαρακτηριστική. Οι βασικές παράμετροι που την χαρακτηρίζουν είναι: Το ρεύμα βραχυκύκλωσης I SC, που είναι το ρεύμα για V = 0 και αν θεωρήσουμε την R S πολύ μικρή, είναι το φωτόρευμα Ι L. Η τάση ανοιχτού κυκλώματος V OC, που είναι η τάση για Ι = 0 και αν θεωρήσουμε την R SH πολύ μεγάλη από την εξίσωση (2.1) προκύπτει: V OC = A K T q ln ( I L I O + 1) (2.3)

39 Κεφάλαιο 2 ο Το σημείο μέγιστης ισχύος εξόδου P mp, στο οποίο αντιστοιχεί ρεύμα I mp και τάση V mp και βρίσκεται στο σημείο από το οποίο μπορούμε να κατασκευάσουμε ορθογώνιο με τη μεγαλύτερη επιφάνεια μέσα στην I-V χαρακτηριστική καμπύλη. Μια ευθεία που διέρχεται από την αρχή των αξόνων και το σημείο P mp παριστάνει τη βέλτιστη αντίσταση φορτίου R Lopt και έχει κλίση: 1 R Lopt = I mp V mp (2.4) Επίσης, η χαρακτηριστική I-V είναι εφαπτόμενη σε κάποια καμπύλη σταθερής ισχύος στο σημείο μέγιστης ισχύος, όπου dp dv = 0 και επειδή το σημείο επαφής δεν μπορεί να καθορισθεί επακριβώς για καμπύλες που κατασκευάζονται με βάση πειραματικά δεδομένα, είναι δυνατόν να κατασκευασθεί μια P-V χαρακτηριστική καμπύλη και να εντοπισθεί το μέγιστό της. Στο Σχήμα 2.2 φαίνονται οι καμπύλες I-V και P-V. Σχήμα 2.2: Χαρακτηριστικές καμπύλες I-V και P-V [17] Είναι γνωστό ότι υπό ιδανικές συνθήκες δύο ή περισσότερες ίδιες πηγές τάσης σε σειρά προστίθενται, ενώ δύο ή περισσότερες ίδιες πηγές ρεύματος παράλληλα προστίθενται. Έτσι μόνο για ηλιακά κύτταρα με ακριβώς ίδια χαρακτηριστικά, η μέγιστη ισχύς που παίρνουμε από μία συστοιχία κυττάρων θα ισούται με το άθροισμα των μεγίστων ισχύων, που παίρνουμε χωριστά από κάθε κύτταρο της συστοιχίας. Κατά συνέπεια, η χαρακτηριστική I-V ενός συνό

40 Κεφάλαιο 2 ο λου ίδιων κυττάρων συνδεδεμένων σε σειρά ή/και παράλληλα, προκύπτει εύκολα με αντίστοιχο συνδυασμό των χαρακτηριστικών των επιμέρους κυττάρων, όπως μπορούμε να παρατηρήσουμε και στο σχήμα 2.3. Σχήμα 2.3: Καμπύλη I-V ίδιων κυττάρων συνδεδεμένων σε σειρά και παράλληλα [17] Οι δύο βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν τις χαρακτηριστικές καμπύλες I-V και P-V είναι η ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (W m 2 ) και η θερμοκρασία ( ). Όταν μεταβάλλεται η ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, διατηρώντας σταθερή τη θερμοκρασία του κυττάρου και τη φασματική κατανομή της ακτινοβολίας, μεταβάλλεται και η χαρακτηριστική I-V του κυττάρου, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.4. Σχήμα 2.4: Χαρακτηριστικές καμπύλες I-V για διαφορετική προσπίπτουσα ακτινοβολία [18]

41 Κεφάλαιο 2 ο Το ρεύμα I SC πρακτικά μεταβάλλεται αναλογικά με την ένταση, ενώ η τάση V OC μεταβάλλεται πολύ λιγότερο (λογαριθμική εξάρτηση). Όταν τώρα μεταβάλλεται η θερμοκρασία του κυττάρου διατηρώντας σταθερή την προσπίπτουσα ακτινοβολία, οι καμπύλες μεταβάλλονται όπως δείχνεται στο σχήμα 2.5. Το ρεύμα I SC αυξάνεται ελαφρά και ανάλογα με τη θερμοκρασία, ενώ η τάση V OC μεταβάλλεται πολύ περισσότερο και σχεδόν αντιστρόφως ανάλογα με τη θερμοκρασία. Σχήμα 2.5: Χαρακτηριστικές καμπύλες I-V σε διαφορετικές θερμοκρασίες [18] Αντίστοιχες μεταβολές συμβαίνουν και στη χαρακτηριστική P-V. Σύμφωνα με τα παραπάνω, ένα ηλιακό κύτταρο-ηλιακή γεννήτρια συνηθίζεται να χαρακτηρίζεται από την ισχύ εξόδου του σε μια προκαθορισμένη θερμοκρασία, συνήθως 25 ή 28 και σε μια προκαθορισμένη ακτινοβολία 1000W m 2, που είναι γνωστή σαν ισχύ αιχμής (Peak Power), όπως έχουμε αναφέρει και προηγουμένως. Οι συνθήκες αυτές ονομάζονται STC (Standard Test Conditions) Βαθμός απόδοσης ηλιακού κυττάρου Ο βαθμός απόδοσης του ηλιακού κυττάρου δίνεται από τη σχέση: η = V mp I mp P in (2.5) όπου P in η ολική ισχύς της προσπίπτουσας ακτινοβολίας στο κύτταρο

42 Κεφάλαιο 2 ο Ο τυπικός βαθμός απόδοσης των φωτοβολταϊκών κυττάρων του εμπορίου βρίσκεται στην περιοχή 13-19% [13], ο οποίος είναι αρκετά μικρός ακόμα και σε σύγκριση με τους βαθμούς απόδοσης των συμβατικών τρόπων παραγωγής ηλεκτρισμού. Οι παράγοντες που είναι υπεύθυνοι για τη σχετικά χαμηλή τιμή του βαθμού απόδοσης είναι: Ανάκλαση του 3-30% της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας Σκίαση από τις επαφές Ατελής εκμετάλλευση της ενέργειας των φωτονίων Επανασύνδεση Μη ικανοποιητικές τιμές αντιστάσεων R S και R SH Πολύ υψηλές ή πολύ χαμηλές θερμοκρασίες Τεχνικά χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκών πλαισίων Στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία θα γίνει χρήση των φωτοβολταϊκών στοιχείων που είναι εγκατεστημένα στη στέγη του κτηρίου των Βαρέων Εργαστηρίων του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών. Πρόκειται για δύο πλαίσια, module type PXQ 36/53 D της εταιρίας Solarnova. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά του κάθε πλαισίου φαίνονται στο σχήμα 2.6 και είναι: P mp = 53W V mp = 17,7V I mp = 2,99A V OC = 21,88V I SC = 3,15A Σχήμα 2.6: Τεχνικά χαρακτηριστικά του φωτοβολταϊκού πλαισίου [19] Περισσότερες λεπτομέρειες μπορούμε να βρούμε στο φυλλάδιο του κατασκευαστή που παρατίθεται στο Παράρτημα Γ

43 Κεφάλαιο 2 ο 2.2 Ηλεκτρονικός Μετατροπέας Ανύψωσης Τάσης (Boost converter) Οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος είναι διατάξεις που χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή της ηλεκτρικής ισχύος από μία μορφή σε μία άλλη, χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικά στοιχεία ισχύος. Τα ημιαγωγικά αυτά στοιχεία ελέγχονται από αναλογικά ή ψηφιακά ηλεκτρονικά κυκλώματα χαμηλής ισχύος, όπως είναι συνήθως οι μικροελεγκτές, τα οποία είναι κατάλληλα προγραμματισμένα με βάση τις απαιτήσεις των φορτίων ή και διάφορων μεθόδων ελέγχου. Αυτό συμβαίνει γιατί τα ημιαγωγικά στοιχεία λειτουργούν, κυρίως, ως διακόπτες, άρα είναι απαραίτητο να ελέγχουμε τη διακοπτική τους λειτουργία. Ουσιαστικά με τους μετατροπείς αυτούς μπορούμε να ελέγξουμε και να ρυθμίσουμε τη ροή ενέργειας μεταξύ διαφορετικών συστημάτων. Οι πληροφορίες στις επόμενες παραγράφους αντλούνται από τις πηγές [20][21] Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα Τα βασικότερα πλεονεκτήματα των ηλεκτρονικών διατάξεων ισχύος σε σχέση με τις παλαιότερα χρησιμοποιούμενες ηλεκτρομηχανικές διατάξεις ή τις γραμμικά ελεγχόμενες ηλεκτρονικές διατάξεις είναι: Μικρότερος όγκος, βάρος και κόστος αγοράς, για αντίστοιχες τιμές ισχύος Λιγότερες απώλειες ισχύος, με συνέπεια τον υψηλό βαθμό απόδοσης, που μπορεί να ξεπερνά το 90% Λόγω έλλειψης κινητών μερών, οι μετατροπείς αυτοί έχουν ελάχιστες ανάγκες συντήρησης, δεν απαιτούν ισχυρές βάσεις στήριξης και είναι σχεδόν αθόρυβοι στη λειτουργία τους Λόγω του ηλεκτρονικού ελέγχου προσφέρουν μεγαλύτερη ακρίβεια και ταχύτερη απόκριση στη ρύθμιση των μεγεθών εξόδου (τάση, ρεύμα, ροπή, στροφές κλπ.). Εκτός όμως από πλεονεκτήματα, οι ηλεκτρονικές αυτές διατάξεις έχουν και κάποια μειονεκτήματα: Η δημιουργία ανώτερων αρμονικών, τόσο στην πλευρά της τροφοδοσίας τους, όσο και στην πλευρά του φορτίου Οι αρμονικές αυτές μπορεί να έχουν ως αποτέλεσμα είτε την παρενόχληση της λειτουργίας γειτονικών ηλεκτρικών συσκευών (ElectroMagnetic Interference ή EMI),

44 Κεφάλαιο 2 ο είτε την αύξηση της αέργου ισχύος, είτε την αύξηση των απωλειών Μετατροπείς ΣΤ-ΣΤ (τροφοδοτικά συνεχούς τάσης) Βασικό αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη και κατασκευή ενός μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση (DC-DC Converter). Αυτοί οι μετατροπείς ονομάζονται και τροφοδοτικά συνεχούς τάσης, αφού χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο για την τροφοδοσία πολλών ψηφιακών και αναλογικών συστημάτων. Οι μετατροπείς αυτοί μετατρέπουν μια συνεχή τάση σε συνεχή μίας άλλης τιμής ή και άλλης πολικότητας. Περιέχουν ένα τουλάχιστον ημιαγωγικό διακοπτικό στοιχείο (BJT, MOSFET, Thyristor, IGBT). Το στοιχείο αυτό ελέγχεται κατά τέτοιο τρόπο, ώστε να μεταβαίνει περιοδικά, από την κατάσταση πλήρους αγωγής, στην κατάσταση πλήρους αποκοπής και αντίστροφα. Το γεγονός αυτό έχει ως άμεσο αποτέλεσμα τη δημιουργία παλμικών τάσεων μεταβλητού χρονικού εύρους. Το χρονικό αυτό εύρος καθορίζεται από το λόγο κατάτμησης δ, ο οποίος ορίζεται, ως ο λόγος του χρόνου αγωγής του ημιαγωγικού στοιχείου t ON, προς την διακοπτική περίοδο λειτουργίας T S του μετατροπέα. Η παλμική τάση εξομαλύνεται με τη βοήθεια ενός φίλτρου, στην έξοδο του οποίου λαμβάνουμε μια συνεχή τάση. Έτσι, με τη μεταβολή του λόγου κατάτμησης, επιτυγχάνεται ρύθμιση της συνεχούς τάσης εξόδου του μετατροπέα, η οποία εφαρμόζεται σε ένα φορτίο. Για τον έλεγχο αυτών των μετατροπέων χρησιμοποιείται, κυρίως, η τεχνική της Διαμόρφωσης Εύρους Παλμών (Pulse Width Modulation). Η τεχνική αυτή συνίσταται στο να διατηρείται σταθερή η συχνότητα έναυσης και σβέσης (διακοπτική συχνότητα λειτουργίας) των ημιαγωγικών στοιχείων και να μεταβάλλεται ο χρόνος αγωγής τους. Με την περιοδική έναυση και σβέση του στοιχείου δημιουργείται η παλμική τάση που αναφέραμε προηγουμένως. Οι μετατροπείς που χρησιμοποιούν τη διαμόρφωση του εύρους παλμών για τον έλεγχο της ισχύος (διακοπτικοί μετατροπείς) μπορούν να κατηγοριοποιηθούν με βάση την τάση εξόδου τους σε 3 βασικές κατηγορίες: α) Μετατροπείς DC-DC με τους οποίους επιτυγχάνεται υποβιβασμός της τάσης εξόδου σε σχέση με την τάση εισόδου (Buck Converter) β) Μετατροπείς DC-DC με τους οποίους επιτυγχάνεται ανύψωση της τάσης εξόδου σε σχέση με την τάση εισόδου (Boost Converter)

45 Κεφάλαιο 2 ο γ) Μετατροπείς DC-DC με τους οποίους επιτυγχάνεται υποβιβασμός ή ανύψωση της τάσης εξόδου σε σχέση με την τάση εισόδου ανάλογα με την τιμή του λόγου κατάτμησης δ (Buck-Boost Converter) Η λειτουργία που θέλουμε να επιτελεί ο ηλεκτρονικός μετατροπέας της διάταξής μας, στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας, είναι η ανύψωση της τάσης εξόδου των φωτοβολταϊκών πάνελ στην τάση φόρτισης των συσσωρευτών. Για αυτό το λόγο επιλέχθηκε να μελετηθεί η λειτουργία και να κατασκευαστεί ένας μετατροπέας ανύψωσης τάσης Boost Ο Μετατροπέας Boost Ο μετατροπέας Boost είναι ένας μετατροπέας ανύψωσης τάσης, που παράγει μία συνεχή τάση εξόδου υψηλότερη από τη συνεχή τάση εισόδου του. Πρόκειται για ένα μετατροπέα χωρίς μετασχηματιστή απομόνωσης ανάμεσα σε είσοδο και έξοδο. Αποτελείται από 3 βασικά στοιχεία: έναν ημιαγωγικό διακόπτη, μία επαγωγή και μία δίοδο ελεύθερης διέλευσης. Το ημιαγωγικό στοιχείο είναι πλήρως ελεγχόμενο. Το πλέον χρησιμοποιούμενο ημιαγωγικό στοιχείο είναι το MOSFET, λόγω των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζει (εύκολη οδήγηση, υψηλή συχνότητα λειτουργίας, κλπ. Επίσης, στην έξοδο υπάρχει πυκνωτής προκειμένου να εξομαλύνει την τάση και να είναι όσο το δυνατό πιο συνεχής γίνεται. Η κυκλωματική δομή του Boost εικονίζεται στο σχήμα 2.7. Σχήμα 2.7: Κυκλωματικό διάγραμμα μετατροπέα ανύψωσης τάσης [21]

46 Κεφάλαιο 2 ο Περιοχές/Καταστάσεις λειτουργίας μετατροπέα Ανάλογα με το αν το ρεύμα στο πηνίο μηδενίζεται ή όχι, διακρίνουμε δύο περιοχές/καταστάσεις λειτουργίας για τους μετατροπείς που ελέγχονται με την τεχνική της PWM: Συνεχής αγωγή (Continuous Conduction Mode CCM), ορίζεται η κατάσταση λειτουργίας, όπου το ρεύμα που διαρρέει το πηνίο εξομάλυνσης είναι πάντα μεγαλύτερο του μηδενός. Ασυνεχής αγωγή (Discontinuous Conduction Mode DCM), ορίζεται η κατάσταση λειτουργίας, όπου το ρεύμα που διαρρέει το πηνίο εξομάλυνσης παρουσιάζει διαστήματα όπου μηδενίζεται. Στη συνέχεια δίνεται η επεξήγηση κάποιων συμβολισμών και δίνονται τα ισοδύναμα κυκλώματα του μετατροπέα ανάλογα με τον αν ο διακόπτης είναι κλειστός ή ανοιχτός. t ON : χρόνος που το ημιαγωγικό στοιχείο άγει t OFF : χρόνος που το ημιαγωγικό στοιχείο δεν άγει T S = t ON + t OFF : περίοδος διακοπτικής λειτουργίας δ = t ON T S : λόγος κατάτμησης f S = 1 T S : συχνότητα διακοπτικής λειτουργίας V i : μέση τιμή τάσης εισόδου V o : μέση τιμή τάσης εξόδου I i : μέση τιμή ρεύματος εισόδου I o : μέση τιμή ρεύματος εξόδου L f : πηνίο εξομάλυνσης C O : πυκνωτής εξόδου Για τη θεωρητική ανάλυση του Boost, θεωρούμε τα παρακάτω: Βρισκόμαστε σε μόνιμη κατάσταση λειτουργίας Τα ημιαγωγικά στοιχεία είναι ιδανικά Ο πυκνωτής εξόδου C O είναι πάρα πολύ μεγάλος

47 Κεφάλαιο 2 ο Το MOSFET λειτουργεί σα διακόπτης, όπως αναφέραμε και προηγουμένως. Όταν είναι κλειστός, άγει για t = t ON, ενώ όταν είναι κλειστός δεν άγει για t = t OFF. Έτσι, όταν είναι κλειστός, το ισοδύναμο κύκλωμα του Boost φαίνεται στο σχήμα 2.8. Σχήμα 2.8: Ισοδύναμο κύκλωμα Boost κατά τη διάρκεια αγωγής [21] Σε αυτήν την κατάσταση, ενέργεια από την είσοδο αποθηκεύεται στο πηνίο υπό τη μορφή μαγνητικής ενέργειας. Η δίοδος ελεύθερης διέλευσης πολώνεται ανάστροφα και δεν άγει. Με αυτόν τον τρόπο απομονώνεται η είσοδος από την έξοδο, ενώ το φορτίο όλο αυτό το διάστημα τροφοδοτείται από τον πυκνωτή C O. Όταν το MOSFET δεν άγει, η έξοδος απορροφά ενέργεια από την επαγωγή L f, που είχε αποθηκευτεί κατά το προηγούμενο στάδιο, και από την είσοδο. Αυτό συμβαίνει, αφού με το άνοιγμα του διακόπτη, το πηνίο προσπαθεί να διατηρήσει το ρεύμα του και έτσι αλλάζει η πολικότητα της τάσης του. Έτσι, η δίοδος πολώνεται ορθά και άγει. Τα παραπάνω φαίνονται και στο σχήμα 2.9. Σχήμα 2.9: Ισοδύναμο κύκλωμα Boost όταν δεν άγει το MOSFET [21]

48 Κεφάλαιο 2 ο Στο τρίτο κατά σειρά στάδιο, η ενέργεια του πηνίου μηδενίζεται και για το λόγο αυτό η δίοδος σταματάει να άγει. Μέχρι την έναρξη λοιπόν της επόμενης περιόδου, το ισοδύναμο κύκλωμα εικονίζεται στο σχήμα 2.10, όπου δεν άγει ούτε το τρανζίστορ ούτε η δίοδος. Σχήμα 2.10: Ισοδύναμο κύκλωμα Boost όταν δεν άγει το τρανζίστορ και η ενέργεια πηνίου μηδενίζεται [21] Λειτουργία στην περιοχή συνεχούς αγωγής-ccm Οι κυματομορφές τάσης και ρεύματος των στοιχείων του μετατροπέα στην CCM λειτουργία παρουσιάζονται στο σχήμα Στη CCM, υπάρχει ροή ρεύματος συνεχώς στο πηνίο εξομάλυνσης, συνεπώς ο μετατροπέας έχει μόνο δύο στάδια λειτουργίας που περιγράφονται από τα ισοδύναμα κυκλώματα των σχημάτων 2.8 και 2.9. Σχήμα 2.11: Κυματομορφές στη CCM λειτουργία [21] Παρατηρούμε ότι όταν το τρανζίστορ άγει, η δίοδος δεν άγει και αντίστροφα. Στην τρίτη κυματομορφή, βλέπουμε την τάση της διόδου κατά απόλυτη τιμή, αφού όταν δεν άγει σημαί

49 Κεφάλαιο 2 ο νει ότι πολώνεται ανάστροφα από την τάση εξόδου V o. Στην πέμπτη κυματομορφή φαίνεται τόσο το ρεύμα του τρανζίστορ με μπλε χρώμα και θετική κλίση, όσο και το ρεύμα της διόδου με πράσινο σκούρο χρώμα και αρνητική κλίση. Η μέση τιμή του δεύτερου είναι ουσιαστικά το ρεύμα εξόδου και είναι η ευθεία γραμμή με ανοιχτό πράσινο (συνεχές ρεύμα). Η τελευταία γραφική απεικονίζει το ρεύμα του πηνίου, που στην πραγματικότητα, πρόκειται για το άθροισμα του ρεύματος της διόδου και του MOSFET από την προηγούμενη γραφική παράσταση. Η μέση τιμή δε του ρεύματος πηνίου φαίνεται με μωβ χρώμα και είναι στην ουσία το ρεύμα εισόδου. Οι βασικοί τύποι που διέπουν τη λειτουργία του μετατροπέα στη συνεχή αγωγή εξάγονται παρακάτω με τη βοήθεια του σχήματος Σχήμα 2.12: Ρεύμα πηνίου κατά την συνεχή αγωγή [21] Η συνάρτηση μεταφοράς του Boost στη συνεχή λειτουργία είναι: V o = 1 V i 1 δ (2.6) Για την αντίστοιχη σχέση μεταξύ των ρευμάτων θεωρούμε ότι ο μετατροπέας δεν έχει απώλειες, άρα: P i = P o I i V i = I o V o I i I o = V o V i I i I o = 1 1 δ (2.7) Επιπλέον ισχύουν οι παρακάτω σχέσεις, οι οποίες επαληθεύονται και από το προηγούμενο σχήμα: I i = I Lf,max + I Lf,min 2 (2.8)

50 Κεφάλαιο 2 ο I o = I Lf,max + I Lf,min 2 (1 δ) (2.9) I Lf,max I Lf,min = V i δ T L s = V o V i (1 δ) T f L s = V o δ (1 δ) T f L s (2.10) f Λειτουργία στην περιοχή ασυνεχούς αγωγής-dcm Οι κυματομορφές τάσης και ρεύματος των στοιχείων του μετατροπέα στην CCM λειτουργία παρουσιάζονται στο σχήμα Στη DCM, δεν υπάρχει ροή ρεύματος συνεχώς στο πηνίο, συνεπώς ο μετατροπέας έχει τρία στάδια λειτουργίας που περιγράφονται από τα ισοδύναμα κυκλώματα των σχημάτων 2.8 ως Σχήμα 2.13: Κυματομορφές στη DCM λειτουργία [21] Και εδώ παρατηρούμε, ότι όταν το τρανζίστορ άγει, η δίοδος πολώνεται ανάστροφα και δεν άγει. Μία διαφορά με τη λειτουργία σε CCM είναι, πως στη διάρκεια που δεν άγει το τρανζίστορ και προς το τέλος αυτού του διαστήματος το ρεύμα του πηνίου μηδενίζεται (3 ο στάδιο), με αποτέλεσμα η δίοδος να σταματήσει να άγει. Έτσι, στα άκρα της πέφτει η τάση Vi- Vo, όπως φαίνεται και στο γράφημα κατά απόλυτη τιμή. Στη συνέχεια, και με την έναρξη της νέας περιόδου, η τάση στα άκρα της γίνεται ξανά Vo για όση διάρκεια άγει το τρανζίστορ. Η τάση του ημιαγωγικού στοιχείου κάνει και αυτή ένα μικρό σκαλοπάτι από την τάση Vo στην τάση Vi και όταν πια το στοιχείο αυτό άγει μηδενίζεται. Ο μηδενισμός του ρεύματος του πηνίου φαίνεται στην τελευταία κυματομορφή, ο οποίος είναι και η βασική διαφορά με τη CCM

51 Κεφάλαιο 2 ο λειτουργία. Η συνάρτηση μεταφοράς του μετατροπέα για την λειτουργία στην περιοχή ασυνεχούς αγωγής (DCM) εξάγεται, με τη βοήθεια του σχήματος 2.14, ως ακολούθως: Σχήμα 2.14: Τάση πηνίου και ρεύμα διόδου για τη DCM λειτουργία [21] V i δ T s = (V o V i ) Δ 1 T s Δ 1 = V i δ V o V i και V o V i = δ + Δ 1 Δ 1 (2.11) και (2.12) I o = 1 T s ( 1 2 I Lfmax Δ 1 T s ) I o = 1 2 ((V o V i ) L f I o = (V o V i ) Δ 1 2 T s 2 L f I No,i = I o ( V i T s L f ) Δ 1 T s ) T s = 1 2 (V o V i ) Δ 2 V 1 i I No,i = 1 2 (V o V i ) V i V i 2 (V o V i ) 2 δ2 2 I No,i = δ 2 1 ( V o Vi ) 1 V o V i = δ2 + 2 I No,i 2 I No,i (2.13) Το I No,i είναι το ρεύμα εξόδου ανηγμένο ως προς το ρεύμα εισόδου

52 Κεφάλαιο 2 ο Λειτουργία στην οριακή περιοχή (BCM) Το σχήμα 2.15 μας βοηθάει να κατανοήσουμε τη λειτουργία του μετατροπέα στην οριακή περιοχή ανάμεσα στη συνεχή και ασυνεχή αγωγή. Σχήμα 2.15: Τάση και ρεύμα πηνίου στο όριο μεταξύ συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής [21] Στην οριακή λειτουργία του μετατροπέα παρατηρούμε ότι το ρεύμα του πηνίου μηδενίζεται ακριβώς στο τέλος κάθε περιόδου και αρχίζει εκ νέου να αυξάνεται. Ουσιαστικά είναι σα να μηδενίζεται στιγμιαία. Σε αυτήν την κατάσταση λειτουργίας ισχύουν τόσο οι τύποι που ισχύουν στη συνεχή αγωγή, όσο και αυτοί που ισχύουν στην ασυνεχή αγωγή. Ωστόσο, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν το οριακό ρεύμα του πηνίου (ρεύμα εισόδου) καθώς και το οριακό ρεύμα εξόδου, που δίνονται από τους παρακάτω τύπους: I Lf,b = (V o V i ) L f Ι o,b = (V o V i ) L f (1 δ) T s 2 (1 δ)2 T s 2 = V i T s L f = V i T s L f δ 2 = V o T s L f δ (1 δ) 2 = V o T s L f δ (1 δ) 2 δ (1 δ)2 2 (2.14) (2.15) Χαρακτηριστικές εξόδου Boost Κρατώντας την τάση εισόδου ή την τάση εξόδου σταθερή, μπορούμε να χαράξουμε τις χαρακτηριστικές καμπύλες του μετατροπέα ανύψωσης τάσης ανηγμένες ως προς το αντίστοιχο μέγεθος. Έτσι κρατώντας σταθερή την τάση εισόδου Vi και θέτοντας: V Ni = V o V i και I Ni = I o I o,b,max = I o V i T s 8 L f

53 Κεφάλαιο 2 ο όπου I o,b,max βρίσκεται από την (2.15) για δ = 1, έχουμε για τις δύο καταστάσεις λειτουργίας: I Ni V Ni = 1 1 δ = 2 για τη CCM V Ni = δ I Ni = 1 + I Ni I Ni για τη DCM Οι χαρακτηριστικές καμπύλες φαίνονται στο σχήμα Σχήμα 2.16: Χαρακτηριστικές καμπύλες εξόδου Boost με Vi σταθερή [21] Αντίστοιχα κρατώντας σταθερή την τάση εξόδου Vo και θέτοντας: V Nο = V ι V ο και I Nο = I o I o,b,max = I o 2 V ο T s 27 L f όπου I o,b,max βρίσκεται από την (2.15) για δ = 1, έχουμε για τις δύο καταστάσεις λειτουργίας: 3 δ = 1 V No για τη CCM δ = 1 V No 4 27 (1 V Nο) I Nο για τη DCM

54 Κεφάλαιο 2 ο Οι χαρακτηριστικές καμπύλες φαίνονται στο σχήμα Σχήμα 2.17: Χαρακτηριστικές καμπύλες εξόδου Boost με Vo σταθερή [21] Και στις δύο περιπτώσεις η κόκκινη διακεκομμένη καμπύλη δείχνει το όριο μεταξύ συνεχούς και ασυνεχούς περιοχής λειτουργίας. Τέλος, είναι πολύ σημαντικό να μη χρησιμοποιούμε το μετατροπέα ανύψωσης τάσης εν κενώ. Αυτό διότι σε εν κενώ λειτουργία το ρεύμα εξόδου I o τείνει να μηδενιστεί, με αποτέλεσμα η τάση V o να τείνει στο άπειρο. Έτσι όταν η τάση ξεπεράσει τα όρια αντοχής του τρανζίστορ και του πυκνωτή, αυτά θα καταστραφούν και ο μετατροπέας αχρηστεύεται. 2.3 Μέθοδος Εντοπισμού Σημείου Μέγιστης Ισχύος (MPPT) Ανάγκη MPPT και αλγόριθμοι υλοποίησής του Μία Φ/Β συστοιχία, ανάλογα με την αντίσταση που βλέπει στα άκρα της, μπορεί να λειτουργήσει σε οποιαδήποτε τάση αρκεί αυτή να ανήκει στο εύρος λειτουργίας της. Ωστόσο, η ισχύς που δίνει, δεν είναι ίδια σε όλες τις τάσεις λειτουργίας της. Αντίθετα, μέγιστη ισχύ δίνει μόνο για μία συγκεκριμένη τιμή τάσης, την V mpp. Η ισχύς της Φ/Β συστοιχίας, εξαρτάται άμεσα από την αντίσταση στα άκρα της, ενώ μηδενίζεται για τις ακραίες καταστάσεις ανοιχτοκύκλωσης (V OC ) και βραχυκύκλωσης (I SC ) των άκρων της

55 Κεφάλαιο 2 ο Για την πλήρη εκμετάλλευση της Φ/Β γεννήτριας λοιπόν, είναι αναγκαία η λειτουργία διατάξεων που ανιχνεύουν και εξαναγκάζουν τη γεννήτρια να λειτουργήσει στις τιμές τάσηςρεύματος που δίνουν κάθε στιγμή και κάτω από τις εκάστοτε συνθήκες (ηλιακή ακτινοβολία, θερμοκρασία) τη μέγιστη δυνατή ισχύ. Αυτό γίνεται με τη βοήθεια κάποιων αλγορίθμων, οι οποίοι αξιολογώντας κάποια μετρητικά δεδομένα λαμβάνουν αποφάσεις για την ανίχνευση του σημείου μέγιστης ισχύος. Στις μέρες μας υπάρχουν πολλοί αλγόριθμοι που πραγματοποιούν αυτήν τη διαδικασία, με τον κάθε έναν από αυτούς να έχει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά του. Μερικοί από αυτούς είναι [22]: Μέθοδος σταθερής τάσης Constant Voltage Μέθοδος με πίνακα αντιστοίχισης Look-up Table Μέθοδος τάσης ανοιχτοκυκλώματος Voc Μέθοδος ρεύματος βραχυκύκλωσης Isc Μέθοδος διαταραχής και παρατήρησης Perturb & Observe ή Hill Climbing Μέθοδος αυξητικής αγωγιμότητας Incremental Conductance Μέθοδος παρασιτικής χωρητικότητας Parasitic Capacitance Μέθοδος ασαφούς ελέγχου νευρωνικών δικτύων Fuzzy Logic control/neural Network Μέθοδος ελέγχου στο χώρο κατάστασης State based ΜΡΡΤ Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα ασχοληθούμε με τη μέθοδο της διαταραχής και παρατήρησης P&O, η οποία είναι μια από τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες μεθόδους MPPT, ενώ επιπλέον βρίσκει ιδιαίτερη εφαρμογή στα φωτοβολταϊκά συστήματα Λειτουργία ηλεκτρονικών διατάξεων ανίχνευσης MPP στα Φ/Β συστήματα Οι ηλεκτρονικές διατάξεις που εντοπίζουν το Σημείο Μέγιστης Ισχύος ονομάζονται Ανιχνευτές Σημείου Μέγιστης Ισχύος ή MPPT. Πρόκειται ουσιαστικά για ηλεκτρονικούς μετατροπείς που παρεμβάλλονται μεταξύ της φωτοβολταϊκής συστοιχίας και του φορτίου προκειμένου να εξαναγκάσουν την πρώτη να λειτουργήσει στο σημείο μέγιστης ισχύος. Όταν μια Φ/Β συστοιχία συνδεθεί απευθείας σε ένα φορτίο, το σημείο λειτουργίας καθορίζεται από το σημείο τομής της χαρακτηριστικής I-V της συστοιχίας με την ευθεία του φορτίου, όπως φαίνεται και στο σχήμα

56 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.18: Σημείο λειτουργίας Φ/Β συστοιχίας [19] Αν όμως το φορτίο δεν είναι το βέλτιστο, δηλαδή R RLopt, που δίνεται από τη σχέση (2.4), τότε η συστοιχία δεν μπορεί να λειτουργήσει στο σημείο μέγιστης ισχύος χωρίς τη βοήθεια των παραπάνω διατάξεων. Μετρώντας, λοιπόν, κάποιο ρεύμα και κάποια τάση και με τη βοήθεια των αλγορίθμων που αναφέρθηκαν πιο πάνω, οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος εντοπίζουν το σημείο μέγιστης ισχύος της συστοιχίας και την εξαναγκάζουν να λειτουργήσει σε αυτό. Η κατασκευή και η ρύθμιση τέτοιων διατάξεων είναι περίπλοκη, αφού αυτές πρέπει να ανταποκρίνονται γρήγορα στις αλλαγές της ακτινοβολίας και της θερμοκρασίας, από τις οποίες εξαρτάται το MPP. Όταν κάποιος από αυτούς τους δύο παράγοντες αλλάζει, τότε αλλάζει και το MPP. Με τον MPPT που βλέπουμε και στο σχήμα 2.19 μετράται το ρεύμα και η τάση στην Σχήμα 2.19: Σχηματικό διάγραμμα σύνδεσης Φ/Β με ανυψωτή τάσης μέσω MPPT

57 Κεφάλαιο 2 ο έξοδο της ηλιακής γεννήτριας, που εξαρτώνται από: Την ηλιακή ακτινοβολία Τη θερμοκρασία της γεννήτριας Το φορτίο στα άκρα της Έτσι, εφαρμόζεται ένας από τους προαναφερθέντες αλγορίθμους και δίνει εντολή στο μετατροπέα να μειώσει ή να αυξήσει την τάση έμμεσα, μέσω του λόγου κατάτμησης, μέχρι να εντοπισθεί το MPP Μέθοδος διαταραχής και παρατήρησης (Perturb & Observe -P&O) Η μέθοδος Διαταραχής και Παρατήρησης χρησιμοποιείται ευρέως στα φωτοβολταϊκά συστήματα λόγο της ευκολίας εφαρμογής της. Η λειτουργία της είναι αρκετά απλή. Δειγματοληπτώντας την τάση και το ρεύμα εξόδου του Φ/Β ανά τακτά χρονικά διαστήματα, προκαλούμε μια διαταραχή στην τάση εξόδου του. Αν διαπιστωθεί, ότι με τη συγκεκριμένη διαταραχή της τάσης έχουμε αύξηση ισχύος, δηλαδή η μεταβολή ισχύος (dp) είναι θετική, τότε συνεχίζουμε τη διαταραχή με το ίδιο πρόσημο, μέχρι να έρθει μια ισορροπία. Αυτό είναι και το ΜΡΡ. Αλλιώς, αν η ισχύς μειώνεται, αντιστρέφουμε τη διαταραχή (αλλαγή προσήμου), μέχρι να επέλθει η επιθυμητή ισορροπία. Μια παραλλαγή της P&O είναι η μέθοδος Hill Climbing, η οποία λειτουργεί ακριβώς με την ίδια λογική, αλλά η διαταραχή στην τάση εξόδου του φωτοβολταϊκού γίνεται έμμεσα, μέσω του λόγου κατάτμησης δ. Έτσι σύμφωνα και με το σχήμα 2.20 έχουμε τους 4 πιθανούς συνδυα- Σχήμα 2.20: Συνδιασμοί μεταβολών dδ και dp [23]

58 Κεφάλαιο 2 ο σμούς: 1. Μειώνοντας το δ, να αυξάνεται το P (μωβ βέλος) 2. Αυξάνοντα το δ, να μειώνεται το P (μπλε βέλος) 3. Μειώνοντας το δ, να μειώνεται το P (ροζ βέλος) 4. Αυξάνοντας το δ, να αυξάνεται το P (πράσινο βέλος) Οι επιθυμητοί συνδυασμοί είναι ο 1 και 4, αφού σε αυτούς αυξάνεται η τιμή της ισχύος οπότε δεν έχουμε και αλλαγή κατεύθυνσης στο δ. Στους συνδυασμούς 2 και 3 αλλάζουμε τη κατεύθυνση του δ για να επιτύχουμε και σε αυτούς αύξηση της ισχύος. Παρατηρούμε λοιπόν πως με τη μεταβολή του λόγου κατάτμησης, μεταβάλλουμε ουσιαστικά το φορτίο το οποίο βλέπει η συστοιχία στα άκρα της σύμφωνα με τον τύπο (2.16). Για το μετατροπέα Boost θα ισχύει: P in = P out V in 2 R in = V 2 out R out V 2 in = R in V in 2 (1 δ) 2 R out R in = (1 δ) 2 R out (2.16) με αποτέλεσμα να μεταβάλλεται το ρεύμα εξόδου του φωτοβολταϊκού. Με αυτόν τον τρόπο, το σημείο λειτουργίας του συστήματος κινείται πάνω στη χαρακτηριστική καμπύλη P-V του φωτοβολταϊκού μέχρι να εντοπίσει το MPP, οπού και θα συνεχίσει να ταλαντώνεται γύρω από αυτό. Στο σχήμα 2.21 παρουσιάζεται το λογικό διάγραμμα του αλγορίθμου Hill Climbing. Σχήμα 2.21: Λογικό διάγραμμα αλγορίθμου Hill Climbing [19]

59 Κεφάλαιο 2 ο Προκειμένου να λειτουργήσει σωστά και αποδοτικά ο συγκεκριμένος αλγόριθμος πρέπει να δοθεί προσοχή σε ορισμένα σημεία: Κατά την αρχικοποίηση, πρέπει να δίνεται πάντα ένας αρχικός παλμός (δαρχ 0) για να είναι δυνατή η έναρξη του αλγορίθμου. Πρέπει να εξασφαλίζεται πάντα μία μικρή διαταραχή, έτσι ώστε να μην οδηγηθεί ο αλγόριθμος σε στασιμότητα γύρω από λάθος σημείο. Ο χρόνος δειγματοληψίας πρέπει να επιλεχθεί προσεκτικά για να μην ταλαντώνεται ο αλγόριθμος γύρω από τοπικά μέγιστα. Αυτό συμβαίνει εξαιτίας απότομων και παροδικών μεταβολών στην ηλιοφάνεια και στη θερμοκρασία. Άρα πρέπει δύο διαδοχικές δειγματοληψίες να απέχουν αρκετά χρονικά, ώστε το σύστημα να προλαβαίνει να φτάνει στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας και να μην επηρεάζεται από μεταβατικά φαινόμενα. Το βήμα μεταβολής πρέπει να επιλεχθεί με τέτοιο τρόπο, ώστε να μην παρατηρούνται μεγάλες μεταβολές γύρω από το MPP, αλλά ταυτόχρονα η απόκριση να είναι αρκετά γρήγορη. Όσον αφορά το βήμα μεταβολής, υπάρχουν αλγόριθμοι στους οποίους χρησιμοποιείται μεταβλητό βήμα. Όταν το σημείο λειτουργίας απέχει πολύ από το MPP, το βήμα είναι αρκετά μεγάλο προκειμένου να αυξηθεί η απόκριση του και να πλησιάσει γρήγορα το MPP. Όταν πια το σημείο λειτουργίας είναι κοντά στο MPP, το τε το βήμα μειώνεται έτσι ώστε να αποφευχθούν μεγάλες ταλαντώσεις γύρω από το σημείο μέγιστης ισχύος. Το σημαντικό είναι να επιλέγεται σωστός συνδυασμός χρόνου δειγματοληψίας και βήματος μεταβολής, ώστε ο έλεγχος να είναι αποδοτικός τόσο σε μόνιμη, όσο και σε μεταβατική κατάσταση. 2.4 Συσκευές Αποθήκευσης Ενέργειας - Συσσωρευτές Οι μονάδες αποθήκευσης ενέργειας παίζουν καθοριστικό ρόλο στη λειτουργία του φωτοβολταϊκού συστήματος, ειδικά όταν αυτό δεν είναι συνδεδεμένο με το κεντρικό δίκτυο (αυτόνομο), εφόσον υποκαθιστούν τις μονάδες παραγωγής ενέργειας. Η ενέργεια, ανάλογα με το μέσο που χρησιμοποιείται για την αποθήκευσή της, μπορεί να αποθηκευτεί είτε έμμεσα, είτε

60 Κεφάλαιο 2 ο άμεσα. Μονάδες που αποθηκεύουν έμμεσα την ενέργεια είναι: Συστοιχίες συσσωρευτών (μπαταρίες) Σφόνδυλοι Θερμότητα Αντλίες νερού Κυψέλες καυσίμου (Fuel Cell) Πεπιεσμένος αέρας Αντίστοιχα, μονάδες άμεσης αποθήκευσης ενέργειας αποτελούν τα: Υπεραγώγιμα πηνία Μεγάλης χωρητικότητας πυκνωτές Μονάδες αποθήκευσης ενέργειας και κατηγορίες συσσωρευτών Από τα παραπάνω μέσα αποθήκευσης το πιο κοινό είναι οι συσσωρευτές. Οι ηλεκτρικοί συσσωρευτές είναι συσκευές που αποθηκεύουν την ηλεκτρική ενέργεια, μετατρέποντάς την σε χημική. Οι συσσωρευτές χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες [7]: Πρωτογενείς Συσσωρευτές: Είναι συσσωρευτές μίας χρήσεως και όταν εκφορτιστούν πλήρως δεν υπάρχει δυνατότητα επαναφόρτισης. Χρησιμοποιούνται σε συστήματα που απαιτούν μικρούς ρυθμούς εκφόρτισης και μικρό αρχικό κόστος. Τέτοιου είδους συσσωρευτές είναι τα ξηρά στοιχεία άνθρακα (Zinc-Carbon) και τα αλκαλικά στοιχεία (Alkaline-Manganese). Δευτερογενείς Συσσωρευτές: Είναι συσσωρευτές που όταν εκφορτισθούν μπορούν να επαναφορτισθούν λόγω αναστρεψιμότητας της χημικής αντίδρασης και χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές που απαιτούνται μεγάλες ισχείς. Οι βασικότεροι εκπρόσωποι αυτής της κατηγορίας, που θεωρούνται και οι πλέον κατάλληλοι για φωτοβολταϊκά συστήματα, αποτελούν οι συσσωρευτές μολύβδου (Lead-Acid) και οι συσσωρευτές νικελίου-καδμίου (Nickel-Cadmium). Στα φωτοβολταϊκά συστήματα, όπου η εκφόρτιση και επαναφόρτιση των συσσωρευτών γίνεται σχεδόν σε καθημερινή βάση, είναι επιτακτική η χρήση δευτερογενών συσσωρευτών. Ειδικότερα, σε τέτοιου είδους συστήματα γίνεται ευρεία χρήση συσσωρευτών μολύβδου

61 Κεφάλαιο 2 ο Χαρακτηριστικά μεγέθη συσσωρευτών Το σημαντικότερο χαρακτηριστικό μέγεθος μίας μπαταρίας είναι η χωρητικότητα C που εκφράζει το ποσό του ρεύματος εκφόρτισης, που είναι δυνατό να παραχθεί κατά τη διάρκεια μια καθορισμένης χρονικής περιόδου. Η χωρητικότητα μετριέται σε Ah. Οι ρυθμοί φόρτισης/εκφόρτισης δίνονται από ένα λόγο: Ρυθμός φόρτισης εκφόρτισης = C X (2.17) όπου C: ονομαστική χωρητικότητα X: αριθμός ωρών φόρτισης/εκφόρτισης Το ποσό της χωρητικότητας που έχει εκφορτιστεί καλείται βάθος εκφόρτισης (Depth of discharge, DOD) και εκφράζεται σε ποσοστό της ονομαστικής χωρητικότητας, ενώ αντίθετα, η διαθέσιμη ακόμη χωρητικότητα του συσσωρευτή ονομάζεται στάθμη φόρτισης (State of charge, SOC) και εκφράζεται επίσης ως ποσοστό της ονομαστικής χωρητικότητας. Η σχέση που συνδέει τα δύο παραπάνω μεγέθη είναι : SOC = 100% DOD (2.18) Μία πλήρης εκφόρτιση μαζί με την επόμενη επαναφόρτιση αναφέρεται σαν ένας κύκλος λειτουργίας (Cycle). Δυστυχώς, κατά τη διάρκεια ενός κύκλου συμβαίνουν μη αναστρέψιμες μεταβολές που προκαλούν βαθμιαία μείωση της διαθέσιμης χωρητικότητας, ώσπου το στοιχείο δεν μπορεί πλέον να λειτουργήσει ικανοποιητικά και έχει εξαντλήσει τη διάρκεια ζωής του. Η διάρκεια ζωής λοιπόν των συσσωρευτών καθορίζεται σε κύκλους. Αυτή συνήθως εξαντλείται στο σημείο, που η διαθέσιμη χωρητικότητα πέφτει στο 80% της ονομαστικής χωρητικότητας που έχει ένα νέο στοιχείο Πλεονεκτήματα - Μειονεκτήματα συσσωρευτών σε Φ/Β συστήματα Ένα μέρος της ενέργειας που παράγεται από μία φωτοβολταϊκή συστοιχία είναι ανάγκη να αποθηκευτεί σε ηλεκτρικούς συσσωρευτές για τους εξής δύο λόγους: Για την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στο φορτίο κατά τη διάρκεια της νύχτας, που το ηλιακό σύστημα δεν παράγει ενέργεια

62 Κεφάλαιο 2 ο Για την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στο φορτίο τις μέρες με νεφελώδη ουρανό, όταν η ζήτηση για ηλεκτρική ενέργεια είναι μεγαλύτερη από την παραγόμενη από τη συστοιχία. Γενικότερα, τα πλεονεκτήματα που προσφέρονται από τη χρήση συσσωρευτών σε φωτοβολταϊκά συστήματα είναι: Η δυνατότητα να παρέχουν ενέργεια σε περιόδους που δεν υπάρχει ηλιακή ακτινοβολία Η δυνατότητα να καλύπτουν στιγμιαίες αιχμές ζήτησης φορτίου Η ύπαρξη σταθερής τάσης στο δίκτυο Η ικανότητα αποθήκευσης της επί πλέον της ενεργειακής ζήτησης ενέργειας με αποτέλεσμα τη μείωση των απωλειών Ωστόσο, τα συστήματα που περιέχουν συσσωρευτές έχουν ορισμένα μειονεκτήματα, τα σημαντικότερα εκ των οποίων είναι: Η αυξημένη πολυπλοκότητα του συστήματος Το αυξημένο κόστος εγκατάστασης Ο αυξημένος χρόνος και το αυξημένο κόστος συντήρησης Η μειωμένη αξιοπιστία του συστήματος Για να γίνει επομένως σωστή επιλογή, σχεδίαση και λειτουργία του συσσωρευτή που θα χρησιμοποιηθεί στο υπό σχεδίαση φωτοβολταϊκό σύστημα, πρέπει να ληφθούν υπόψιν κάποιες παράμετροι όπως [24]: Τα χαρακτηριστικά της φωτοβολταϊκής συστοιχίας Οι συσκευές προσαρμογής και ελέγχου ισχύος Το φορτίο Οι μετεωρολογικές συνθήκες Ο τύπος του συσσωρευτή που θα χρησιμοποιηθεί στην εφαρμογή Τρόποι/Αλγόριθμοι φόρτισης συσσωρευτών στα Φ/Β συστήματα Τα Φ/Β πλαίσια δεν είναι αυτούσια ιδανική πηγή φόρτισης συσσωρευτών, λόγω της μεγάλης εξάρτησης της εξόδου τους από τις καιρικές συνθήκες. Σε μεταβλητές καιρικές συνθήκες (ακτινοβολία και θερμοκρασία), καθώς και σε μεταβολές των φορτίων προς εξυπηρέτηση,

63 Κεφάλαιο 2 ο υπάρχει κίνδυνος η μπαταρία να εκφορτιστεί πλήρως. Η παραμονή της στάθμης φόρτισης της μπαταρίας σε χαμηλά επίπεδα για μεγάλο χρονικό διάστημα, προκαλεί την αυξημένη θείωση της μπαταρίας, με αποτέλεσμα να μειώνεται η διάρκεια ζωής της. Από την άλλη πλευρά, η υπερφόρτιση των συσσωρευτών προκαλεί αεριοποίηση και διάβρωση των κελιών του δικτύου, με αποτέλεσμα πάλι τη μείωση της διάρκειας ζωής τους. Για την αποφυγή των παραπάνω κατά τη φόρτιση συσσωρευτών στα Φ/Β συστήματα, χρησιμοποιούνται οι εξής τρόποι/αλγόριθμοι φόρτισης [25]: Διακοπτόμενη Φόρτιση (Intermittent Charging): είναι η πιο διαδεδομένη μέθοδος φόρτισης. Μεταξύ δύο ορίων τάσης η μπαταρία φορτίζεται με τη μέγιστη δυνατή ισχύ (MPPT). Όταν η τάση της φτάσει το άνω όριο, η φόρτιση διακόπτεται και η μπαταρία ανοιχτοκυκλώνεται. Η τάση παρακολουθείται και μόνο όταν πέσει στο κάτω όριο, η φόρτιση ξεκινάει εκ νέου. Φόρτιση τριών σταδίων (Three Stage charging): στο πρώτο στάδιο η μπαταρία φορτίζεται με το μέγιστο ρεύμα, που απορρέει από την εφαρμογή του MPPT, μέχρι να φτάσει την τελική τάση φόρτισης (absorption voltage), φορτίζοντας με αυτό τον τρόπο το 70-80% της μπαταρίας. Στο επόμενο στάδιο, το ρεύμα φόρτισης μειώνεται συνεχώς, ενώ η τάση παραμένει σταθερή στο ίδιο επίπεδο (absorption voltage), φορτίζοντας με αυτό τον τρόπο το υπόλοιπο 20-30% της μπαταρίας. Τέλος, ένα μικρό ρεύμα παρέχεται στην μπαταρία προκειμένου να διατηρήσει την τάση της. Έλεγχος διακοπτόμενης Φόρτισης (Interrupted Charge Control): πρόκειται για μία παραλλαγή τη διακοπτόμενης φόρτισης, όπου αποφεύγεται το σενάριο της χαμηλής στάθμης φόρτισης. Αρχικά η μπαταρία φορτίζεται με σταθερό ρεύμα και ρυθμό φόρτισης 0,1 της χωρητικότητας C, μέχρι να φτάσει το άνω όριο τάσης, όπου και ανοιχτοκυκλώνεται. Η τάση παρακολουθείται και όταν φτάσει την τιμή του κάτω ορίου ξεκινά να φορτίζεται ξανά με ρυθμό 0,05C, έως ότου φτάσει το άνω όριο για δεύτερη φορά. Τότε, η μπαταρία έχει φορτιστεί πλήρως και ανοιχτοκυκλώνεται εκ νέου. Για την ιδανική λειτουργία της μπαταρίας σε διάφορες δημοσιεύσεις έχουν επιλεγεί και παραπάνω ρυθμοί φόρτισης. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε ο πρώτος από τους παραπάνω τρόπους φόρτισης (Διακοπτόμενη Φόρτιση)

64 Κεφάλαιο 2 ο Επιλογή Συσσωρευτών Στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής εργασίας και με βάση όσα αναφέραμε και στο κεφάλαιο 1 για την κατανάλωση ενέργειας στους κοινόχρηστους χώρους για φωτισμό, υπολογίζουμε την ελάχιστη χωρητικότητα των συσσωρευτών που θα χρειαστούμε: Χωρητικότητα = Κατανάλωση Φορτίου Τάση Φόρτισης Μπαταριών = 504Wh 48V = 10,5Ah Έτσι, χρησιμοποιήθηκαν 4 μπαταρίες μολύβδου 12Volt/12 Ah της εταιρίας YES Power. Οι συσσωρευτές συνδέθηκαν σε σειρά μεταξύ τους για να επιτύχουμε τάση φόρτισης 48Volt. Οι μπαταρίες που χρησιμοποιήθηκαν φαίνονται στο σχήμα Σχήμα 2.22: Η μπαταρία μολύβδου που χρησιμοποιήθηκε της εταιρίας Yes Power

65 Κεφάλαιο 3 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΤΑΣΗΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΣΥΝΟΛΙΚΟΥ ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάζεται το μοντέλο προσομοίωσης κάθε στοιχείου/βαθμίδας του αυτόνομου συστήματος. Η προσομοίωση πραγματοποιήθηκε στο Simulink, της ειδικής βιβλιοθήκης του προγραμματιστικού περιβάλλοντος του MATLAB. 3.1 Προσομοίωση των Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Στην παρούσα διπλωματική εργασία, για την προσομοίωση του φωτοβολταϊκού χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο που αναπτύχθηκε στα πλαίσια προηγούμενης διπλωματικής εργασίας [19]. Το μοντέλο αυτό προσομοιώνει οποιοδήποτε τύπο Φ/Β πλαισίων με την εισαγωγή των βασικών παραμέτρων στα αντίστοιχα πεδία, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.1. Όπως έχει αναφερθεί και στο κεφάλαιο 2, τα δύο πλαίσια συνδέθηκαν σε σειρά. Σχήμα 3.1: Το εσωτερικό ισοδύναμο κύκλωμα του Φ/Β [19]

66 Κεφάλαιο 3 ο Τα χαρακτηριστικά λοιπόν του Φ/Β πάνελ προκύπτουν ως εξής: P mp = 2 53W = 106W V mp = 2 17,7V = 35,4V I mp = 2,99A V OC = 21,88V = 43,76V I SC = 3,15A Αυτές οι τιμές εισήχθησαν στα αντίστοιχα πεδία του μοντέλου, προκειμένου να μελετηθεί η λειτουργία του και να εξαχθούν οι χαρακτηριστικές καμπύλες του. Συνδέοντας το μοντέλο του Φ/Β με ένα μεταβλητό φορτίο στην έξοδό του, είναι δυνατόν να εξαχθούν οι χαρακτηριστικές I-V και P-V αυτού, οι οποίες παρουσιάζονται στο σχήμα 3.3. Το μεταβλητό φορτίο προσομοιώθηκε ως μία εξαρτημένη πηγή τάσης με είσοδο μία ράμπα κλίσης 1 (Σχήμα 3.2). Έτσι διαγράφεται όλη η καμπύλη λειτουργίας του φωτοβολταϊκού. Σχήμα 3.2: Διασύνδεση με φορτίο ράμπα για εξαγωγή χαρακτηριστικών καμπυλών Σχήμα 3.3 Χαρακτηριστικές I-V και P-V του πάνελ

67 Κεφάλαιο 3 ο Όπως είναι γνωστό, οι δύο παράγοντες που επηρεάζουν τη λειτουργία και τα μεγέθη ενός Φ/Β, είναι η ακτινοβολία και η θερμοκρασία. Για να παρατηρήσουμε την απόκριση του μοντέλου σε τέτοιου είδους αλλαγές, μεταβάλαμε κάθε φορά μία από τις δύο παραμέτρους και τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στις παρακάτω γραφικές παραστάσεις (Σχήμα ). Σχήμα 3.4: Χαρακτηριστικές I-V για σταθερή θερμοκρασία (25 ) και μεταβλητή ακτινοβολία Σχήμα 3.5: Χαρακτηριστικές καμπύλες P-V για σταθερή θερμοκρασία (25 ) και μεταβλητή ακτινοβολία

68 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.6: Χαρακτηριστικές καμπύλες I-V για σταθερή ακτινοβολία (1000W/m 2 ) και μεταβλητή θερμοκρασία Σχήμα 3.7: Χαρακτηριστικές καμπύλες P-V για σταθερή ακτινοβολία (1000W/m 2 ) και μεταβλητή θερμοκρασία Σχήμα 3.8: Μεγέθυνση των χαρακτηριστικών καμπυλών P-V για σταθερή ακτινοβολία. Με κύκλο συμβολίζονται τα διάφορα σημεία μέγιστης ισχύος

69 Κεφάλαιο 3 ο Από τα παραπάνω παρατηρούμε ότι το ρεύμα επηρεάζεται ανάλογα με τη μεταβολή της ακτινοβολίας ενώ και η τάση μεταβάλλεται, αλλά πολύ λιγότερο. Μεταβάλλοντας τη θερμοκρασία, το ρεύμα δεν επηρεάζεται τόσο, όσο από την αλλαγή της ακτινοβολίας. Η τάση όμως, αν και έπρεπε να μεταβάλλεται αντιστρόφως ανάλογα με τη θερμοκρασία - εξαιτίας της μεταβολής των χαρακτηριστικών αγωγής της διόδου [7]- δεν επηρεάζεται τόσο. Αυτό οφείλεται στο ότι δεν έχουν προσομοιωθεί όλοι οι παράγοντες που επηρεάζουν τη λειτουργία ενός πραγματικού Φ/Β [19]. Ωστόσο, τα αποτελέσματα της προσομοίωσης συμφωνούν με τα αντίστοιχα θεωρητικά της υποενότητας Επίσης, από το μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε, παρατηρήθηκε πως η ισχύς στο MPP είναι P mp = 104,2W, λίγο μικρότερη από το αντίστοιχο θεωρητικό (P mp = 106W) και επιτυγχάνεται για άμεση σύνδεση στο ιδανικό φορτίο που προέκυψε R opt = 12,6Ω, ελαφρώς μεγαλύτερο από το θεωρητικό (R opt = 11,84Ω). Αυτή η διαφορά οφείλεται στην ακρίβεια του μοντέλου του Φ/Β. 3.2 Προσομοίωση του Ανυψωτή Τάσης (Φορτίο Αντίσταση/Μπαταρία) Αρχικά για την προσομοίωση του μετατροπέα ανύψωσης τάσης αναπτύχθηκε το βασικό μοντέλο του με σταθερή τάση εισόδου, που παρέχεται από μία συνεχή πηγή τάσης και φορτίο μία αντίσταση. Η παλμοδότηση του MOSFET καθ όλη τη διάρκεια της προσομοίωσης, εκτός της υποενότητας του ελέγχου MPPT, πραγματοποιείται από μια παλμογεννήτρια, όπου ο χρήστης εισάγει χειροκίνητα το λόγο κατάτμησης δ στο αντίστοιχο πεδίο. Το μοντέλο του Boost φαίνεται στο σχήμα 3.9. Σχήμα 3.9: Το μοντέλο του Boost στο Simulink

70 Κεφάλαιο 3 ο Σε αυτό το στάδιο της προσομοίωσης επιβεβαιώθηκε η λειτουργία του μετατροπέα στη συνεχή αγωγή (CCM). Η τιμή της αντίστασης στην έξοδο προέκυψε ως εξής: ο μετατροπέας θεωρείται ιδανικός, οπότε στην έξοδο η ισχύς θα είναι ίδια με της εισόδου, δηλαδή 106W. Η ονομαστική τάση εξόδου είναι τα 48V, η οποία είναι και η τάση φόρτισης των μπαταριών. Έτσι, η τιμή της αντίστασης φορτίου είναι: R load = V o 2 P o = = 21,74 22Ω (3.1) Για τη διαστασιολόγηση του πηνίου αρκεί να εξετάσουμε τη χειρότερη περίπτωση λειτουργίας, δηλαδή το μικρότερο δυνατό πηνίο, με το οποίο ο μετατροπέας λειτουργεί στην περιοχή συνεχούς αγωγής. Άρα, το ρεύμα πηνίου θα πρέπει να μη μηδενίζεται κατά τη διάρκεια της διακοπτικής περιόδου. Αυτό συμβαίνει όταν ισχύει η παρακάτω σχέση: (2.15) I o I o,b I o V o δ (1 δ) 2 L f f s 2 L f V o δ (1 δ) 2 I o f s 2 (3.2) Ως χειρότερη περίπτωση θεωρήθηκε όταν η ισχύς εξόδου είναι στο 10% της ονομαστικής, ενώ ο λόγος κατάτμησης παίρνει τη μέγιστη τιμή του. Με τάση εισόδου μέσα στο εύρος τάσης του Φ/Β ( 34V 42V) και τάση εξόδου σταθερή στα 48V, το δ μεγιστοποιείται για τη μικρότερη τάση εισόδου που είναι τα 34V. Οπότε για: η σχέση (3.2) γίνεται: δ = δ max = 1 V i V o = = 0,292 P out = P min = I omin V o I omin = P min V o L f V o δ max (1 δ max ) 2 I omin f s 2 = = 48 0,292 (1 0,292)2 0, L f 320μH 10% P V o = 10,6 48 = 0,221A = 0,318mH 320μH Προκειμένου να εξασφαλιστεί η λειτουργία του μετατροπέα στη συνεχή αγωγή, το μέγεθος του πηνίου διπλασιάστηκε

71 Κεφάλαιο 3 ο Ο πυκνωτής εξόδου επιλέχθηκε δοκιμάζοντας διάφορες τιμές και υπολογίζοντας κάθε φορά την κυμάτωση της τάσης εξόδου σύμφωνα με τον τύπο: ΔV 0 δ = 100% (3.3) V 0 f s R 0 C 0 Πράγματι για δ = 0,5 (μέγιστο δ του μετατροπέα μας) και μέγιστη κυμάτωση 1% η τιμή του πυκνωτή είναι: C 0 δ 0,5 f s R 0 ΔV 100% = = 0,045mF = 45μF 22 0,01 V 0 Τελικά, η τιμή του πυκνωτή εξόδου επιλέχθηκε στα 47μF, έτσι ώστε η κυμάτωση της τάσης εξόδου να είναι μικρότερη από 1%. Οι κυματομορφές που παρουσιάζονται στα σχήματα 3.10 και 3.11 εξήχθησαν από την προσομοίωση του Boost με L f = 640μH, R load = 22Ω, V i = 35V και δ = 0,29, δηλαδή για την ονομαστική του λειτουργία. Με κόκκινο χρώμα εμφανίζονται οι μέσες τιμές των κυματομορφών. Σχήμα 3.10: Κυματομορφές τάσεων του μετατροπέα

72 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.11 Κυματομορφές ρευμάτων και ισχύος του μετατροπέα Παρατηρείται ότι το ρεύμα του πηνίου δε μηδενίζεται, άρα πράγματι βρισκόμαστε στην περιοχή συνεχούς αγωγής. Το ρεύμα αυτό προκύπτει κάθε φορά από το άθροισμα των επιμέρους ρευμάτων της διόδου και του MOSFET. Η τιμή του ελάχιστου (I Lfmin = 2,94A) και του μέγιστου ρεύματος (I Lfmax = 3,25A) συμφωνούν με τους θεωρητικούς τύπους της υποενότητας ενώ η τάση εξόδου είναι περίπου 48V. Η κυμάτωση δε της τάσης εξόδου είναι απόλυτα ικανοποιητική, αφού υπολογίζεται ΔV 0 V 0 = δ f s R 0 C 0 100% = 0, % = 0,561% Στη συνέχεια, αντικαταστήσαμε την αντίσταση φορτίου με το μοντέλο συσσωρευτών που παρέχεται από το Simulink. Το συγκεκριμένο μοντέλο παρέχει τις μετρήσεις τριών βασικών μεγεθών: της τάσης, του ρεύματος και της στάθμης φόρτισης της μπαταρίας (SOC)

73 Κεφάλαιο 3 ο Το μοντέλο μετατροπέα-συσσωρευτών παρουσιάζεται στο σχήμα Σχήμα 3.12: Το μοντέλο του μετατροπέα με φορτίο τη συστοιχία συσσωρευτών Για το μοντέλο των συσσωρευτών χρησιμοποιήθηκε το υπάρχον στη βιβλιοθήκη του Matlab/Simulink, για το οποίο καθορίζονται ως παράμετροι η ονομαστική τάση φόρτισης, η χωρητικότητα και η στάθμη φόρτισης των συσσωρευτών. Η εισαγωγή της μπαταρίας στο σύστημα αυξάνει τη σταθερά χρόνου του συστήματος, με αποτέλεσμα να χρειάζεται αρκετός χρόνος αλλά και ιδιαίτερα μεγάλη υπολογιστική ισχύς, προκειμένου να προσομοιωθεί το μοντέλο της μπαταρίας και να δούμε τα μεγέθη της να αλλάζουν σημαντικά. Η χωρητικότητα της μπαταρίας ρυθμίστηκε στα 12Ah, όσο και η συστοιχία των συσσωρευτών που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα. Η μπαταρία είναι αρχικά φορτισμένη (50% SoC) προκειμένου να παρατηρηθεί η απόκρισή της σε μέσες καταστάσεις φόρτισης. Ο μετατροπέας λειτουργεί με τα ίδια ακριβώς μεγέθη, όπως και όταν υπήρχε ως φορτίο αντίσταση, μόνο που τώρα η μπαταρία παίζει το ρόλο του φορτίου. Τα αποτελέσματα για χρόνο προσομοίωσης 5 sec, φαίνονται από τις παλμογραφήσεις των εν λόγω μεγεθών (Σχήμα 3.13 Σχήμα 3.15). Σχήμα 3.13 Στάθμη φόρτισης των συσσωρευτών

74 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.14: Τάση στα άκρα της συστοιχίας των συσσωρευτών Σχήμα 3.15: Ρεύμα συσσωρευτών Καθώς η μπαταρία δέχεται ισχύ, φορτίζεται και η τάση στα άκρα της αυξάνεται. Το ρεύμα μπαταρίας είναι αρνητικό σε όλη τη διάρκεια φόρτισής της. Αντίθετα, όταν η μπαταρία εκφορτίζεται το ρεύμα της είναι θετικό, ενώ η τάση στα άκρα της μειώνεται αργά. Το ρεύμα ουσιαστικά καθορίζει την κατεύθυνση ισχύος αλλά και την ταχύτητα φόρτισης/εκφόρτισης. Το γεγονός ότι η στάθμη φόρτισης δεν αλλάζει γρήγορα, εξαρτάται από τη χωρητικότητα των μπαταριών αλλά και από το ρεύμα φόρτισης, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως. Όσο μεγαλύτερη χωρητικότητα έχει η μπαταρία, τόσο πιο αργά αλλάζει η στάθμη φόρτισής της και αντίστροφα. Για το ρεύμα ισχύει ακριβώς το αντίθετο, αφού ένα μεγάλο ρεύμα φόρτισης αυξάνει τη στάθμη φόρτισης γρήγορα. Αυτό φαίνεται και από το αρχικό κομμάτι των παραπάνω διαγραμμάτων, όπου ένα μεγάλο ρεύμα φόρτισης αυξάνει απότομα τη στάθμη φόρτισης της μπαταρίας. Τέλος, παρατηρούμε ότι στο 50% της φόρτισης της μπαταρίας, η τάση βρίσκεται στην ονομαστική της τιμή περίπου 48V, σύμφωνα πάντα και με την καμπύλη φόρτισής της

75 Κεφάλαιο 3 ο 3.3 Προσομοίωση Συνολικού Συστήματος (Φ/Β-Μετατροπέας-Φορτίο) Φωτοβολταϊκό σύστημα-μετατροπέας ανύψωσης τάσης-αντίσταση Στο σχήμα 3.16 παρουσιάζεται το μοντέλο του συνολικού συστήματος στο Simulink, με τη σύνδεση του φωτοβολταϊκού και το μετατροπέα να παρεμβάλλεται μεταξύ Φ/Β και φορτίου, το οποίο στη συγκεκριμένη περίπτωση είναι μια αντίσταση. Σχήμα 3.16: Μοντέλο συνολικού συστήματος Φ/Β-Μετατροπέας-Αντίσταση Σε αυτό το στάδιο της προσομοίωσης το MOSFET παλμοδοτείται από την παλμογεννήτρια. Έτσι, ο λόγος κατάτμησης ελέγχεται/ρυθμίζεται από το χρήστη και παραμένει σταθερός σε όλη τη διάρκεια της προσομοίωσης απουσία ελέγχου. Ο λόγος κατάτμησης ελέγχει έμμεσα την τάση του φωτοβολταϊκού και το αναγκάζει να λειτουργήσει σε κάποιο σημείο πάνω στην καμπύλη λειτουργίας του. Το σημείο λειτουργίας του Φ/Β δεν ταυτίζεται απαραίτητα με το MPP, αφού εξαρτάται από την τιμή του δ. Η αυτόματη εύρεση του συγκεκριμένου δ που θα το αναγκάζει να λειτουργεί στο MPP θα γίνεται με τη λειτουργία του ελέγχου, όπως θα δούμε στην επόμενη ενότητα. Σε περίπτωση που για φορτίο έχει συνδεθεί αντίσταση και όχι μία μπαταρία ή μία πηγή τάσης, που κρατούν την τάση εξόδου σταθερή, όπως συμβαίνει στο εν λόγω μοντέλο, η μεταβολή του δ αλλάζει και την τάση εξόδου του μετατροπέα. Στο παραπάνω μοντέλο το δ είναι αυτό που καθορίζει σε ποιο σημείο της καμπύλης θα λειτουργήσει το Φ/Β. Ο έμμεσος έλεγχος της τάσης του Φ/Β και κατά συνέπεια και της ισχύος που αποδίδει το Φ/Β, γίνεται μέσω της αντίστασης που βλέπει το Φ/Β στην έξοδό του. Η αντίσταση εξόδου του μετατροπέα έχει ρυθμιστεί στην ονομαστική της τιμή (22Ω) και παραμένει σταθερή. Έτσι, αλλάζοντας το δ αλλάζει και η τιμή της αντίστασης που βλέπει το Φ/Β

76 Κεφάλαιο 3 ο στην έξοδό του, σύμφωνα με τη σχέση (2.16). Άρα για κάθε διαφορετικό δ έχουμε και ένα διαφορετικό σημείο λειτουργίας. Για να επιτευχθεί η λειτουργία του Φ/Β στο MPP χειροκίνητα, αρκεί να βρεθεί η μοναδική τιμή του δ, για την οποία η αντίσταση που βλέπει το Φ/Β στην έξοδό του είναι ίση με την ιδανική αντίστασή του R opt. Όπως αποδείχθηκε και από την ενότητα 3.1, από την προσομοίωση του μοντέλου του φωτοβολταϊκού, η μέγιστη ισχύς του επιτυγχάνεται για άμεση σύνδεσή του σε φορτίο R opt = 12,6Ω και είναι P mp = 104,2W, με την τάση του φωτοβολταϊκού να είναι 36,3V. Αντικαθιστώντας λοιπόν στη σχέση (2.16) R in = R opt = 12,6Ω και R out = 22Ω, το δ υπολογίζεται δ = 0,25. Πράγματι προσομοιώνοντας το συνολικό σύστημα για χρόνο 0,1 sec και λόγο κατάτμησης δ=0,25, τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν το MPP ως σημείο λειτουργίας, όπως φαίνεται και από τις μετρήσεις στο σχήμα Σχήμα 3.17: Οι τιμές ισχύος, τάσης και του ιδανικού φορτίου του φωτοβολταϊκού Με την εισαγωγή του φωτοβολταϊκού ως πηγή ισχύος αντί της πηγής σταθερής τάσης, που χρησιμοποιήθηκε στις προηγούμενες προσομοιώσεις, προστέθηκε και στο μοντέλο του μετατροπέα ένας πυκνωτής εισόδου Cin. Ο πυκνωτής αυτός λειτουργεί ως φίλτρο στην είσοδο, προκειμένου να σταθεροποιεί την τάση του φωτοβολταϊκού. Τα ευεργετικά αποτελέσματά του φαίνονται στα σχήματα 3.18 και Σχήμα 3.18: Τάση εισόδου μετατροπέα-φ/β χωρίς πυκνωτή εισόδου

77 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.19: Τάση εισόδου μετατροπέα-φ/β με πυκνωτή εισόδου Η τιμή του πυκνωτή επιλέχθηκε μετά από δοκιμές και προσομοιώσεις με σκοπό τη μείωση της κυμάτωσης της τάσης εισόδου. Οποιαδήποτε τιμή πυκνωτή από 10μF και πάνω δίνει ικανοποιητικά αποτελέσματα, αφού η κυμάτωση είναι εξαιρετικά μικρή. Στην προσομοίωση τελικά χρησιμοποιήθηκε η τιμή των 22μF. Τα παλμογραφήματα που παρουσιάζονται στα σχήματα 3.20 και 3.21 επιβεβαιώνουν τις τιμές των μεγεθών των στοιχείων από την προσομοίωση του μετατροπέα. Σχήμα 3.20: Κυματομορφές τάσεων του μετατροπέα

78 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.21: Κυματομορφές ρευμάτων και ισχύος του μετατροπέα Φωτοβολταϊκό σύστημα-μετατροπέας ανύψωσης τάσης-μπαταρία Στο σχήμα 3.22 παρουσιάζεται το μοντέλο του συνολικού συστήματος με φορτίο τη μπαταρία. Σχήμα 3.22: Μοντέλο συνολικού συστήματος Φ/Β-Μετατροπέας-Μπαταρία Και σε αυτό το μοντέλο όπως και στο προηγούμενο, το MOSFET παλμοδοτείται από την παλμογεννήτρια. Ο χρήστης επιλέγει λοιπόν το λόγο κατάτμησης, ο οποίος και εδώ παραμένει

79 Κεφάλαιο 3 ο σταθερός σε όλη τη διάρκεια της προσομοίωσης. Ο χρόνος προσομοίωσης ορίστηκε στα 10 sec, αρκετά μεγαλύτερος σε σχέση με το μοντέλο με φορτίο την αντίσταση. Η μπαταρία έχει χωρητικότητα 12Ah, ενώ είναι 50% φορτισμένη. Το δ ρυθμίστηκε τυχαία στην τιμή δ=0,29 ώστε να διαπιστωθεί η ορθή λειτουργία του μοντέλου. Όλες οι υπόλοιπες τιμές του συστήματος είναι ακριβώς ίδιες με αυτές του μοντέλου με φορτίο την αντίσταση. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης φαίνονται στα σχήματα 3.23 ως Σχήμα 3.23: Στάθμη φόρτισης της μπαταρίας Σχήμα 3.24: Ρεύμα μπαταρίας Σχήμα 3.25: Τάση στα άκρα της μπαταρίας Σχήμα 3.26: Τάση εξόδου φωτοβολταϊκού

80 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.27: Ισχύς φωτοβολταϊκού Στη συγκεκριμένη περίπτωση, όλη η ισχύς που παράγει το φωτοβολταϊκό απορροφάται από την μπαταρία. Η μπαταρία φορτίζεται και η τάση στα άκρα της αυξάνεται. Επειδή ο λόγος κατάτμησης παραμένει σταθερός, η τάση του φωτοβολταϊκού (που αποτελεί και τάση εισόδου του μετατροπέα Boost) αυξάνεται ελαφρώς, καθώς αυξάνεται και η τάση στα άκρα της μπαταρίας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η ισχύς που παράγει το Φ/Β να αυξάνεται, αφού η τάση του πλησιάζει το V mp. Η συγκεκριμένη αλληλουχία συνεχίζεται μέχρις ότου η τάση της μπαταρίας αυξηθεί τόσο, ώστε για να παραμείνει ο λόγος κατάτμησης σταθερός, η τάση του Φ/Β θα πρέπει να ξεπεράσει το V mp και να συνεχίζει να αυξάνεται πέρα από αυτό. Τότε προφανώς, η ισχύς θα αρχίσει να μειώνεται με τελικό αποτέλεσμα να μηδενιστεί εντελώς, όταν η τάση του Φ/Β γίνει ίση με την τάση V oc. Στην ουσία, με τη μπαταρία ως φορτίο και σταθερό το λόγο κατάτμησης, το Φ/Β διαγράφει ένα μέρος της καμπύλης ισχύος του. 3.4 Προσομοίωση Συνολικού Συστήματος με Έλεγχο MPPT/Intermittent Charging Ο έλεγχος που εφαρμόστηκε στην παρούσα διπλωματική εργασία στηρίζεται στη μέθοδο Perturb & Observe (P&O), αλλά περιλαμβάνει και κάποια επιπλέον χαρακτηριστικά. Στο σχήμα 3.28 φαίνεται η δομή του ελέγχου, όπως αναπτύχθηκε στο λογισμικό Simulink. Σχήμα 3.28: Δομικό διάγραμμα ελέγχου στο Simulink

81 Κεφάλαιο 3 ο Το block του ελέγχου του σχήματος 3.28 έχει σαν έξοδο δύο μεγέθη: το δ που είναι είσοδος στη γεννήτρια PWM και το flag, μία μεταβλητή που δείχνει σε ποια κατάσταση βρίσκεται το πρόγραμμα (MPPT/αποκοπή). Ο έλεγχος MPPT μπορεί να πραγματοποιηθεί με δύο τρόπους: είτε με συνδυασμό έτοιμων blocks του Simulink, είτε με το block Matlab Function και συγγραφή κώδικα μέσα σε αυτό. Από την αρχή επιλέχθηκε ο δεύτερος τρόπος λόγω ευκολίας παρεμβάσεων στον έλεγχο, αλλά και γενικότερα στην πληθώρα των πλεονεκτημάτων που προσφέρει ο προγραμματισμός. Η παλμοδότηση του MOSFET δε γίνεται πια με παλμογεννήτρια, όπου ο λόγος κατάτμησης παραμένει σταθερός και αλλάζει μόνο χειροκίνητα. Οι παλμοί, με τη λειτουργία του ελέγχου, παράγονται από ένα block (PWM Generator), όπου ο λόγος κατάτμησης αλλάζει όσο συχνά απαιτεί ο έλεγχος. Στην ουσία, το block αυτό δέχεται το δ που εξάγει ο αλγόριθμος ελέγχου και άμεσα παράγει παλμούς ανάλογα με τη συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέα. Για τη λειτουργία του ελέγχου που εφαρμόστηκε, ο αλγόριθμος (ο κώδικας του οποίου μπορεί να βρεθεί στο Παράρτημα Β) συλλέγει δεδομένα για 4 μεγέθη του συστήματος: Τάση εξόδου Φ/Β Ρεύμα εξόδου Φ/Β Τάση μπαταρίας Ρεύμα μπαταρίας Τα δύο πρώτα χρησιμοποιούνται προκειμένου να υπολογιστεί η ισχύς του Φ/Β και να υλοποιηθεί η μέθοδος Διαταραχής και Παρατήρησης. Τα άλλα δύο μεγέθη αφορούν τη μπαταρία και μετριούνται προκειμένου να διασφαλιστεί η ορθή λειτουργία των συσσωρευτών μέσα στα πλαίσια που ορίζονται από τον κατασκευαστή και η αύξηση της περιόδου καλής λειτουργίας των συσσωρευτών. Η τάση φόρτισης των συσσωρευτών είναι τα 48V. Ωστόσο, καθώς φορτίζονται, η τιμή αυτή μπορεί να ξεπεραστεί. Το ανώτατο όριο της τάσης στα άκρα της μπαταρίας ορίζεται από τον κατασκευαστή και συνήθως είναι 1-1,2V για κάθε μπαταρία/κελί στη συστοιχία. Στη συγκεκριμένη εφαρμογή χρησιμοποιήθηκαν 4 μπαταρίες, οπότε το όριο τάσης μπαταριών ορίστηκε στα 52V. Παρατεταμένη φόρτιση των συσσωρευτών υπό τάση που ξεπερνά αυτό το όριο, θέτει σε κίνδυνο τη συστοιχία των συσσωρευτών, αφού μπορεί να προκαλέσει μείωση της αποδοτικότητάς τους, μείωση του κύκλου ζωής ή ακόμα και πλήρη καταστροφή τους. Αντί

82 Κεφάλαιο 3 ο στοιχα αποτελέσματα μπορεί να προκαλέσει και η αύξηση του ρεύματος πέραν του ορίου ρεύματος των μπαταριών που ορίστηκε στα 4A. Ο έλεγχος που εφαρμόστηκε συνδυάζει τη μέθοδο απομάστευσης μέγιστης ισχύος P&O και τη μέθοδο φόρτισης μπαταριών, Διακοπτόμενης Φόρτισης (Intermittent Charging). Στον αλγόριθμο που εφαρμόστηκε υπάρχουν τρία όρια/τιμές, που καθορίζουν τις καταστάσεις λειτουργίας του συστήματος. Αυτά τα όρια είναι τα δύο ανώτατα όρια τάσης και ρεύματος που μπορεί να αντέξει η μπαταρία σύμφωνα με τον κατασκευαστή της, καθώς και το κάτω όριο της μεθόδου Intermittent Charging. Το άνω όριο της μεθόδου αυτής είναι το ίδιο με το ανώτατο όριο τάσης που όρισε ο κατασκευαστής και αναφέρθηκε προηγουμένως. Έτσι, για όση ώρα οι συσσωρευτές λειτουργούν κάτω από τα όρια τάσης και ρεύματος, που έχουν οριστεί από τον κατασκευαστή, ο έλεγχος που εκτελείται είναι ο MPPT. Σε αυτό το στάδιο, το πάνελ λειτουργεί πολύ κοντά και γύρω από το σημείο μέγιστης ισχύος. Όταν κάποιο από αυτά τα δύο ανώτατα όρια ξεπεραστεί, το Φ/Β οδηγείται σταδιακά μέσω του αλγορίθμου στην αποκοπή (ανοιχτοκύκλωμα), μειώνοντας το λόγο κατάτμησης, με αποτέλεσμα η τάση του Φ/Β να πλησιάζει την V oc [25][26]. Ο έλεγχος MPPT θα ενεργοποιηθεί ξανά, μόνο αν η τάση της μπαταρίας μειωθεί τόσο, ώστε να φτάσει το κάτω όριο της μεθόδου Διακοπτόμενης Φόρτισης. Το κάτω όριο λοιπόν λειτουργεί σαν τιμή ενεργοποίησης του MPPT, ενώ τα άνω όρια σαν τιμές απενεργοποίησής του. Σε περίπτωση που δεν υπήρχε το κάτω όριο για την επανενεργοποίηση του MPPT, το φωτοβολταϊκό θα παρέμενε για πάντα στην αποκοπή μετά την πρώτη απενεργοποίηση του MPPT, λόγω παραβίασης κάποιου εκ των δύο άνω ορίων, με αποτέλεσμα το σύστημα να βγαίνει μόνιμα εκτός λειτουργίας. Σε περίπτωση δε, που ο MPPT ενεργοποιούνταν και απενεργοποιούνταν από το ίδιο άνω όριο (την ανώτατη τάση της μπαταρίας) θα υπήρχε σοβαρός κίνδυνος ο αλγόριθμος να εγκλωβιστεί σε μία τέτοια κατάσταση χωρίς διέξοδο διαφυγής. Για παράδειγμα, αν η τάση της μπαταρίας ξεπεράσει την ανώτατη τάση φόρτισής της, τότε ο έλεγχος ορθά θα μειώσει το δ προκειμένου να οδηγήσει το Φ/Β στην αποκοπή, με απώτερο σκοπό να μειώσει την τάση στα άκρα της μπαταρίας. Μόλις η τάση λοιπόν μειωθεί λίγο κάτω από την ανώτατη τάση της μπαταρίας, ο MPPT θα ενεργοποιούνταν ξανά μέσω του αλγορίθμου, με αποτέλεσμα τη φόρτιση της μπαταρίας και την αύξηση της τάσης της. Άμεσα όμως θα παραβιαζόταν πάλι το

83 Κεφάλαιο 3 ο ανώτατο όριο τάσης της μπαταρίας και θα επακολουθούσε ο ίδιος φαύλος κύκλος, εγκλωβίζοντας τον αλγόριθμο σε έναν ατέρμονα βρόχο. Κατά συνέπεια, τα όρια ενεργοποίησης και απενεργοποίησης του MPPT πρέπει να απέχουν το ένα από το άλλο κατά ένα διάστημα που να προφυλάσσουν τον έλεγχο από τέτοιου είδους αδιέξοδα. Άρα, η συχνότητα εκτέλεσης του αλγορίθμου πρέπει από τη μία πλευρά να είναι αρκετά μικρή, ώστε να προλαβαίνει το σύστημα να μπαίνει σε μόνιμη κατάσταση και να μη λαμβάνει λανθασμένα δεδομένα από μεταβατικά φαινόμενα και από την άλλη πλευρά να είναι αρκετά μεγάλη για να εντοπίζει γρήγορα την παραβίαση των ορίων ασφαλείας των συσσωρευτών, ώστε να λαμβάνει τις κατάλληλες αποφάσεις. Η συχνότητα εκτέλεσης του αλγορίθμου στην προσομοίωση ελέγχεται από μία παλμογεννήτρια που ενεργοποιεί (κάνει trigger) το block του ελέγχου. Ο χρόνος προσομοίωσης είναι 30 sec, ενώ η περίοδος της παλμογεννήτριας του αλγορίθμου είναι τα 0,15 sec. Το βήμα του λόγου κατάτμησης είναι Dstep=0,005. Στο σχήμα 3.29 φαίνεται το συνολικό μοντέλο του συστήματος με φορτίο την μπαταρία αλλά και ένα μεταβλητό φορτίο που προσομοιώνεται από μία ελεγχόμενη πηγή ρεύματος. Η στάθμη φόρτι- Σχήμα 3.29: Μοντέλο αυτόνομου Φ/Β συστήματος με έλεγχο Intermittent Charging και φορτίο μπαταρία και αντίσταση σης της μπαταρίας ρυθμίστηκε στο 90% SoC, ενώ η χωρητικότητα της μπαταρίας επιλέχθηκε στο 1,5Ah για να μπορέσουμε να επιβεβαιώσουμε τη σωστή λειτουργία του ελέγχου σε παραβίαση των ορίων ασφαλείας των συσσωρευτών, κάτι που θα απαιτούσε εξαιρετικά μεγάλη υπολογιστική ισχύ και αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα προσομοίωσης, αν το σύστημα προσομοιωνόταν για τις πραγματικές τιμές των συσσωρευτών. Το φορτίο που προσομοιώνεται

84 Κεφάλαιο 3 ο από την ελεγχόμενη πηγή ρεύματος, αρχικά δεν απορροφά ρεύμα και είναι σα να μην υπάρχει στο κύκλωμα. Το φορτίο απορροφά ισχύ από τα 3 sec και μετά, αφού τότε ενεργοποιείται η πηγή ρεύματος, όπως ακριβώς εισέρχονται και στα διασυνδεδεμένα συστήματα τα πραγματικά φορτία. Το ρεύμα που θα απορροφήσει το φορτίο μετά τα 3 sec έχει οριστεί στο 1,5A. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης φαίνονται στα σχήματα 3.30 ως Σχήμα 3.30: Στάθμη φόρτισης συσσωρευτών (State of Charge) Σχήμα 3.31: Ρεύμα συσσωρευτών Σχήμα 3.32: Τάση στα άκρα των συσσωρευτών

85 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.33: Σημαία για την κατάσταση του αλγορίθμου (Παράρτημα Β) Σχήμα 3.34: Η τάση εξόδου του φωτοβολταϊκού Σχήμα 3.35: Λόγος κατάτμησης δ Σχήμα 3.36: Ισχύς εξόδου φωτοβολταϊκής συστοιχίας

86 Κεφάλαιο 3 ο Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, ο έλεγχος αν και εφαρμόζεται σε μπαταρία μικρής χωρητικότητας επιτελεί την επιθυμητή λειτουργία του συστήματος. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης μπορούν να αναλυθούν σε χρονικά διαστήματα. Από 0 sec έως 3 sec: Σε αυτό το διάστημα, το φορτίο στην έξοδο του μετατροπέα είναι μόνο η μπαταρία. Στην εκκίνηση, παρατηρείται μία απότομη μεταβολή σε όλες τις γραφικές παραστάσεις, που τερματίζεται στα 0.15 sec, λόγω μεταβατικών φαινομένων. Με το πέρασμα λοιπόν αυτού του χρονικού διαστήματος, τα μεγέθη λαμβάνουν τις τιμές εκκίνησής τους και ο αλγόριθμος εκτελείται για πρώτη φορά. Η αρχική τιμή του λόγου κατάτμησης είναι δ=0,18. Η τάση και το ρεύμα της μπαταρίας ελέγχονται μέσω του αλγορίθμου, προκειμένου να ληφθεί απόφαση για τον αν θα εκτελεστεί MPPT έλεγχος ή αν θα οδηγηθεί το Φ/Β στην αποκοπή. Η τάση και το ρεύμα αυτή τη χρονική στιγμή δεν ξεπερνούν τα όρια που έχουν τεθεί από τον κατασκευαστή, οπότε ορθά λαμβάνεται απόφαση μέσω του αλγορίθμου να εκτελεστεί ο έλεγχος MPPΤ και έτσι αυξάνεται ο λόγος κατάτμησης. Καθώς κανένα από τα δύο όρια δεν έχει παραβιαστεί, η αύξηση του δ συνεχίζεται στις επόμενες εκτελέσεις του αλγορίθμου, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η ισχύς εξόδου του Φ/Β και η μπαταρία να φορτίζεται με αυξανόμενο ρυθμό. Καθώς η μπαταρία φορτίζεται, παρατηρείται αύξηση της τάσης της, ενώ το ρεύμα της αυξάνεται και αυτό αφού απορροφά όλο και περισσότερη ισχύ. Στα 2,5 sec περίπου, η τάση στα άκρα της μπαταρίας ξεπερνά τα 52V, που είναι το ανώτατο όριο καλής λειτουργίας της. Στην αμέσως επόμενη εκτέλεση του αλγορίθμου, θα πρέπει να ληφθεί απόφαση προκειμένου να μειωθεί η τάση στα άκρα της. Αυτό θα γίνει σταματώντας τη λειτουργία του MPPT ελέγχου και οδηγώντας το Φ/Β στην αποκοπή. Πράγματι, ο λόγος κατάτμησης αρχίζει να μειώνεται, οδηγώντας την τάση του Φ/Β όλο και πιο κοντά στην V oc. Η τάση της μπαταρίας ωστόσο, συνεχίζει να αυξάνεται καθώς η μπαταρία συνεχίζει να δέχεται ισχύ με αποτέλεσμα να συνεχίζεται η φόρτισή της. Η διαφορά με πριν, είναι ότι τώρα η φόρτιση είναι όλο και πιο αργή, αφού το Φ/Β αποδίδει όλο και πιο λίγη ισχύ στη μπαταρία. Αυτή η διαδικασία συνεχίζεται μέχρι τα 3 sec. Από 3 sec έως 6 sec: Στο 3 ο sec το φορτίο που προσομοιώνεται από την πηγή ρεύματος εισέρχεται στο σύστημα. Προκειμένου να εξυπηρετηθεί το φορτίο θα τραβήξει την ισχύ που χρειάζεται, είτε από το Φ/Β, είτε από την μπαταρία. Τη συγκεκριμένη στιγμή, η τάση της μπαταρίας δεν έχει πέσει κάτω

87 Κεφάλαιο 3 ο από το όριο των 50V που απαιτείται, ώστε ο έλεγχος MPPT να εκτελεστεί ξανά, με αποτέλεσμα ο λόγος κατάτμησης να συνεχίζει να μειώνεται σε κάθε κύκλο του ελέγχου, αυξάνοντας την τάση του Φ/Β όλο και πιο πολύ (τείνει στο V oc ). Όλο αυτό το διάστημα, η ισχύς του Φ/Β δεν αρκεί για να εξυπηρετήσει το φορτίο, με αποτέλεσμα να τραβάει ισχύ από την μπαταρία. Αυτό φαίνεται και από τη μείωση της στάθμης φόρτισης της μπαταρίας, καθώς και από την απότομη μείωση της τάσης της μπαταρίας τη χρονική στιγμή που το φορτίο-πηγή ρεύματος εισέρχεται στο σύστημα. Στη συνέχεια, η τάση συνεχίζει να μειώνεται αλλά με μικρότερη και σταθερή κλίση, αφού το φορτίο δε μεταβάλλεται. Αντίστοιχα, το ρεύμα της μπαταρίας αυξάνεται απότομα στα 3 sec και μάλιστα αλλάζει και πρόσημο, γεγονός που δικαιολογείται απόλυτα, αφού η μπαταρία αποδίδει ισχύ κατά τη διάρκεια αυτού του διαστήματος. Όσο περισσότερο πλησιάζει στην αποκοπή το Φ/Β, τόσο πιο πολύ ρεύμα τραβάει το φορτίο από την μπαταρία, γι αυτό και το ρεύμα της μπαταρίας συνεχίζει να αυξάνεται με διαφορετικό ρυθμό κάθε φορά. Το Φ/Β τελικά φτάνει σχεδόν στην αποκοπή λίγο πριν τα 5 sec. Η ισχύς του είναι σχεδόν μηδενική, ενώ το δ συνεχίζει να μειώνεται ορθά, καθώς η τάση στα άκρα της μπαταρίας δεν έχει ακόμα μειωθεί κάτω από το ελάχιστο όριο των 50V, που απαιτείται προκειμένου να εκτελεστεί εκ νέου ο MPPT και να αποδοθεί ισχύς στην μπαταρία ξανά. Αυτό συνεχίζεται μέχρι περίπου τα 6 sec. Σε αυτό το σημείο, θα πρέπει να αναφερθεί πως απουσία φορτίου, θα υπήρχε και πάλι μείωση της τάσης των συσσωρευτών, λόγω αυτοεκφόρτισης, αλλά αυτό θα γινόταν εξαιρετικά αργά και θα αφορούσε ένα σχεδόν αμελητέο ποσοστό. Επίσης, με διαφορετικό ρυθμό θα εκφορτιζόταν η μπαταρία, αν το φορτίο απορροφούσε διαφορετική ποσότητα ισχύος, καθώς κι αν οι μπαταρίες είχαν διαφορετική χωρητικότητα. Ένα μεγαλύτερο φορτίο θα εκφόρτιζε την μπαταρία ταχύτερα. Το ίδιο θα συνέβαινε, αν η μπαταρία ήταν λιγότερων αμπερωρίων και αναλόγως για τα αντίστροφα. Από 6 sec έως 15 sec: Στο 6 ο sec, η τάση στα άκρα της μπαταρίας έχει πέσει κάτω από τα 50V, το οποίο είναι το όριο επανεκκίνησης του ελέγχου MPPT. Στην αμέσως επόμενη εκτέλεση του αλγορίθμου, αυτό το συμβάν γίνεται αντιληπτό και άμεσα ενεργοποιείται ο έλεγχος MPPT. Με αυτόν τον τρόπο, υποδεικνύεται στον αλγόριθμο πως η μπαταρία είναι ξανά έτοιμη να δεχθεί ισχύ. Ο λόγος κατάτμησης αρχίζει και αυξάνεται, με αποτέλεσμα η τάση του Φ/Β να μειώνεται και να πλησιάζει συνεχώς το V mp. Προφανώς, η ισχύς του αυξάνεται σταδιακά, καθώς αλλάζει το δ

88 Κεφάλαιο 3 ο πλησιάζοντας την αντίστοιχη τιμή P mp. Προσοχή θα πρέπει να δοθεί στο διάστημα αμέσως μετά τα 6 sec, όπου το φορτίο/πηγή ρεύματος εξυπηρετείται ξανά και από την μπαταρία και από το Φ/Β. Για αυτόν ακριβώς το λόγο, η μπαταρία συνεχίζει να εκφορτίζεται για ένα μικρό διάστημα μετά την έναρξη αύξησης του δ. Η μπαταρία σταματά να συμβάλει στην τροφοδοσία του φορτίου σταθερού ρεύματος, μόνο όταν το Φ/Β πια αποδίδει αρκετή ισχύ για την εξυπηρέτησή του. Αυτό συμβαίνει όταν το ρεύμα της μπαταρίας μηδενίζεται για ένα πολύ μικρό χρονικό διάστημα κοντά στα 7 sec. Από το σημείο αυτό και έπειτα, η μπαταρία έχει αρνητικό ρεύμα, που σημαίνει πως δέχεται ισχύ ξανά και φορτίζεται. Σωστά λοιπόν παρατηρείται αύξηση της στάθμης φόρτισης. Καθώς αυξάνεται η ισχύς που παράγει το Φ/Β αυξάνεται και η περίσσεια ισχύος. Αυτό το ποσοστό κατευθύνεται στην μπαταρία, η οποία φορτίζεται όλο και πιο γρήγορα, γεγονός που φαίνεται και από την αύξηση του ρεύματός της κατά απόλυτη τιμή. Λίγο μετά το 10 ο sec, ο αλγόριθμος ανιχνεύει εν τέλει το σημείο μέγιστης ισχύος. Αυτό είναι προφανές, αφού η τάση του Φ/Β ταλαντώνεται γύρω από την τιμή V mp, ενώ η ισχύς του παραμένει σταθερή και ίση με P mp = 104,2W. Το δ ταλαντώνεται γύρω από την τιμή 0,3. Καθώς όμως συνεχίζεται η φόρτιση της μπαταρίας με το μέγιστο δυνατό ρυθμό είναι προφανές πως ο λόγος κατάτμησης ταλαντώνεται γύρω από όλο και μεγαλύτερη τιμή, ενώ η ισχύς και η τάση του Φ/Β παραμένουν στις αντίστοιχες τιμές του MPP. Αυτό είναι απόλυτα λογικό και επιθυμητό για τον παρακάτο λόγο: όταν η μπαταρία φορτίζεται, αυξάνεται η τάση στα άκρα της, όπως έχει αναφερθεί και προηγουμένως. Έτσι, κάθε φορά ο λόγος κατάτμησης που θα εξασφαλίζει τη λειτουργία του Φ/Β στο MPP, θα δίνεται από τη συνάρτηση μεταφοράς του Boost ως εξής: V bat = 1 V mp 1 δ Όσο αυξάνεται λοιπόν η τάση στα άκρα της μπαταρίας, αναλόγως θα αυξάνεται και ο λόγος κατάτμησης, ώστε να λειτουργεί το Φ/Β στο MPP. Κατά το διάστημα λειτουργίας στο MPP, το ρεύμα της μπαταρίας παραμένει σταθερό και περίπου ίσο με 0,5A, που πρόκειται για τη διαφορά του ρεύματος εξόδου I ο, μείον το ρεύμα φορτίου, που είναι 1,5A. Η κατάσταση αυτή συνεχίζεται μέχρι τα 15 sec, όπου η τάση της μπαταρίας ξεπερνά ξανά το ανώτατο όριό της, σύμφωνα πάντα με τον κατασκευαστή. Κατά συνέπεια, ακολουθείται η ίδια πορεία όπως και πριν, με τη μόνη διαφορά να είναι, ότι το φορτίο σταθερού ρεύματος παραμένει στο σύστημα σε όλο το διάστημα μέχρι το τέλος της προσομοίωσης

89 Κεφάλαιο 3 ο Εν τέλει, η στάθμη φόρτισης της μπαταρίας αυξάνεται κάθε φορά σε επίπεδο υψηλότερο από το προηγούμενο μέγιστο. Οι συσσωρευτές λοιπόν φορτίζονται, παρότι υπάρχουν μικρά διαστήματα εκφόρτισής τους. Αυτό βέβαια έχει να κάνει με το μέγεθος τόσο του φορτίου, όσο και της μπαταρίας. Σε μπαταρίες με μεγαλύτερη χωρητικότητα, το διάστημα που το Φ/Β λειτουργεί στο σημείο μέγιστης ισχύος είναι αρκετά μεγαλύτερο, καθώς η τάση στα άκρα της μπαταρίας αλλάζει με πολύ πιο αργό ρυθμό με αποτέλεσμα το όριο τάσης να ξεπερνάται πολύ πιο αργά και αραιά. Αντίστοιχα, το διάστημα που το Φ/Β παραμένει στην αποκοπή είναι μικρότερο αν το φορτίο σταθερού ρεύματος είναι μεγαλύτερο, αφού καταφέρνει να εκφορτίσει τη μπαταρία και να ρίξει τα επίπεδα τάσης της κάτω από το όριο των 50V γρηγορότερα. Στη συνέχεια παρουσιάζονται στα σχήματα 3.36 ως 3.42, τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του ίδιου ακριβώς μοντέλου με πριν, αλλά με τη διαφορά, πως η στάθμη φόρτισης της μπαταρίας έχει αρχική τιμή 50%. Το φορτίο και όλα τα υπόλοιπα μεγέθη είναι τα ίδια με πριν, ενώ πάλι το σύστημα προσομοιώνεται για 30 sec. Σχήμα 3.36: Στάθμη φόρτισης συσσωρευτών (State of Charge) Σχήμα 3.37: Ρεύμα συσσωρευτών Σχήμα 3.38: Τάση στα άκρα των συσσωρευτών

90 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.39: Σημαία για την κατάσταση του αλγορίθμου (Παράρτημα Β) Σχήμα 3.40: Η τάση εξόδου του φωτοβολταϊκού Σχήμα 3.41: Λόγος κατάτμησης δ Σχήμα 3.42: Ισχύς εξόδου φωτοβολταϊκής συστοιχίας

91 Κεφάλαιο 3 ο Από 0 sec έως 3 sec: Το σύστημα ξεκινά τη λειτουργία του με την τάση των συσσωρευτών να βρίσκεται περίπου στην τιμή των 48V. Έτσι, κατά την πρώτη εκτέλεση του αλγορίθμου, ενεργοποιείται σωστά ο έλεγχος MPPT. Αυτό φαίνεται φυσικά από τη σταδιακή αύξηση του λόγου κατάτμησης και τη μείωση της τάσης εξόδου του φωτοβολταϊκού, προκειμένου να κατέβει στην τιμή V mp από την τιμή V oc, που ήταν αρχικά όταν ξεκίνησε η προσομοίωση. Σε αυτό το διάστημα, η ισχύς αυξάνεται συνεχώς, με αποτέλεσμα η μπαταρία να φορτίζεται, γεγονός που επιβεβαιώνεται από την αύξηση της τάσης στα άκρα της καθώς και την αύξηση της στάθμης της. Το ρεύμα έχει αρνητικό πρόσημο, κάτι που είναι εύλογο, αφού η μπαταρία δέχεται ισχύ. Από 3 sec ως 30 sec: Στο 3 ο sec το φορτίο/πηγή ρεύματος εισέρχεται στο σύστημα. Εκείνη τη στιγμή, η τάση στα άκρα των συσσωρευτών είναι ακόμα κάτω από το άνω όριο των 52V, συνεπώς συνεχίζεται η λειτουργία του MPPT. Το δ συνεχίζει να αυξάνεται, ενώ η τάση εξόδου του φωτοβολταϊκού συνεχίζει να προσεγγίζει την τιμή V mp. Η μπαταρία συνεχίζει να φορτίζεται με τη μόνη διαφορά ότι τώρα αυτό γίνεται πιο αργά. Αυτό συμβαίνει γιατί το φορτίο τραβάει ισχύ από το Φ/Β. Η μπαταρία λοιπόν δέχεται μόνο το υπόλοιπο της ισχύος που δε χρησιμοποιείται από το φορτίο. Η εισαγωγή του φορτίου στο σύστημα προκαλεί μία απότομη μεταβολή του ρεύματος και της τάσης της μπαταρίας. Από τα 2A περίπου που δεχόταν η μπαταρία πριν συνδεθεί το φορτίο στο σύστημα, πέφτει (κατά απόλυτη τιμή) στα 0,5A, που είναι η διαφορά του 1,5A που απαιτεί το φορτίο, από το συνολικό ρεύμα εξόδου. Η πιο αργή φόρτιση της μπαταρίας επιβεβαιώνεται και από την αλλαγή (μείωση) της κλίσης της γραφικής απεικόνισης του SoC. Κοντά στο 4 ο sec, ο έλεγχος ανιχνεύει το Σημείο Μέγιστης Ισχύος MPP. Το δ ταλαντώνεται γύρω από την τιμή 0,29-0,3 και αυξάνεται καθώς αυξάνεται και η τάση στα άκρα των συσσωρευτών, προκειμένου η τάση του φωτοβολταϊκού να ταλαντώνεται γύρω από την τιμή V mp και παράγει τη μέγιστη δυνατή ισχύ, όπως αναλύθηκε και στην προηγούμενη προσομοίωση. Η ισχύς του φωτοβολταϊκού παίρνει τη μέγιστη τιμή της (104,2W) και παραμένει σε αυτή μέχρι το τέλος της προσομοίωσης. Παρατηρείται λοιπόν, ότι ο έλεγχος MPPT δεν απενεργοποιείται σε αυτό το σενάριο προσομοίωσης (τουλάχιστον στα 30 πρώτα sec), αφού παρόλο που η τάση των συσσωρευτών αυξάνεται, δεν παραβιάζεται κάποιο από τα δύο άνω όρια (όρια απενεργοποίησης MPPT/όριο Intermittent Charging)

92 Κεφάλαιο 3 ο

93 Κεφάλαιο 4 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΤΑΣΗΣ Στο παρόν κεφάλαιο περιγράφεται η διαδικασία επιλογής των στοιχείων για την κατασκευή ολόκληρης της πλακέτας, τόσο αυτών του κυκλώματος ισχύος, όσο και αυτών του κυκλώματος ελέγχου και επικοινωνίας με το χρήστη. Η κατασκευή της πλακέτας πραγματοποιήθηκε σε τυπωμένη πλάκα χαλκού διπλής όψης. Στο Παράρτημα Α παρουσιάζονται όλα τα απαραίτητα κυκλώματα για τη λειτουργία του ανυψωτή, τα οποία σχεδιάσθηκαν με τη βοήθεια του ελεύθερου λογισμικού KiCad. Τέλος, στο Παράρτημα Γ παρατίθενται τα τεχνικά φυλλάδια των κατασκευαστών των σημαντικότερων στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή της παρούσας διπλωματικής εργασίας. 4.1 Κύκλωμα Ισχύος του Μετατροπέα Ανύψωσης Τάσης-Boost Επιλογή του ελεγχόμενου ημιαγωγικού στοιχείου ισχύος Για την υλοποίηση του μετατροπέα είναι απαραίτητο ένα ελεγχόμενο ημιαγωγικό στοιχείο ισχύος. Το στοιχείο αυτό θα μπορούσε να είναι ένα τρανζίστορ BJT, MOSFET ή IGBT. Τελικά, επιλέχθηκε το MOSFET, γιατί είναι απλό και εύκολο στην έναυση και σβέση του και επειδή οι ταχύτητες μετάβασης είναι αρκετά υψηλές σε σχέση με άλλα ημιαγωγικά στοιχεία. Το μεγαλύτερο όμως πλεονέκτημά του είναι, ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε αρκετά υψηλές αλλά και σε μέτριες διακοπτικές συχνότητες λειτουργίας, όπως είναι τα 50kHz. Αυτός είναι και ο κύριος λόγος επιλογής του ως διακοπτικό στοιχείο του μετατροπέα Boost, για να έχουμε ως αποτέλεσμα μία διάταξη χαμηλού βάρους και όγκου. Το MOSFET είναι το βασικό στοιχείο του μετατροπέα ανύψωσης τάσης, αφού είναι εκείνο, που λειτουργεί σα διακόπτης και ελέγχει τη ροή του ρεύματος μέσα από το πηνίο. Από την προσομοίωση γνωρίζουμε, ότι το μέγιστο ρεύμα που θα διαπεράσει το διακοπτικό στοιχείο, είναι ίσο με το ρεύμα του πηνίου που ισούται με 3,51Α, ενώ η τάση που πρέπει να αντέχει είναι η τάση εξόδου που ισούται με 48V στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Παρόλα αυτά, το ημιαγωγικό στοιχείο θα πρέπει να αντέχει και τυχόν υπερτάσεις που θα παρατηρηθούν εξαιτίας

94 Κεφάλαιο 4 ο του πηνίου, για αυτό και επιλέξαμε MOSFET που καλύπτει τις προδιαγραφές που αναφέραμε. Αυτό είναι το μοντέλο STF30N10F7 της εταιρίας STMicroelectronics με τύπο περιβλήματος TO-220FP και χαρακτηριστικά: Μέγιστη τάση λειτουργίας VDS=100V Μέγιστο ενεργό ρεύμα λειτουργίας ID=24A Αντίσταση αγωγής RDS(on)=24mΩ Το MOSFET και το κυκλωματικό του σύμβολο παρουσιάζεται στο σχήμα 4.1 που ακολουθεί. Σχήμα 4.1: Το MOSFET ισχύος STF30N10F7 της εταιρίας STMicroelectronics Επιλογή διόδου ελεύθερης διέλευσης Η επιλογή της διόδου ελεύθερης διέλευσης, όπως και στο MOSFET, έγινε με βάση τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Η μέση τιμή του ρεύματος που διαρρέει τη δίοδο σε μόνιμη κατάσταση είναι 2,19 2,2Α. Ωστόσο, η δίοδος επιλέχθηκε, ώστε να αντέχει το μέγιστο ρεύμα που θα τη διαπεράσει που είναι 2,5Α. Επίσης, από τη θεωρία του μετατροπέα ανύψωσης τάσης, που αναλύθηκε και στο Κεφάλαιο 2, η τάση που εφαρμόζεται πάνω στη δίοδο είναι η τάση εξόδου του μετατροπέα, δηλαδή τα 48V. Επιλέχθηκε λοιπόν, η δίοδος NTSJ30U80CTG της εταιρείας ON Semiconductor με τάση αντοχής τα 80V και μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα τα 15A. Το κυκλωματικό σύμβολο και τα χαρακτηριστικά μεγέθη της φαίνονται στο σχήμα 4.2. Σχήμα 4.2: Χαρακτηριστικά μεγέθη και κυκλωματικό σύμβολο της διόδου NTSJ30U80CTG

95 Κεφάλαιο 4 ο Τα χαρακτηριστικά της διόδου αυτής, υπερκαλύπτουν τις απαιτήσεις μας, οπότε μπορεί να λειτουργήσει με ασφάλεια, ακόμα και σε μια πιθανή υπέρταση ή υπέρρευμα. Αξίζει να σημειωθεί, ότι η παραπάνω συσκευή περιέχει δύο διόδους με συνδεμένη κάθοδο. Όπως φαίνεται και στα σχέδια στο Παράρτημα Α, εμείς χρησιμοποιήσαμε τη μία από τις δύο Υπολογισμός και επιλογή απαγωγού θερμότητας (ψυκτικού) Κάθε ημιαγωγικό στοιχείο λειτουργεί κάτω από συγκεκριμένα όρια θερμοκρασίας, όπου αν ξεπεραστούν, τότε τίθενται σε κίνδυνο τόσο τα ίδια τα στοιχεία, όσο και ολόκληρη η διάταξη στην οποία βρίσκονται. Η αύξηση της θερμοκρασίας στα ημιαγωγικά στοιχεία οφείλεται στις διακοπτικές απώλειες και στις απώλειες αγωγής. Προκειμένου να προστατευθούν τα στοιχεία λοιπόν, αυτή η θερμότητα πρέπει να απαχθεί στο περιβάλλον. Αυτό γίνεται με τους απαγωγούς θερμότητας. Ο απαγωγός θερμότητας είναι μια μεταλλική επιφάνεια κατασκευασμένη συνήθως από αλουμίνιο, η οποία έχει την ικανότητα να απάγει μεγάλα ποσά θερμότητας. Αποτελείται από πτυχώσεις, έτσι ώστε να μεγιστοποιείται το εμβαδόν της επιφάνειάς του και σαν αποτέλεσμα η δυνατότητα απαγωγής θερμότητας. Με αυτόν τον τρόπο, καταφέρνουμε να εξοικονομήσουμε χώρο και βάρος. Ο απαγωγός θερμότητας ονομάζεται αλλιώς και ψυκτικό σώμα. Ένα χαρακτηριστικό ψυκτικό σώμα φαίνεται στο σχήμα 4.3 που ακολουθεί. Σχήμα 4.3: Τυπικός απαγωγός θερμότητας, όπου φαίνονται οι χαρακτηριστικές πτυχώσεις του για μεγιστοποίηση του εμβαδού της επιφάνειάς του [27]

96 Κεφάλαιο 4 ο Στο μετατροπέα Boost υπάρχουν δύο ημιαγωγικά στοιχεία, τα οποία κατά τη λειτουργία της διάταξης θερμαίνονται με αποτέλεσμα να υπάρχει κίνδυνος να καταστραφούν. Οι θερμικές απώλειες στον υπό μελέτη μετατροπέα οφείλονται στις: Απώλειες αγωγής του MOSFET (P on,mosfet ) Διακοπτικές απώλειες του MOSFET (P sw,mosfet ) Απώλειες αγωγής της Διόδου (P on,diode ) Οι επιμέρους θερμικές απώλειες δίνονται από τους παρακάτω τύπους [24]: P on,mosfet = I rms,tr 2 R ds,on (4.1) P sw,mosfet = 1 2 V max I max (t on + t off ) f s (4.2) P on,diode = V on,diode I avg,diode (4.3) όπου: I rms,tr : ενεργός τιμή του ρεύματος στο MOSFET (=3,185A για ασφάλεια 3,5A) R ds,on : αντίσταση αγωγής του MOSFET (=0,0024Ω) V max : μέγιστη τάση στο στοιχείο (=Vo=48V) I max : μέγιστο ρεύμα στο στοιχείο (=3,51A) t on : χρόνος έναυσης του στοιχείου (=12ns) t off : χρόνος σβέσης του στοιχείου (=22ns) f s : διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέα (=50kHz) V on,diode : πτώση τάσης στην δίοδο όταν αυτή άγει (=0,47V) I avg,diode : μέσο ρεύμα που διέρχεται από την δίοδο (=2,2A για ασφάλεια 2,5A) Η τιμή της πτώσης τάσης, οι χρόνοι έναυσης και σβέσης και η αντίσταση αγωγής εξήχθησαν από το φυλλάδιο του κατασκευαστή το οποίο βρίσκεται στο παράρτημα Γ. Τα υπόλοιπα στοιχεία προέκυψαν από την προσομοίωση του μετατροπέα

97 Κεφάλαιο 4 ο Αντικαθιστώντας τα παραπάνω στις σχέσεις (4.1), (4.2) και (4.3) έχουμε: P on,mosfet = 0,294W P sw,mosfet = 0,1428W P on,diode = 1,175W Οι απώλειες στο MOSFET είναι: P loss,mosfet = P on,mosfet + P sw,mosfet = 0,4368W Οι συνολικές θερμικές απώλειες είναι: P loss,total = P loss,mosfet + P on,diode = 2,0486W Η μέγιστη θερμική αντίσταση του ψυκτικού δίνεται από τον τύπο: όπου: R θ,jc : θερμική αντίσταση στοιχείου R θ,sa = T jmax T a P loss R θ,jc R θ,cs (4.4) R θ,cs : θερμική αντίσταση μονωτικού (=0,5 /W τυπική τιμή) T jmax : μέγιστη επιτρεπόμενη θερμοκρασία στοιχείου T a : θερμοκρασία περιβάλλοντος (=25 ) Επειδή οι θερμικές απώλειες που υπολογίστηκαν παραπάνω είναι αρκετά μικρές αποφασίστηκε να χρησιμοποιηθούν δύο διαφορετικά ψυκτικά σώματα, ένα για κάθε στοιχείο. Έτσι σύμφωνα με την σχέση (4.5) υπολογίζουμε δύο θερμικές αντιστάσεις. Για το MOSFET: Για τη δίοδο: R θ,sa = R θ,sa = , , ,5 = 268,225 /W 4 0,5 = 76,351 /W Οι τιμές των μεγεθών προήλθαν από τα φυλλάδια των κατασκευαστών. Η θερμοκρασία περιβάλλοντος θεωρήθηκε 30, ενώ η μέγιστη επιτρεπόμενη θερμοκρασία κάθε στοιχείου λήφθηκε από τα φυλλάδια των κατασκευαστών και μειώθηκε κατά 25 για μεγαλύτερη ασφά

98 Κεφάλαιο 4 ο λεια. Τελικά, ο απαγωγός θερμότητας που επιλέχθηκε και για τα δύο στοιχεία φαίνεται στο σχήμα 4.4 είναι ο MC33277 της εταιρίας MULTICOMP, με θερμική αντίσταση 28 /W και καλύπτει τις απαιτήσεις για ψύξη και των δύο ημιαγωγικών στοιχείων. Σχήμα 4.4: Το ψυκτικό σώμα που επιλέχθηκε για την δίοδο και το MOSFET [28] Το συγκεκριμένο ψυκτικό σώμα εφαρμόζει πάνω στο στοιχείο που πρόκειται να ψύξει, σε αντίθεση με μεγαλύτερους σε όγκο απαγωγούς θερμότητας, οι οποίοι βιδώνουν πάνω στην πλακέτα ισχύος και έρχονται σε επαφή με τα ημιαγωγικά στοιχεία. Με αυτό τον τρόπο, εκμεταλλευόμαστε το χώρο της πλακέτας και η θερμότητα απάγεται πιο αποτελεσματικά. Στο σχήμα 4.5 φαίνονται τα ψυκτικά σώματα στην πλακέτα που κατασκευάστηκε. Σχήμα 4.5: Τα ψυκτικά σώματα πάνω στα ημιαγωγικά στοιχεία Υπολογισμός και κατασκευή του πηνίου Για τον υπολογισμό των χαρακτηριστικών του πηνίου που θα κατασκευαστεί και θα χρησιμοποιηθεί στον μετατροπέα Boost πρέπει να ακολουθηθεί μια συγκεκριμένη διαδικασία. Αρχικά, πρέπει να καθορισθεί το υλικό του πυρήνα. Υπάρχουν δύο κατηγορίες πυρήνων: οι πυρήνες από κράματα σιδήρου, με μικρό ποσοστό προσμίξεων από άλλα υλικά, όπως είναι το

99 Κεφάλαιο 4 ο πυρίτιο και οι πυρήνες φερρίτη. Τα κράματα σιδήρου χρησιμοποιούνται στην κατασκευή πηνίων που λειτουργούν σε χαμηλές συχνότητες, έως 1kHz, ενώ ο φερρίτης για μεσαίες και υψηλές συχνότητες [29]. Η συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέα μας είναι τα 50kHz, συνεπώς το υλικό που επιλέχθηκε είναι ο φερρίτης. Το επόμενο βήμα είναι ο προσδιορισμός της μέγιστης πυκνότητας της μαγνητικής ροής του πυρήνα, Bmax. Η τιμή αυτή είναι συνήθως λίγο μικρότερη από την οριακή τιμή κορεσμού της πυκνότητας μαγνητικής ροής, Bsat, που όταν ξεπεραστεί, ο πυρήνας εισέρχεται στον κόρο. Στους πυρήνες φερρίτη, η τιμή της πυκνότητας κορεσμού είναι περίπου 300mT. Εμείς λοιπόν για λόγους ασφαλείας, θα χρησιμοποιήσουμε για μέγιστη πυκνότητα της μαγνητικής ροής του πυρήνα μια τιμή λίγο μικρότερη από αυτής του κορεσμού, δηλαδή Bmax=280mT. Το τρίτο βήμα είναι ο σχεδιασμός του πυρήνα. Σε αυτό το σημείο πρέπει να αναφερθεί ότι η πυκνότητα μαγνητικής ροής του πυρήνα μπορεί να περιοριστεί από δύο λόγους: από τον κορεσμό και τις απώλειες του πυρήνα. Για κάθε έναν από τους παραπάνω λόγους, υπάρχει ένας τύπος με τον οποίο υπολογίζουμε το γινόμενο της επιφάνειας του πυρήνα ή όπως αλλιώς ονομάζεται Area Product = Aw Ae, όπου το Aw είναι η επιφάνεια του παραθύρου του πυρήνα σε mm 2 και το Ae είναι η επιφάνεια του μεσαίου στελέχους του πυρήνα. Τα σχήματα 4.6 και 4.7 θα μας βοηθήσουν να καταλάβουμε περισσότερο αυτά τα μεγέθη. Σχήμα 4.6: α) Ο πυρήνας διπλού Ε β) Η μπομπίνα γ) Η τελική μορφή της κατασκευής [30] Σχήμα 4.7: α) Ο πυρήνας και η επιφάνεια Α e β) Τομή του πηνίου και η επιφάνεια παραθύρου A w [31]

100 Κεφάλαιο 4 ο Υπολογίζουμε λοιπόν με βάση τους τύπους [32][33] που ακολουθούν, το πόσο περιορίζεται η πυκνότητα της μαγνητικής ροής και από τους δύο παράγοντες και λαμβάνουμε υπόψιν μας αυτό που την περιορίζει περισσότερο. Περιορισμός από κορεσμό: AP = A w A e = ( L I peak I FL ,31 ) = (4.5) 420 K B max = ( ,51 3, ,31 ) 420 0,7 0,28 = 0,831cm 4 όπου: L: μέγεθος πηνίου που θέλουμε να κατασκευάσουμε (=320μH αλλά επιλέξαμε διπλάσιο για να λειτουργεί σίγουρα ο μετατροπέας μας σε CCM) I peak : η μέγιστη τιμή του ρεύματος που διαρρέει το πηνίο η οποία υπολογίστηκε από την προσομοίωση στο Simulink I FL : η rms τιμή του ρεύματος που διαρρέει το πηνίο K = K u K p = 0,7 1 = 0,7 για το μετατροπέα Boost K u : συντελεστής χρησιμοποιήσεως του παραθύρου K p :συντελεστής της περιοχής του πρωτεύοντος τυλίγματος Περιορισμός από τις απώλειες πυρήνα: AP = A w A e = ( L ΔI I FL ,58 ) (K 130 K H f s + K E f 2 s ) 0,66 = (4.6) = ( ,656 3, ,58 ) ( ( ) 2 ) 0, ,7 όπου: = 0,0332cm 4 ΔI: η κυμάτωση του ρεύματος που διαρρέει το πηνίο που υπολογίστηκε από την σχέση ΔΙ = I Lmax I Lmin με τα μεγέθη να εξάγονται από την προσομοίωση στο Simulink

101 Κεφάλαιο 4 ο Άρα, η μέγιστη πυκνότητα μαγνητικής ροής του πυρήνα περιορίζεται από τον κορεσμό. Το αποτέλεσμα αυτό δεν μας εκπλήσσει, αφού σε συχνότητες κάτω των 50kHz οι απώλειες πυρήνα στους φερρίτες είναι πολύ μικρές. Ο περιορισμός στη μέγιστη τιμή της μαγνητικής επαγωγής τίθεται για να αποφευχθεί η λειτουργία του φερρίτη σε ισχυρό κορεσμό [29]. Σύμφωνα με τα παραπάνω, μπορούμε να επιλέξουμε οποιονδήποτε πυρήνα έχει επιφάνεια μεγαλύτερη από 0,335cm 2. Αφού ανατρέξαμε στα φυλλάδια των κατασκευαστών, και με βάση τα αποθέματα του εργαστηρίου επιλέξαμε τον πυρήνα Ε42 (42/21/15) με A w = 2,945cm 2, A e = 1,78cm 2 και Area Product AP = 5,2421cm 4. Στη συνέχεια θα προσδιορίσουμε τα υπόλοιπα χαρακτηριστικά που είναι απαραίτητα για την κατασκευή του πηνίου, όπως είναι η περιέλιξη. Η περιέλιξη των αγωγών κατά μήκος τους, είναι απαραίτητη για την εξουδετέρωση των δινορευμάτων που προκαλεί το επιδερμικό φαινόμενο. Έτσι, κάθε αγωγός οδεύει περιοδικά δαπανώντας το ίδιο μήκος, από το εσωτερικό προς το εξωτερικό της δέσμης των αγωγών. Με τον τρόπο αυτό, τα δινορεύματα σε κάθε μισή στροφή, είναι αντίθετα από τα δινορεύματα στην επόμενη μισή στροφή. Ο αγωγός που σχηματίζεται με την τεχνική αυτή, ονομάζεται αγωγός Litz, οπότε θα χρησιμοποιήσουμε τα δικά του χαρακτηριστικά. Η διατομή της περιέλιξης δίνεται από τον παρακάτω τύπο [30]: A cu = I peak J rms = 4A 5 A mm 2 = 0,8mm2 (4.7) Το ρεύμα I peak ενώ γνωρίζουμε από την προσομοίωση ότι είναι 3,51Α, θεωρήθηκε 4Α για μεγαλύτερη ασφάλεια. Το J rms είναι η πυκνότητα ρεύματος, της οποίας μία τυπική τιμή είναι τα 5 A mm 2. Για την αποφυγή του επιδερμικού φαινομένου στα τυλίγματα, πρέπει η διάμετρος d να σχετίζεται με το επιδερμικό βάθος δ σύμφωνα με τη σχέση d 2δ. Το επιδερμικό βάθος ορίζεται από τον τύπο [30]: όπου δ = 2 ωμσ = 74,9533 = 74,9533 f = 3 0,335mm2 στα 50kHz (4.8) ω: συχνότητα σε rad/s (ω=2πf) μ: η μαγνητική διαπερατότητα του υλικού του πυρήνα σ: η αγωγιμότητα του μαγνητικού υλικού

102 Κεφάλαιο 4 ο Άρα, ο αγωγός που θα χρησιμοποιήσουμε θα πρέπει να έχει διάμετρο 2 0,335 = 0,67mm ή μικρότερη. Στο εργαστήριο υπήρχε και σύρμα διαμέτρου 0,56mm, δηλαδή διατομής 0,246mm 2. Επομένως, θα χρειαστούμε Κ = A cu = 0,8 = 3,25 4 κλώνους (4.9) A d 0,246 Ο αριθμός των σπειρών που γεμίζουν πλήρως το παράθυρο του πυρήνα θεωρητικά είναι Ν θ = Κ cu A w = 0,4 294,5 = 147, σπείρες (4.10) A cu 0,8 Η μέγιστη επαγωγή θεωρητικά που μπορεί να επιτευχθεί σύμφωνα με τα παραπάνω είναι: L max = Ν θ B sat A e 148 0, = = 1,844mH (4.11) I peak 4 Συνεπώς το πηνίο μεγέθους 640μH που επιλέξαμε για να βρίσκεται ο μετατροπέας μας σίγουρα σε συνεχή λειτουργία μπορεί να κατασκευαστεί με τον πυρήνα Ε42. Η κυμάτωση του ρεύματος και της πυκνότητας του μαγνητικού πεδίου είναι: ΔI = 2(I peak I avg ) = 2(3,35 3,183) = 0,334A (4.12) ΔB = B max ΔΙ = 0,28 0,334 = 0,02338Τ (4.13) I peak 4 Οι απαιτούμενες σπείρες και το αντίστοιχο διάκενο μπορούν να βρεθούν από τους επόμενους τύπους [30]: Ν = Σg = L[μH] ΔΙ 10 2 ΔΒ A e [cm 2 ] A e μ 0 = 1,005mm A e B max N I peak = 640 0, , ,78 = (a + d) N g = 51,36 52 σπείρες (4.14) ,28 (12,2 + 15,2) π (4.15) Αυτό είναι το συνολικό διάκενο, που σημαίνει ότι σε κάθε πλευρά θα έχουμε διάκενο 0,5mm. Τα κατανεμημένα διάκενα χρησιμοποιούνται για να κρατήσουν ελάχιστη τη μαγνητική ροή που επεκτείνεται στα τυλίγματα του χαλκού. Αυτή η ροή προκαλεί πρόσθετες απώλειες δινορευμάτων στα τυλίγματα, οπότε τα κατανεμημένα διάκενα είναι προτιμότερα από ένα συνολικό. Τα διάκενα δημιουργήθηκαν βάζοντας λεπτά φύλλα χαρτιού μεταξύ των άκρων των

103 Κεφάλαιο 4 ο στελεχών του πυρήνα. Τελικά, κατασκευάστηκε πηνίο περίπου 710μH με Ν=61 σπείρες αντί για Ν=52, προκειμένου να είναι μηχανικά πιο σταθερό χωρίς να επηρεάζει την ομαλή λειτουργία του. Στο σχήμα 4.8 και σχήμα 4.9 φαίνεται το εν λόγω πηνίο. Σχήμα 4.8: Άνω όψη του πηνίου που κατασκευάστηκε Σχήμα 4.9: Το πηνίο που κατασκευάστηκε και η θέση του στην απομονωμένη περιοχή στη διάταξη

104 Κεφάλαιο 4 ο Επιλογή πυκνωτών εισόδου Στην είσοδο του μετατροπέα ανύψωσης τοποθετήθηκαν δύο πυκνωτές, ένας ηλεκτρολυτικός και ένας MKP παράλληλα. Ο ηλεκτρολυτικός τοποθετείται στην είσοδο προκειμένου να εξομαλύνει την τάση εισόδου, αλλά και να παρέχει τα διακοπτικά ρεύματα όταν αυτά δεν παρέχονται από την πηγή (π.χ. όταν είναι συνδεδεμένος με το τροφοδοτικό) [19]. Από την προσομοίωση του φωτοβολταϊκού συστήματος, γνωρίζουμε ότι η τοποθέτηση χωρητικότητας οποιασδήποτε τιμής πάνω από 10μF στην είσοδο του Boost, κάνει την κυμάτωση της τάσης αμελητέα. Έτσι επιλέχθηκε ο πυκνωτής 22μF με τάση διάσπασης 400V σύμφωνα και με τα αποθέματα του εργαστηρίου. Η διακύμανση σε αυτήν την περίπτωση είναι: ΔV in = 34,16 34,11 = 0,05V ΔV in V = 0,05 34,11 = 0,15% Ο πυκνωτής MKP δουλεύει σε συνεργασία με τον ηλεκτρολυτικό αποκόπτοντας τα υψίσυχνα ρεύματα που δεν μπορεί να αποκόψει ο προηγούμενος. Ο συγκεκριμένος επιλέχθηκε να έχει χωρητικότητα 3,3μF, ενώ η τάση αντοχής του είναι στα 100V Επιλογή πυκνωτών εξόδου Η λειτουργία των πυκνωτών εξόδου είναι να ελαχιστοποιούν την κυμάτωση της τάσης στην εξόδου του μετατροπέα, ώστε να είναι όσο πιο συνεχής γίνεται. Στην ουσία, η τάση εξόδου του μετατροπέα δεν είναι απόλυτα συνεχής, αλλά υπάρχει μια ταλάντωση γύρω από τη μέση τιμή. Τοποθετώντας λοιπόν ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές παράλληλα με το φορτίο στην έξοδο του Boost, εξομαλύνουμε την τάση, αφού αυτοί αναλαμβάνουν να απορροφήσουν τις όποιες αρμονικές υπάρχουν στην τάση και αφήνουν την συνεχή συνιστώσα της να εφαρμοστεί πάνω στο φορτίο. Με βάση την προσομοίωση του μετατροπέα στο Simulink και θεωρώντας ότι αποδεκτή τιμή της κυμάτωσης της τάσης εξόδου είναι μικρότερη από 10% επιλέχθηκε να τοποθετηθεί στην έξοδο του Boost συνολική χωρητικότητα μεγαλύτερη από 47μF. Στα αποθέματα του εργαστηρίου βρήκαμε και συνδέσαμε παράλληλα 3 πυκνωτές 22μF ο καθένας,

105 Κεφάλαιο 4 ο με τάση διάσπασης τα 400V. Έτσι, η συνολική χωρητικότητα έφτασε τα 66μF. Στο σχήμα 4.10 που ακολουθεί παρουσιάζονται οι πυκνωτές εξόδου επάνω στην διάταξη. Σχήμα 4.10: Ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές εξόδου 4.2 Κυκλώματα Μέτρησης Για να μετράμε το ρεύμα και την τάση του μετατροπέα και στα δύο άκρα του, τοποθετήθηκαν μετρητικά κυκλώματα τόσο στην είσοδο, όσο και στην έξοδό του. Από αυτά τα κυκλώματα, ο μικροελεγκτής αντλεί τα δεδομένα του για να τρέξει ο MPPT, για να κάνει διάφορους υπολογισμούς και να λάβει όποιες αποφάσεις του έχει πει ο προγραμματιστής. Για να λειτουργήσουν αυτά τα κυκλώματα και τα δεδομένα τους να ερμηνεύονται σωστά, θα πρέπει η γείωσή τους να είναι ίδια με αυτή του μικροελεγκτή, καθώς επίσης τα σήματα τα οποία θα στέλνουν σε αυτόν να είναι σήματα τάσης που ανήκουν στο εύρος 0-5V. Στη διάταξη που κατασκευάστηκε χρησιμοποιήθηκαν δύο μετρητικά τάσης (εισόδου και εξόδου) και τρία μετρητικά ρεύματος, ένα για την είσοδο, ένα για το φορτίο εξόδου και ένα για την μπαταρία που θα συνδεθεί επίσης στην έξοδο του μετατροπέα Κύκλωμα μέτρησης τάσης Επειδή οι προς μέτρηση τάσεις, τόσο στην είσοδο όσο και στην έξοδο είναι αρκετά μικρές, θεωρήθηκε σκόπιμο να χρησιμοποιηθεί το κύκλωμα που φαίνεται στο παρακάτω σχήμα 4.11 και όχι κάποιο έτοιμο μετρητικό τάσης. Ουσιαστικά, πρόκειται για έναν διαιρέτη τάσης, οι αντιστάσεις του οποίου, επιλέχθηκαν με τέτοιο τρόπο ώστε η τιμή της Vout να μην ξεπερνάει τα 5V για το όλο το εύρος των τάσεων που θέλουμε να μετρήσουμε

106 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.11: Κύκλωμα μέτρησης τάσης (διαιρέτης τάσης) Η τιμή της μέτρησης Vout υπολογίζεται κάθε φορά από τον τύπο του διαιρέτη τάσης, που είναι: με Vin V out = V in R 2 R 1 + R 2 (4.16) την πραγματική τιμή της τάσης που θέλουμε να μετρήσουμε. Οι αντιστάσεις επιλέχθηκαν R1=120kΩ και R2=10kΩ. Επομένως, από την σχέση (4.16) για την τάση εισόδου που φτάνει μέχρι και τα 43,76V 44V η τιμή της μέτρησης είναι: V out = = 3,385V Με τον ίδιο τρόπο, για την τάση εξόδου που στην ονομαστική κατάσταση έχει τιμή 48V η μέτρηση είναι: V out = = 3,692V Παρατηρούμε ότι και οι δύο μετρήσεις είναι μέσα στο εύρος που τέθηκε. Για τη σωστή λειτουργία του μετρητικού, η γείωση της R2 πρέπει να είναι ίδια με αυτή του μικροελεγκτή. Για αυτό το λόγο αποφασίστηκε να χρησιμοποιηθεί μία κοινή γείωση σε ολόκληρη την πλακέτα. Σε αυτό το σημείο πρέπει να σημειωθεί, πως οι αντιστάσεις που χρησιμοποιήθηκαν μπορούν να διαχειριστούν μέγιστη ισχύ της τάξεως των 250mW. Το μέγιστο ρεύμα στις αντιστάσεις στο μετρητικό εξόδου είναι: I = = 0,369mΑ Άρα η αντίσταση R1 καταναλώνει: P R1 = I 2 R 1 = 0, = 16,35mW < 250mW

107 Κεφάλαιο 4 ο H R2 καταναλώνει ακόμα λιγότερη ισχύ, αφού είναι μικρότερη. Το ίδιο συμβαίνει και στο μετρητικό εισόδου, που έχουμε μικρότερες τάσεις για μέτρηση. Μετά το μετρητικό τάσης, το σήμα της μέτρησης πηγαίνει στο ολοκληρωμένο LM358, που λειτουργεί ως απομονωτής πριν φτάσει στο μικροελεγκτή. Το LM358 αναλύεται στη συνέχεια Κύκλωμα μέτρησης ρεύματος Για την μέτρηση του ρεύματος χρησιμοποιήθηκε το ολοκληρωμένο μετρητικό ρεύματος LTS 6-NP της εταιρίας LEM που έχει δυνατότητα μέτρησης έως 19,2Α. Το μετρητικό και το κύκλωμα μέτρησής του παρουσιάζεται στο σχήμα Σχήμα 4.12: Το μετρητικό ρεύματος LTS 6-NP της εταιρίας LEM και το κύκλωμα μέτρησής του [34] Ανάλογα με το μέγεθος των ρευμάτων που θέλουμε να μετρήσουμε και για να επιτύχουμε καλύτερη ακρίβεια στη μέτρηση, συνδέουμε τους ακροδέκτες του μετρητικού σύμφωνα με το σχήμα 4.13 που ακολουθεί, το οποίο βρήκαμε στο φυλλάδιο του κατασκευαστή. Σχήμα 4.13: Προτεινόμενες συνδεσμολογίες του μετρητικού ρεύματος LTS 6-NP [34]

108 Κεφάλαιο 4 ο Το μετρητικό τροφοδοτείται με τάση +5V για να λειτουργήσει. Όπως θα δούμε και παρακάτω, ανάμεσα στους ακροδέκτες τροφοδοσίας όλων των ολοκληρωμένων, τοποθετήθηκαν πυκνωτές 100nF, προκειμένου να σταθεροποιούν την τάση και να λειτουργούν ομαλά. Στη διάταξή μας, και τα τρία μετρητικά (εισόδου, εξόδου και μπαταρίας) συνδέθηκαν με βάση την τρίτη συνδεσμολογία του πίνακα με ρεύμα αναφοράς τα 2Α. Το μετρητικό ρεύματος δίνει στην έξοδο του ένα σήμα τάσης. Αυτή η τάση δίνεται από τον τύπο: όπου: V out : σήμα μέτρησης στην έξοδο του μετρητικού I P : μετρούμενο ρεύμα στο πρωτεύον τύλιγμα V out = 2,5 ± 0,625 I P I PN (4.17) I PN : ονομαστικό ρεύμα του πρωτεύοντος τυλίγματος του μετρητικού (ανάλογα με την επιλεγμένη κλίμακα του μετρητικού) Στην είσοδο λοιπόν, που από την προσομοίωση γνωρίζουμε ότι έχουμε ρεύμα Iin=3,183A 3,2A, η τάση εξόδου του μετρητικού είναι: V out = 2,5 ± 0,625 3,2 2 = 3,5V ενώ η έξοδος του μετρητικού εξόδου, που μετράει ρεύμα Iout=2,197 2,2A είναι: V out = 2,5 ± 0,625 2,2 2 = 3,187V Παρατηρούμε ότι και τα 2 μετρητικά μετρούν μέσα στο εύρος που είναι αποδεκτό για τον μικροελεγκτή (0 5V). Στο επόμενο σχήμα 4.14 φαίνονται τα όρια μέτρησης του ολοκληρωμένου. Σχήμα 4.14: Εύρος μέτρησης και γραμμική περιοχή LTS 6NP [34]

109 Κεφάλαιο 4 ο Όπως και μετά τα μετρητικά τάσης, έτσι και μετά τα μετρητικά ρεύματος, τα σήματα στέλνονται σε ολοκληρωμένα LM358 για να απομονωθούν. Ακολουθεί η παρουσίαση του ολοκληρωμένου LM Ολοκληρωμένο LM358 Το ολοκληρωμένο LM358 είναι ένα ολοκληρωμένο που εσωτερικά περιέχει δύο τελεστικούς ενισχυτές και χρησιμοποιήθηκε προκειμένου να απομονώσει όλα τα σήματα που φτάνουν στις αναλογικές εισόδους του μικροελεγκτή. Αυτά είναι οι έξοδοι των μετρητικών τάσης και ρεύματος, καθώς και ποτενσιόμετρα, η χρησιμότητα των οποίων θα εξηγηθεί στη συνέχεια. Το ολοκληρωμένο και οι εσωτερικές συνδέσεις του φαίνονται στο σχήμα Σχήμα 4.15:Το ολοκληρωμένο LM358 και το διάγραμμα ακροδεκτών του [35] Το LM358 έχει 8 ακροδέκτες. Στον ακροδέκτη 4 δέχεται τη γείωση και στον ακροδέκτη 8 την τάση τροφοδοσίας. Στο εσωτερικό του ολοκληρωμένου υπάρχει μια πτώση τάσης, που επηρεάζει το σήμα μας και ουσιαστικά μειώνει το εύρος της μέτρησης (από το φυλλάδιο του κατασκευαστή: Input Voltage Range = Vcc-1.5V). Αν, λοιπόν, η τροφοδοσία του ολοκληρωμένου είναι +5V, τότε στην έξοδο θα μπορούμε να έχουμε τάση μέχρι 3.5V, γεγονός που μειώνει το εύρος ρύθμισης 0-5V που θέλουμε να έχουμε για το μικροελεγκτή. Συνεπώς, συνδέσαμε τον ακροδέκτη 8 στα +15V, ώστε, λαμβάνοντας υπόψιν την πτώση τάσης, να είμαστε σίγουροι ότι θα έχουμε το επιθυμητό εύρος 0-5V. Ανάμεσα στους 8 και 4 τοποθετήσαμε και εδώ πυκνωτή 100nF. Οι υπόλοιποι ακροδέκτες συνδέθηκαν σε συνδεσμολογία ακόλουθου πηγής, η οποία φαίνεται στο σχήμα

110 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.16: Συνδεσμολογία ακόλουθου πηγής Το VIN είναι το σήμα από το μετρητικό και το VOUT είναι το σήμα πάει στο μικροελεγκτή. Βραχυκυκλώσαμε εξωτερικά λοιπόν, τους ακροδέκτες 1-2 και 6-7, ενώ στους 3 και 5 συνδέσαμε τα σήματα που έρχονται από τα μετρητικά. Τέλος, χρησιμοποιήσαμε τέσσερα LM358, αφού εκμεταλλευτήκαμε το γεγονός ότι κάθε ένα περιέχει δύο τελεστικούς ενισχυτές. Το ρεύμα και η τάση εισόδου ενώθηκαν σε κοινό LM358, όπως αντίστοιχα έγινε και στην έξοδο. Τα υπόλοιπα LM358 χρησιμοποιήθηκαν για τα ποτενσιόμετρα. 4.3 Κύκλωμα Ελέγχου/Παλμοδότησης του Boost Για να δημιουργηθούν και να φτάσουν οι παλμοί στο MOSFET ισχύος, περνούν μέσα από μια σειρά ολοκληρωμένων που ονομάζεται κύκλωμα παλμοδότησης. Η χρησιμότητα αυτού του κυκλώματος είναι η ενίσχυση και γενικότερα η τροποποίηση των παλμών, ώστε να φτάσουν στο τρανζίστορ με την επιθυμητή μορφή. Αξίζει να σημειωθεί, ότι το κύκλωμα ελέγχου βρίσκεται στην ίδια πλακέτα με το κύκλωμα ισχύος και για αυτό το λόγο έγινε προσπάθεια να είναι σε μια απόσταση από το δεύτερο, για αποφυγή ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών (EMI). Στο σχήμα 4.17 εμφανίζεται το κύκλωμα αυτό και η πορεία ενός παλμού μέχρι το τρανζίστορ. Σχήμα 4.17: Κύκλωμα παλμοδότησης και πορεία του παλμού μέχρι το τρανζίστορ

111 Κεφάλαιο 4 ο Το πρώτο στάδιο στο κύκλωμα παλμοδότησης είναι η δημιουργία των παλμών που γίνεται από το μικροελεγκτή. Η λειτουργία του θα αναλυθεί με λεπτομέρεια στο επόμενο κεφάλαιο αλλά αξίζει να αναφερθούμε σε αυτό το σημείο λίγο πιο περιληπτικά. Στη συνέχεια αναλύονται τα υπόλοιπα στάδια της διαδρομής του παλμού μέχρι την πύλη του MOSFET Ο μικροελεγκτής dspic30f4011 Για την δημιουργία των παλμών, αλλά και τη συλλογή και αξιοποίηση όλων των δεδομένων από τα μετρητικά ρεύματος και τάσης, χρησιμοποιήθηκε ο μικροελεγκτής dspic30f4011 της εταιρίας Microchip. Το συγκεκριμένο μοντέλο που φαίνεται στο σχήμα 4.18, αποτελείται Σχήμα 4.18: Ο μικροελεγκτής dspic30f4011 και οι ακροδέκτες του [36] από 40 ακροδέκτες και τροφοδοτείται με +5V [36]. Έχει 4 τροφοδοσίες, στις οποίες μεταξύ γείωσης και +5V τοποθετήσαμε πυκνωτές 100nF για σταθεροποίηση της τάσης. Τα +5V συνδέονται στα pins 11, 21, 32 και 40, ενώ η γείωση στα 12, 20, 31 και 39. Οι παλμοί εξέρχονται από το pin 37 και συνεχίζουν την πορεία τους προς το ολοκληρωμένο 74HC04. Επίσης, διαθέτει 9 αναλογικές εισόδους από AN0-AN8. Πριν από κάθε αναλογική είσοδο που εισέρχεται σήμα, τοποθετήθηκε παράλληλα μια δίοδος Zener 5,1V για προστασία του μικροελεγκτή. Οι συνδέσεις των αναλογικών εισόδων έγιναν ως εξής: AN0 Τάση εισόδου του ανυψωτή (V in ) AN1 Ρεύμα εισόδου του ανυψωτή (I in )

112 Κεφάλαιο 4 ο AN2 Τάση εξόδου του ανυψωτή (V out ) AN3 Λόγος κατάτμησης (δ) AN4 Ρεύμα μπαταρίας (I bat ) AN5 Ανώτατο όριο ρεύματος μπαταρίας (I batmax ) AN6 Ρεύμα εξόδου ανυψωτή (I out ) AN7 Ανώτατο όριο τάσης μπαταρίας (V batmax ) Ο μικροελεγκτής θα αναλυθεί με περισσότερες λεπτομέρειες στο Κεφάλαιο Ο Ενισχυτής/Αντιστροφέας 74HC04 Η βασική λειτουργία του συγκεκριμένου ολοκληρωμένου είναι μια πρώτη ενίσχυση των παλμών. Ο μικροελεγκτής παράγει παλμούς τάσης 5V. Αυτοί οι παλμοί όμως, δεν είναι σε θέση να οδηγήσουν τα επόμενα ολοκληρωμένα του κυκλώματος παλμοδότησης, οπότε χρησιμοποιείται για ενίσχυση του ρεύματος [37]. Επιπλέον, το ολοκληρωμένο 74HC04 επιτελεί ακόμα μία λειτουργία. Όπως θα δούμε στην υποενότητα 4.3.3, όταν οι παλμοί εξέρχονται από τον Driver MC34151, εξέρχονται αντεστραμμένοι. Έτσι, για να αναιρεθεί αυτή η αντιστροφή, οι παλμοί πριν από τον Driver περνούν μέσα από το ολοκληρωμένο 74HC04, το οποίο περιέχει έξι πύλες NOT, όπως φαίνεται και στο σχήμα Έτσι, ταυτόχρονα με την ενίσχυση κάνει και αντιστροφή του σήματος εισόδου του. Σχήμα 4.19: Κυκλωματικό διάγραμμα του 74HC04 [38]

113 Κεφάλαιο 4 ο Στο σχήμα 4.20 φαίνεται ο πίνακας αληθείας του. Σχήμα 4.20: Πίνακας αληθείας 74HC04 [38] Η τροφοδοσία του ολοκληρωμένου είναι τα +5V και συνδέεται στον ακροδέκτη 14, ενώ στον ακροδέκτη 7 συνδέουμε την γείωση. Και εδώ έχουμε ένα πυκνωτή σταθεροποίησης τάσης των 100nF. Η είσοδος των παλμών γίνεται στο pin 1 και εξέρχονται αντεστραμμένοι από το pin 2, όπου οδηγούνται στον Driver Ο Driver MC34151 Τελευταίο στάδιο πριν ο παλμός φτάσει στο ημιαγωγικό στοιχείο είναι το ολοκληρωμένο MC Σε αυτό το στάδιο, ο παλμός ενισχύεται από τα +5V στα +15V που είναι ικανά να ανάψουν (να οδηγήσουν) το MOSFET. Ο Driver MC34151, που παρουσιάζεται στο σχήμα 4.21, τοποθετήθηκε όσο το δυνατόν πιο κοντά στο τρανζίστορ γινόταν, προκειμένου οι παλμοί να μην υποστούν παραμορφώσεις μέχρι να φτάσουν στην πύλη. Σχήμα 4.21: Ο Driver MC34151 και το κυκλωματικό του διάγραμμα [35] Το ολοκληρωμένο τροφοδοτείται με +15V στον ακροδέκτη 6, ενώ η γείωση συνδέεται στον ακροδέκτη 3. Μεταξύ τους τοποθετήθηκε πυκνωτής MKT 470nF. Οι παλμοί εισέρχονται στα pin 2 και 4 και αφού ενισχυθούν εξέρχονται από τα pin 5 και

114 Κεφάλαιο 4 ο Ποτενσιόμετρα Ελέγχου Στη διάταξη που κατασκευάστηκε χρησιμοποιήθηκαν τρία ποτενσιόμετρα για το χειροκίνητο/εξωτερικό έλεγχο: του λόγου κατάτμησης του ανώτατου ορίου τάσης της μπαταρίας του ανώτατου ορίου ρεύματος της μπαταρίας Τα ποτενσιόμετρα (trimmer) που επιλέχθηκαν, είναι τιμής 50kΩ. Πρόκειται ουσιαστικά για μια μεταβλητή αντίσταση. Παράλληλα στην έξοδο του ποτενσιόμετρου συνδέθηκε πυκνωτής 4,7μF (με βάση τα αποθέματα του εργαστηρίου), με σκοπό τη δημιουργία κατωδιαβατού φίλτρου, ώστε να περιορίζει το θόρυβο που προκαλείται από την συνύπαρξη του κυκλώματος ελέγχου με το κύκλωμα ισχύος. Ο πυκνωτής υπολογίστηκε έτσι ώστε να αποκόπτει συχνότητες γύρω από τα 5kHz από τον τύπο: f c = 1 2π R C => C = 1 (4.18) 2π R f c Οι υπολογισμοί έγιναν για την χειρότερη περίπτωση, που παρουσιάζεται όταν το ποτενσιόμετρο έχει τη μικρότερη δυνατή αντίσταση, περίπου 10Ω. Άρα, από τη σχέση (4.18) είναι: C = 1 2π = 3,184μF Στις επόμενες φωτογραφίες παρουσιάζεται η πλακέτα που κατασκευάστηκε.. Σχήμα 4.22: Άνω άποψη της πλακέτας που κατασκευάστηκε

115 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.23: Πλάγια άποψη της πλακέτας από την πλευρά της τροφοδοσίας

116 Κεφάλαιο 4 ο

117 Κεφάλαιο 5 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΛΕΙΤΟΥΡΓΊΑ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ ΚΑΙ ΟΘΟΝΗΣ LCD 5.1 Γενικά για τα Μικροϋπολογιστικά Συστήματα Η χρήση των μικροϋπολογιστικών συστημάτων αφορά την ανάπτυξη και υλοποίηση απλών ή πολύπλοκων λογικών ελέγχου σε διατάξεις μετατροπής της ηλεκτρικής ισχύος. Ανεξάρτητα από την πολυπλοκότητα του ελέγχου, το μικροϋπολογιστικό σύστημα πρέπει να είναι σε θέση να μετρήσει ένα ή περισσότερα μεγέθη της διάταξης ισχύος, να εκτελέσει τους κατάλληλους αλγορίθμους και να παράγει τα σήματα εκείνα που θα παλμοδοτήσουν τα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος. Τα μετρούμενα μεγέθη μπορεί να είναι ρεύματα, τάσεις, στροφές, θερμοκρασία καθώς και σήματα ελέγχου από το χρήστη. Τα μικροϋπολογιστικά συστήματα που ενσωματώνουν τα απαραίτητα περιφερειακά για την υλοποίηση μεθόδων ελέγχου λέγονται μικροελεγκτές. Γενικότερα, ο μικροελεγκτής είναι ένας τύπος μικροεπεξεργαστή με έμφαση στην αυτάρκεια και στην υψηλή τιμή απόδοσης/κόστους, σε αντίθεση με ένα μικροεπεξεργαστή γενικού σκοπού (όπως αυτοί που χρησιμοποιούνται σε έναν προσωπικό υπολογιστή). Η μοναδική διαφορά μεταξύ μικροεπεξεργαστή και μικροελεγκτή είναι ότι ο πρώτος αποτελείται από τρία μόνο μέρη: Την αριθμητική και λογική μονάδα (ALU) Τη μονάδα ελέγχου (CU) Τη μνήμη (Memory-Registers) ενώ ο δεύτερος περιλαμβάνει εκτός από τα παραπάνω και άλλες μονάδες όπως RAM, ROM, εισόδους, εξόδους, κτλ. Ο μικροελεγκτής είναι ένα ολοκληρωμένο υψηλού βαθμού ολοκλήρωσης (Large Scale Integration chip), που εκτελεί αριθμητικές και λογικές λειτουργίες, καθώς και τις απαραίτητες λειτουργίες ελέγχου. Για την πραγματοποίηση όμως των σκοπών αυτών, υπάρχουν πολλοί τρόποι, με αποτέλεσμα να υπάρχουν μικροελεγκτές διαφόρων χαρακτηριστικών και δυνατοτήτων. Η εκλογή του κατάλληλου μικροελεγκτή για μία ορισμένη εφαρμογή είναι ζωτικής σημασίας για την επιτυχή πραγματοποίηση του τελικού σκοπού [20]. Στη συγκεκριμένη εφαρμογή, επιλέχθηκε να γίνει χρήση του μικροελεγκτή dspic30f4011 της οι

118 Κεφάλαιο 5 ο κογένειας dspic30f, της εταιρίας Microchip. Πρόκειται για έναν μικροελεγκτή που παρέχει τη δυνατότητα ψηφιακής επεξεργασίας σήματος DSP (Digital Signal Processing). Διαθέτει συνολικά 40 ακροδέκτες, όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως και για το λόγο αυτό απαιτείται να γίνεται πολύπλεξη των σημάτων των περιφερειακών μεταξύ τους. Με αυτόν τον τρόπο, παρέχεται η δυνατότητα ένας ακροδέκτης να αντιστοιχεί σε περισσότερα του ενός περιφερειακά, ενώ παράλληλα το εκάστοτε περιφερειακό δύναται να λειτουργήσει δίχως να χρησιμοποιεί όλους του τους ακροδέκτες, απελευθερώνοντάς τους για άλλη λειτουργία. Η ενεργοποίηση των περιφερειακών και η αντιστοίχησή τους με ακροδέκτες πραγματοποιείται με την κατάλληλη χρήση των ειδικών καταχωρητών SFR [36]. Βασικό γνώρισμα ενός μικροελεγκτή, που τον ξεχωρίζει από έναν επεξεργαστή, είναι η ενσωμάτωση περιφερειακών στο ίδιο ολοκληρωμένο, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως. Στο συγκεκριμένο μικροελεγκτή πολλά είναι τα περιφερειακά που τον πλαισιώνουν. Το διάγραμμα των ακροδεκτών του μικροελεγκτή παρουσιάζεται ξανά στο σχήμα 5.1 για μεγαλύτερη ευκολία, και στο σχήμα 5.2 το Block διάγραμμα του μικροελεγκτή εσωτερικά. Σχήμα 5.1: Ο μικροελεγκτής dspic30f4011 [36]

119 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.2: Το Block διάγραμμα του dspic30f4011 [36] Το παραπάνω διάγραμμα δείχνει το μικροελεγκτή σε επικοινωνία με τα περιφερειακά του. Στη συνέχεια αναλύονται μόνο τα βασικά περιφερειακά που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα διπλωματική εργασία για τον έλεγχο της διάταξης και την παλμοδότηση του τρανζίστορ. 5.2 Θύρες Εισόδου/Εξόδου Στον dspic30f4011 υπάρχουν 5 θύρες ψηφιακών εισόδων/εξόδων και για τον περιορισμό του αριθμού των ακίδων του μικροελεγκτή, έχει γίνει πολύπλεξη των σημάτων αυτών με τα

120 Κεφάλαιο 5 ο σήματα των εξόδων των υπόλοιπων περιφερειακών. Στο σχήμα 5.3 φαίνεται το Block διάγραμμα μιας τέτοιας ψηφιακής θύρας εισόδου/εξόδου. Όταν ένα περιφερειακό είναι ενεργοποιημένο και χρησιμοποιεί κάποια έξοδο, τότε η αντίστοιχη ακίδα παύει να αποτελεί ψηφιακή είσοδο/έξοδο γενικού σκοπού. Παρόλα όλα αυτά, υπάρχει περίπτωση το ενεργοποιημένο περιφερειακό να μην χρησιμοποιεί όλους τους ακροδέκτες. Τότε οι αδρανείς ακροδέκτες (pins) μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως είσοδοι ή έξοδοι γενικού σκοπού. Σχήμα 5.3: Το Block διάγραμμα μιας ψηφιακής εισόδου/εξόδου [36] Η ενεργοποίηση της κάθε ακίδας ως είσοδο ή έξοδο γίνεται μέσω των καταχωρητών ειδικής λειτουργίας: TRISx LATx PORTx όπου x = B, C, D, E, F ανάλογα με την ψηφιακή θύρα στην οποία θέλουμε να αναφερθούμε

121 Κεφάλαιο 5 ο Συγκεκριμένα, ο καταχωρητής TRISx, είναι υπεύθυνος για την ενεργοποίηση της κάθε ακίδας ως ψηφιακή είσοδο/έξοδο. Ο καταχωρητής LATx παρέχει δεδομένα στις εξόδους, ενώ τέλος, διαβάζοντας τον καταχωρητή PORTx ενημερωνόμαστε για την κατάσταση των εισόδων [20]. 5.3 Περιφερειακή Μονάδα Μετατροπής Αναλογικού Σήματος σε Ψηφιακό (A/D Converter) Η μονάδα μετατροπής σήματος από αναλογικό σε ψηφιακό (ADC) που φαίνεται στο σχήμα 5.4, αναλαμβάνει να μετατρέψει τις τάσεις με εύρος 0-5V, που έρχονται στις αναλογικές εισόδους του μικροελεγκτή, σε ψηφιακά σήματα εύρους 10 bit. Διαθέτει 9 εισόδους, οι οποίες συνδέονται σε 4 κανάλια δειγματοληψίας και αποθήκευσης (Sample and Hold S/H). Η δειγματοληψία των σημάτων μπορεί να είναι σειριακή ή παράλληλη, ενώ η Σχήμα 5.4: Λογικό διάγραμμα του περιφεριακού A/D Converter [36]

122 Κεφάλαιο 5 ο μετατροπή σε ψηφιακό σήμα είναι σειριακή. Ο μέγιστος δυνατός ρυθμός δειγματοληψίας μπορεί να φτάσει το 1Msps για δειγματοληψία ενός μόνο καναλιού. Το αποτέλεσμα της μετατροπής αποθηκεύεται σε 16 Βuffers των 10bit (ADCBUF0-ADCBUFF) [20]. Η αρχικοποίηση και ο προγραμματισμός της μονάδας ADC γίνεται μέσω των καταχωρητών ειδικού σκοπού: ADCON1: ενεργοποιεί ή απενεργοποιεί τη μονάδα ADC και υποδεικνύει τη μορφή με την οποία θα αποθηκεύονται οι προς μέτρηση τιμές, αν τα κανάλια δειγματοληπτούνται ταυτόχρονα ή σειριακά ADCON2: επιλέγεται ο ρυθμός διακοπών ανά μετατροπή, το πόσα κανάλια θα μετατραπούν και πού θα αποθηκευτούν τα δεδομένα ADCON3: ρυθμίζει το χρόνο δειγματοληψίας και μετατροπής του σήματος ADPCFG: επιλέγει αν οι ακίδες θα χρησιμοποιηθούν σαν αναλογικές είσοδοι ή σαν ψηφιακές είσοδοι/έξοδοι γενικού σκοπού ADCSSL: επιλέγει σε ποιες εισόδους θα γίνει ακολουθιακή δειγματοληψία ADCHS: συνδέει τις επιθυμητές εισόδους στα κανάλια δειγματοληψίας και απόθήκευσης (S/H) Το πιο ευέλικτο κανάλι είναι το CH0, αφού μπορεί να συνδεθεί σε όλες τις αναλογικές εισόδους του μικροελεγκτή. Δεν ισχύει όμως το ίδιο και για τα κανάλια CH1, CH2 και CH3. Το CH1 μπορεί να συνδεθεί με την αναλογική ακίδα ΑΝ0 ή ΑΝ3, το CH2 με την ακίδα ΑΝ1 ή ΑΝ4 και το CH3 με την ΑΝ2 ή την ΑΝ5. Ωστόσο, με τη χρήση δύο πολυπλεκτών, των MUXA και MUXB, είναι δυνατή η εναλλαγή των αναλογικών εισόδων στο ίδιο κανάλι. Αυτή η δυνατότητα αξιοποιήθηκε στην παρούσα διπλωματική εργασία, προκειμένου να δειγματοληπτήσουμε ταυτόχρονα ορισμένες εισόδους. Η ομαδοποίηση έγινε με τον παρακάτω τρόπο: MUXA { CH0 AN6 CH1 AN0 CH2 AN1 CH3 AN2 MUXB { CH0 AN7 CH1 AN3 CH2 AN4 CH3 AN

123 Κεφάλαιο 5 ο 5.4 Περιφερειακή Μονάδα Παραγωγής Παλμών (Motor Control PWM) Όπως έχει ήδη αναφερθεί σε προηγούμενη παράγραφο, ο μικροελεγκτής διαθέτει τρεις γεννήτριες διαμόρφωσης παλμών PWM. Κάθε μια από αυτές παράγει δύο σήματα στην έξοδο της, το σήμα High και το σήμα Low. Τα σήματα αυτά είναι διαθέσιμα στους αντίστοιχους ακροδέκτες με συμβολισμό PWMxH και PWMxL, όπου x = 1, 2, 3. Αυτά τα σήματα μπορεί να είναι είτε συμπληρωματικά, είτε ανεξάρτητα. Η ύπαρξη τριών τέτοιων γεννητριών καθι-στά τον dspic30f4011 κατάλληλο για τον έλεγχο μονοφασικών αλλά και τριφασικών διατά-ξεων ηλεκτρονικών ισχύος. Στο επόμενο σχήμα 5.5 βλέπουμε το λογικό διάγραμμα της PWM. Σχήμα 5.5: Λειτουργικό διάγραμμα του περιφερειακού PWM [36]

124 Κεφάλαιο 5 ο Επιπλέον, η μονάδα PWM έχει την δυνατότητα εισαγωγής νεκρού χρόνου καθώς και τη δυνατότητα για έλεγχο μέσω ράμπας η τριγωνικής κυματομορφής. Η ανάλυση φτάνει τα 16bit, ενώ επιτρέπονται αλλαγές στο λόγο κατάτμησης μέχρι και δύο φορές σε μια περίοδο. Ακόμα, υπάρχουν επιπλέον ακίδες ανίχνευσης σφαλμάτων, ώστε να οδηγηθεί η έξοδος της PWM σε κάποιες συγκεκριμένες προεπιλεγμένες καταστάσεις [20]. Ο έλεγχος του περιφερειακού παραγωγής παλμών PWM γίνεται μέσω 5 καταχωρητών ειδικής λειτουργίας, που είναι: PTCON: καταχωρητής ελέγχου χρονισμού. Ενεργοποιεί ή απενεργοποιεί τη βάση χρόνου του περιφερειακού PWM PTMR: καταχωρητής χρονισμού. Με αυτόν τον SFR έχουμε πρόσβαση στη βάση χρόνου PTPER: καταχωρητής ρύθμισης περιόδου. PWMCOΝ1: καταχωρητής ελέγχου της PWM. Ενεργοποιεί και απενεργοποιεί τα High και Low σήματα PWMCON2: καταχωρητής ελέγχου της PWM. Επιλέγει τον τρόπο ανανέωσης της τιμής του PDC DTCON1: καταχωρητής ελέγχου νεκρού χρόνου DTCON2: καταχωρητής ελέγχου νεκρού χρόνου PDC1: καταχωρητής ελέγχου του λόγου κατάτμησης της 1 ης PWM PDC2: καταχωρητής ελέγχου του λόγου κατάτμησης της 2 ης PWM PDC3: καταχωρητής ελέγχου του λόγου κατάτμησης της 3 ης PWM Στην ουσία, οι παλμοί παράγονται μετά από τη σύγκριση του μετρητή PTMR με τον καταχωρητή PDCx. Όταν αυτοί οι δύο καταχωρητές είναι ίσοι παράγεται παλμός στην έξοδο μέχρι ο μετρητής PTMR να γίνει ίσος με τον καταχωρητή ελέγχου της περιόδου PTPER. Ο καταχωρητής PTPER θέτει την περίοδο μέτρησης του PTMR. Η χρονική βάση της PWM παρέχεται από έναν χρονιστή των 15bit μαζί με έναν prescaler και postscaler. Υπάρχουν τέσσερεις διαφορετικοί τρόποι λειτουργίας, οι οποίοι επιλέγονται από τον καταχωρητή PTCON. Αυτοί είναι: Free-Running Mode Single-Shot Mode

125 Κεφάλαιο 5 ο Continuous Up/Down Mode Continuous Up/Down Mode with interrupts for double updates Στην παρούσα διπλωματική εργασία έγινε χρήση του πρώτου τρόπου λειτουργίας. Σε αυτήν την κατάσταση, ο PTΜR αυξάνεται προς μία κατεύθυνση μέχρι η τιμή του να γίνει ίση με την τιμή του PTPER, που έχει καθοριστεί από το χρήστη με βάση τον τύπο (5.1). όπου: PTPER = f CY : η συχνότητα λειτουργίας του επεξεργαστή f PWM : η διακοπτική συχνότητα του μετατροπέα f CY f PWM (PTMR Prescaler Value) 1 (5.1) PTMR Prescaler Value: ο πολλαπλασιαστής του χρονιστή της PWM με τιμές 1:1, 1:4, 1:16 ή 1:64 Η ακριβής συχνότητα λειτουργίας του επεξεργαστή δίνεται από τον τύπο: f CY = F OSC 4 = (Source Oscilllator Frequency PLL Multiplier) (Programmable Postscaler 4) (5.2) Για FRC=7,37MHz, PLL=16 και Postscaler=1:1 [39] έχουμε: f CY = 7,37MHz 16 4 = 29,48MHz Για διακοπτική συχνότητα λειτουργίας 50kHz και Prescaler Value=1:1, η τιμή του PTPER είναι: PTPER = = 588, (1: 1) Όταν λοιπόν ο PTMR=589, η περίοδος έχει ολοκληρωθεί, οπότε ο PTMR μηδενίζεται και αρχικοποιείται. Κάθε παλμός αρχίζει στην αρχή κάθε περιόδου και τελειώνει, όταν η τιμή του PTMR γίνει ίση με την τιμή του καταχωρητή PDCx, που ρυθμίζεται από τον χρήστη σύμφωνα με την επόμενη σχέση: PDCx = 2(PTPER + 1) δ (5.3)

126 Κεφάλαιο 5 ο Αυτός ο τρόπος λειτουργίας προσφέρεται για δημιουργία PWM μέσω ράμπας (edge aligned) όπως φαίνεται και στο σχήμα 5.6. Σχήμα 5.6: Δημιουργία PWM μέσω ράμπας [36] 5.5 Προγραμματιστικό Περιβάλλον MPLAB X IDE και Επικοινωνία με τον Μικροελεγκτή Το προγραμματιστικό περιβάλλον Για τον προγραμματισμό του μικροελεγκτή χρησιμοποιήσαμε το λογισμικό MPLAB X IDE, που έχει αναπτυχθεί από την κατασκευάστρια εταιρία του, την Microchip. Πρόκειται για ένα προγραμματιστικό περιβάλλον, το οποίο παρέχει όλα εκείνα τα εργαλεία που χρειάζεται κανείς, για να πραγματοποιήσει την παραπάνω εργασία. Στην παρούσα διπλωματική εργασία χρησιμοποιήθηκε η έκδοση MPLAB X IDE Το συγκεκριμένο λογισμικό μπορεί να προγραμματίσει μεγάλο πλήθος οικογενειών μικροελεγκτών. Επίσης, χρησιμοποιήθηκε ο compiler XC16 για την μεταγλώττιση του προγράμματος Επικοινωνία υπολογιστή με μικροελεγκτή Για την επικοινωνία του υπολογιστή με το μικροελεγκτή χρησιμοποιήθηκε η προγραμματιστική συσκευή PICkit 3 της κατασκευάστριας εταιρίας, Microchip, η οποία παρουσιάζεται στο σχήμα

127 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.7: Ο προγραμματιστής PICkit 3 [40] Η συσκευή συνδέεται στον υπολογιστή μέσω ενός καλωδίου USB, ενώ με την πλακέτα μέσω ειδικής θύρας. Η θύρα αυτή έχει έξι ακροδέκτες από τους οποίους, μόνο οι 5 είναι συνδεδεμένοι (Σχήμα 5.8). Προκειμένου να υπάρξει επικοινωνία και σωστός προγραμματισμός, η συσκευή πρέπει να συνδεθεί με τον τρόπο που υποδεικνύεται στο σχήμα 5.8. Σε κάθε άλλη περίπτωση προκύπτει σφάλμα για το οποίο ενημερωνόμαστε από το προγραμματιστικό περιβάλλον MPLAB X. Τέλος, μεταξύ MCLR και της γείωσης τοποθετήθηκε ένα reset button. Όταν αυτό πατηθεί, συνδέεται με την γείωση και έτσι επιτυγχάνεται η επανεκκίνηση του επεξεργαστή. Για την σωστή λειτουργία του μπουτόν, προστέθηκε μια pull-up αντίσταση 4.2kΩ ανάμεσα στην τροφοδοσία +5V και το pin MCLR. Σχήμα 5.8: Η θύρα σύνδεσης με την πλακέτα [40]

128 Κεφάλαιο 5 ο 5.6 Περιγραφή Λειτουργίας Οθόνης Υγρών Κρυστάλλων (LCD) Για την επικοινωνία του χρήστη με τη διάταξη, αλλά και για την ενημέρωση του για τα σημαντικότερα μεγέθη του μετατροπέα και τις αλλαγές τους, τοποθετήθηκε στην πλακέτα και προγραμματίστηκε μία οθόνη υγρών κρυστάλλων (LCD). Το μοντέλο που επιλέχθηκε είναι το MC42004A6W-SPTLY της εταιρίας MIDAS, που φαίνεται στο σχήμα 5.9. Σχήμα 5.9: Η οθόνη LCD MC42004A6W-SPTLY της εταιρίας MIDAS [41] Το μοντέλο αυτό αποτελείται από τέσσερις γραμμές, είκοσι χαρακτήρων η κάθε μία. Οι χαρακτήρες εμφανίζονται με μαύρο χρώμα σε φόντο κίτρινου και πράσινου LED φωτός. Έχει 16 ακίδες για την σύνδεση του με την τροφοδοσία και την ανταλλαγή δεδομένων και εντολών. Ο πίνακας των ακίδων και η χρησιμότητα τους παρουσιάζεται στο σχήμα Σχήμα 5.10: Πίνακας ακροδεκτών της οθόνης LCD [41]

129 Κεφάλαιο 5 ο Tα pins 1, 2, 15 και 16 αφορούν την τροφοδοσία της οθόνης και του LED φωτισμού. Τα pins 7-14 (DB0-DB7) είναι ακροδέκτες πληροφορίας, αφού αυτά καθορίζουν ποια εντολή θα πραγματοποιηθεί ή ποιος χαρακτήρας θα εμφανιστεί στην οθόνη. Ο ακροδέκτης 3 (V0) είναι συνδεδεμένος και αυτός με την τροφοδοσία των +5V, αλλά ενδιάμεσα έχουμε παρεμβάλει ένα ποτενσιόμετρο, ώστε αλλάζοντας την τιμή της αντίστασης, να ρυθμίζουμε την αντίθεση της οθόνης. Με αυτόν τον τρόπο οι χαρακτήρες γίνονται πιο ορατοί και δεν δυσκολευόμαστε να τους διαβάσουμε. Το pin 4 (RS) καθορίζει αν η πληροφορία που στέλνεται από τα pins 7-14 είναι εντολή ή δεδομένα απεικόνισης. Όταν RS=1, τότε η πληροφορία παριστάνει δεδομένα απεικόνισης, ενώ όταν RS=0, παριστάνει εντολή. Όταν το pin 5 (R/W) βρίσκεται στο λογικό 0, μπορούμε να γράψουμε στην οθόνη, ενώ όταν βρίσκεται στο λογικό 1, τότε μπορούμε να διαβάσουμε πληροφορία από την RAM της οθόνης. Στη συγκεκριμένη εφαρμογή, συνδέσαμε το pin 5 με τη γείωση, αφού δεν μας ενδιαφέρει να διαβάζουμε κάτι από την οθόνη. Τέλος, ο ακροδέκτης 6 (E) λειτουργεί σαν ένα κουμπί ενεργοποίησης «send». Είναι ο τελευταίος ακροδέκτης που αλλάζει κατάσταση (0 1 και 1 0) πριν εμφανιστεί κάποιος χαρακτήρας στην οθόνη ή πριν την εκτέλεση κάποιας εντολής. Χρησιμοποιείται ουσιαστικά για να δηλώσει την εκκίνηση της διαδικασίας μεταφοράς της πληροφορίας από τις γραμμές πληροφορίας στην οθόνη. Όταν γράφουμε στην οθόνη, η πληροφορία μεταφέρεται στην οθόνη μόνο όταν ο ακροδέκτης E αλλάζει από την υψηλή στη χαμηλή στάθμη. Στο ενδιάμεσο χρονικό διάστημα δε, οι υπόλοιποι ακροδέκτες θα πρέπει να διατηρούν τις στάθμες τους όπως βλέπουμε και στο σχήμα 5.11 [42][43]. Σχήμα 5.11:Διάγραμμα χρόνων για εγγραφή στην οθόνη [41]

130 Κεφάλαιο 5 ο Κάθε φορά που τροφοδοτούμε την οθόνη με τάση, εκείνη θα πρέπει να πραγματοποιεί ένα σύνολο εντολών, πριν δεχθεί δεδομένα προς εμφάνιση. Πρέπει να γίνει δηλαδή η διαδικασία της αρχικοποίησής της, γνωστή και ως Initialization. Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να αναφέρουμε, πως η οθόνη που επιλέχθηκε, είναι ικανή να δεχθεί πληροφορία (εντολές ή δεδομένα), τόσο σε λειτουργία 8bit, όσο και σε λειτουργία 4bit. Η μόνη διαφορά είναι, ότι στη λειτουργία των 4bit, θα πρέπει να σταλθούν δύο φορές 4bit για να σχηματιστεί η 8bit λέξη. Εμείς προγραμματίσαμε την LCD σε λειτουργία 8bit, γιατί έτσι είναι πιο κατανοητός και πιο εύκολος ο προγραμματισμός της. Οι εντολές αρχικοποίησης που εκτελούμε σε κάθε έναρξη της οθόνης φαίνονται στο παρακάτω λογικό διάγραμμα (Σχήμα 5.12). Σχήμα 5.12: Λογικό διάγραμμα εντολών αρχικοποίησης [41] Στην ουσία, τη δουλειά αυτή αναλαμβάνει ο μικροεπεξεργαστής να την κάνει κάθε φορά

131 Κεφάλαιο 5 ο που τροφοδοτούμε/ενεργοποιούμε ολόκληρη τη διάταξή μας. Οι ακροδέκτες της οθόνης 4, 6 και 7 έως 14 συνδέθηκαν σε ακροδέκτες του μικροελεγκτή που δεν χρησιμοποιούνταν από κάποιο περιφερειακό του και ενεργοποιήθηκαν ως γενικές θύρες εξόδου. Η συγκεκριμένη οθόνη έχει την δυνατότητα απεικόνισης τόσο αριθμών και γραμμάτων, όσο και ενός αρκετά μεγάλου συνόλου ειδικών συμβόλων. Επίσης, ο χρήστης μπορεί να δημιουργήσει σύμβολα της επιθυμίας του και αφού τα αποθηκεύσει, να τα χρησιμοποιήσει σαν όλα τα υπόλοιπα έτοιμα σύμβολα. Ωστόσο με την αποσύνδεση της οθόνης από την τροφοδοσία τα σύμβολα θα χαθούν και είναι δουλειά του επεξεργαστή να τα δημιουργήσει ξανά πριν χρησιμοποιηθούν από τον χρήστη/πρόγραμμα εκ νέου [42]. Όλα τα έτοιμα σύμβολα που μπορεί να απεικονίσει η οθόνη παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα, όπου οι στήλες δείχνουν τα 4 MSB, ενώ οι γραμμές τα 4 LSB. Σχήμα 5.13: Πίνακας χαρακτήρων της οθόνης LCD [42] Για τις ανάγκες της παρούσας διπλωματική εργασίας δημιουργήθηκε κώδικας που εμφανίζει αυτόματα στην οθόνη, τα μετρούμενα μεγέθη από όλα τα μετρητικά της πλακέτας και παράγωγα μεγέθη τους. Η οθόνη έχει προγραμματιστεί ώστε να ανανεώνεται σε τακτά χρονικά

132 Κεφάλαιο 5 ο διαστήματα και να δείχνει όλα τα μεγέθη που έχουν πρακτική σημασία. Έτσι, ο χρήστης ενημερώνεται σε πραγματικό χρόνο. Τα μεγέθη που εμφανίζονται στην οθόνη είναι: V in Τάση εισόδου I in Ρεύμα εισόδου P in Ισχύς εισόδου V out Τάση εξόδου I out Ρεύμα εξόδου P out Ισχύς εξόδου V batmax Ανώτατο όριο τάσης μπαταρίας I batmax Ανώτατο όριο ρεύματος μπαταρίας I bat Ρεύμα μπαταρίας δ Λόγος κατάτμησης Στον κώδικα που αναπτύχθηκε και παρατίθεται στο παράρτημα Β, δημιουργήθηκε συνάρτηση για εμφάνιση αριθμών μέχρι και δύο δεκαδικών ψηφίων (Lcd_number), αλλά κρίθηκε σκόπιμο να απεικονιστούν αριθμοί μέχρι και το πρώτο δεκαδικό για λόγους οικονομίας χώρου στην οθόνη. Επίσης, αναπτύχθηκε συνάρτηση για απεικόνιση λέξεων και γενικά αλφαριθμητικών (Lcd_string), συνάρτηση για την τοποθέτηση του κέρσορα στην επιθυμητή θέση της οθόνης (Lcd_YX) φιλικότερη και πιο κατανοητή για το χρήστη, από την προκαθορισμένη διαδρομή (default path), συνάρτηση για την εκτέλεση εντολών από την οθόνη (Lcd_Cmd) και συνάρτηση για την αποστολή των δεδομένων από τον επεξεργαστή στην οθόνη. Στο σχήμα 5.14 φαίνεται η οθόνη κατά τη διάρκεια λειτουργίας του μετατροπέα και τα μετρούμενα μεγέθη να εμφανίζονται αυτόματα. Σχήμα 5.14: Ενδείξεις οθόνης υγρών κρυστάλλων (LCD) κατά τη λειτουργία του μετατροπέα

133 Κεφάλαιο 6 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζεται η συνολική πειραματική διάταξη, καθώς και τα αποτελέσματα των πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας (ΕΗΜΕ/LEMEC) του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Το συνολικό σύστημα αποτελείται από ένα τροφοδοτικό, που συνδέεται στην είσοδο του ανυψωτή, ως πηγή συνεχούς τάσης, το μετατροπέα ανύψωσης τάσης, δύο μεταβλητές μονοφασικές αντιστάσεις (η μία παίζει το ρόλο του φορτίου στην έξοδο του Boost, ενώ η άλλη χρησιμοποιείται για να εξομοιωθεί το φωτοβολταϊκό πάνελ) καθώς και από τη συστοιχία των συσσωρευτών, η οποία συνδέεται επίσης στην έξοδο του μετατροπέα, παράλληλα στην αντίσταση φορτίου. 6.1 Προσαρμογή Φορτίου-Απομάστευση Μέγιστης Ισχύος Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η παροχή ισχύος σε οποιοδήποτε φορτίο (λαμπτήρες LED ή/και συσσωρευτές) και κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες (ηλιοφάνεια-θερμοκρασία) με τον καλύτερο δυνατό τρόπο. Στην προσομοίωση στο κεφάλαιο 3, η παλμοδότηση του MOSFET έγινε αρχικά με σταθερό δ, το οποίο ορίζαμε εμείς με τη βοήθεια μιας παλμογεννήτριας. Αυτό το δ θα πρέπει να ανιχνεύεται μέσω του MPPT ελέγχου αυτόματα και να μεταβάλλεται, όταν ένας από τους παραπάνω παράγοντες αλλάζει. Όταν λοιπόν μεταβληθεί το φορτίο στην έξοδο του μετατροπέα και με σταθερές τις καιρικές συνθήκες, μια καινούρια τιμή του δ θα πρέπει να αναζητηθεί μέσω του MPPT ελέγχου, που θα εξαναγκάσει το φωτοβολταϊκό να λειτουργήσει στο σημείο μέγιστης ισχύος. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται προσαρμογή φορτίου (load matching). Η προσαρμογή φορτίου υλοποιείται από το Θεώρημα Απομάστευσης Μέγιστης Ισχύος, το οποίο βασίζεται στο θεώρημα Thevenin. Σε ένα ισοδύναμο κύκλωμα κατά Thevenin, όπως αυτό του σχήμα 6.1, το ρεύμα στην αντίσταση R 0 δίνεται από τον τύπο: I = V dc R 1 + R 0 (6.1)

134 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.1: Ισοδύναμο Thevenin Άρα η ισχύς της αντίστασης R 0 είναι: Η ισχύς αυτή μεγιστοποιείται όταν: V dc P = I 2 R 0 = ( ) R 1 + R 0 2 R 0 (6.2) dp = 0 V 2 dr dc (R 1 + R 0 ) 2 2R 0 (R 1 + R 0 ) 0 (R 1 + R 0 ) 4 = 0 R 1 = R 0 Για R 1 = R 0 η μέγιστη τιμή της ισχύος εξόδου είναι: P max = V dc 2 Στην περίπτωσή μας, η τιμή της R 1, που ουσιαστικά πρόκειται για την R Lopt από την εξίσωση (2.4) είναι: 4R 1 R 1 = R Lopt = V mpp I mpp = 35,4 2,99 = 11,84Ω Αυτό φυσικά ισχύει μόνο για την περίπτωση που το φωτοβολταϊκό λειτουργεί κάτω από ονομαστικές συνθήκες (G=1000W m 2 και T=25 ), ώστε να έχουμε ισχύ εισόδου 106W. Σε αντίθετη περίπτωση (G 1000W m 2 ή/και T 25 ), η τιμή της R Lopt και προφανώς της R 1 είναι διαφορετική προκειμένου να λειτουργεί το Φ/Β στο MPP. Στις προσομοιώσεις του κεφαλαίου 3, η τιμή της R Lopt για τις ονομαστικές συνθήκες λειτουργίας του Φ/Β είναι λίγο μεγαλύτερη (12,5Ω) από την παραπάνω θεωρητική. Αυτό οφείλεται στην ακρίβεια προσομοίωσης του μοντέλου του φωτοβολταϊκού στο Simulink, αφού και η αντίστοιχη μέγιστη ισχύς είναι ελαφρώς μικρότερη (104,2W) από τη θεωρητική

135 Κεφάλαιο 6 ο Παρόλα αυτά, το φωτοβολταϊκό δεν είναι άμεσα συνδεδεμένο στο φορτίο, αλλά παρεμβάλλεται και ο μετατροπέας ισχύος, όπως φαίνεται στο σχήμα 6.2. Σχήμα 6.2: Ισοδύναμο κύκλωμα διάταξης Θεωρούμε ότι ισχύει: P in = P out V in 2 R in = V 2 out (2.6) V in 2 2 V in = R 0 R in (1 δ) 2 R R 0 = R in 0 (1 δ) 2 = 11,84 (1 δ) 2 (6.3) Έτσι, βάζοντας στην εξίσωση (6.3) κάθε φορά την αντίσταση φορτίου (R 0 ) του μετατροπέα, βρίσκουμε την τιμή του δ για το οποίο το σύστημά μας λειτουργεί στο MPP. Αυτό ακριβώς θα πρέπει να κάνει και ο έλεγχος αυτόματα. Στην πραγματικότητα, η R in καθορίζει την ισχύ εισόδου, αφού με σταθερή τάση εισόδου, αλλάζει το ρεύμα εισόδου. Ωστόσο, πρέπει να γίνεται μια προσαρμογή φορτίου μέσω κατάλληλης επιλογής του δ, ώστε να φροντίζουμε πάντα να υπάρχει πάνω της μια πτώση τάσης 35,4V, στην είσοδο του μετατροπέα. Ουσιαστικά, η μεταβολή της R in αντιπροσωπεύει την μεταβολή της ακτινοβολίας G, ενώ η μεταβολή της V in αντιπροσωπεύει τη μεταβολή της θερμοκρασίας T. Στα πειράματα που διενεργήθηκαν, συνδέθηκε αρχικά στην είσοδο του μετατροπέα ένα απλό τροφοδοτικό. Σε αυτήν την περίπτωση, το φορτίο του μετατροπέα είναι εκείνο που καθορίζει την τιμή της ισχύος που θα περάσει, ανάλογα με το ρεύμα που θα τραβήξει. Έπειτα, εξομοιώθηκε το φωτοβολταϊκό, συνδέοντας στην είσοδο το τροφοδοτικό σε σειρά με μια μεταβλητή αντίσταση. Έτσι, η ισχύς εισόδου καθορίζεται πλέον ανάλογα και με την τιμή της αντίστασης εισόδου R in

136 Κεφάλαιο 6 ο 6.2 Δοκιμή Λειτουργίας Μετατροπέα Ανύψωσης Τάσης Στην ενότητα αυτή διαπιστώθηκε η ορθή λειτουργία του μετατροπέα στην περιοχή συνεχούς αγωγής (CCM), όπως ήταν επιθυμητό σύμφωνα με τους υπολογισμούς που έγιναν στο κεφάλαιο 3. Η διακοπτική συχνότητα του μετατροπέα είναι 50kHz. Στην είσοδο, η τάση ρυθμίστηκε στα 35V, ενώ ο λόγος κατάτμησης διατηρήθηκε σταθερός και ίσος με 0,249. Στα σχήματα φαίνονται οι κυματομορφές τάσεων και ρευμάτων των βασικών στοιχείων του μετατροπέα. Η τάση εξόδου μετρήθηκε V o = 46,6V και το ρεύμα εξόδου Ι o = 0,247A. Επισημαίνεται πως οι κυματομορφές είναι για ισχύ εξόδου περίπου ίση με το 10% της ονομαστικής ισχύος του μετατροπέα, δηλαδή 11,51W. Σχήμα 6.3: Παλμοί V GS (κόκκινο) και ρεύμα πηνίου I Lf (πράσινο) Σχήμα 6.4: Τάση V Lf (κόκκινο) και ρεύμα I Lf πηνίου (πράσινο)

137 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.5: Τάση διόδου V Do (κόκκινο) και ρεύμα πηνίου I Lf (πράσινο) Σχήμα 6.6: Τάση MOSFET V DS (κόκκινο) και ρεύμα πηνίου I Lf (πράσινο) Παρατηρούμε ότι οι κυματομορφές επιβεβαιώνουν την ορθή λειτουργία του μετατροπέα, αφού έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά με τις αντίστοιχες θεωρητικές, όπως αναλύθηκαν και στην ενότητα Το ελάχιστο και μέγιστο ρεύμα πηνίου είναι με βάση τις κυματομορφές I Lf,min = 0,36A και I Lf,max = 0,6A

138 Κεφάλαιο 6 ο Τα αντίστοιχα θεωρητικά είναι σύμφωνα με τους τύπους (2.9) και (2.10): I o = I Lf,max + I Lf,min 2 I Lf,max I Lf,min = Λύνοντας το σύστημα: (1 δ) I Lf,max + I Lf,min = 2 I o (1 δ) = 2 0,247 (1 0,249) = 0,6578A V i 35 δ = L f f s ,249 = 0,2455A I Lf,max = 0,4515A I Lf,min = 0,206A Είναι φανερό, ότι τα πειραματικά αποτελέσματα διαφέρουν λίγο από τα θεωρητικά και αυτό οφείλεται κυρίως στην ακρίβεια των οργάνων, αλλά και στις επιπλέον απώλειες που δεν λαμβάνονται υπ όψη στη θεωρητική ανάλυση και στην προσομοίωση. Το ρεύμα του πηνίου δε μηδενίζεται σε κανένα σημείο της περιόδου λειτουργίας του μετατροπέα, γεγονός που επιβεβαιώνει τη λειτουργία στη συνεχή αγωγή. Οι απότομες μεταβολές που παρατηρούνται στις κυματομορφές στην αρχή κάθε περιόδου, οφείλονται στο θόρυβο από το κύκλωμα ισχύος. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις για σταθερή τάση εισόδου στα 35V και λόγο κατάτμησης δ = 0,274, μεταβάλλοντας την αντίσταση εξόδου, προκειμένου να μεταβάλουμε την ισχύ εξόδου ανά περίπου 20W. Το δ επιλέχθηκε έτσι, ώστε η τάση εξόδου να είναι ίση με 48V, όσο και η επιθυμητή τάση λειτουργίας των συσσωρευτών. Οι μετρήσεις παρουσιάζονται στον Πίνακα 6.1. Πίνακας 6.1: Μετρήσεις για τάση εισόδου 35V και δ=0,274 ανά 20W εξόδου V in (V) I in (A) P in (W) V out (V) I out (A) P out (W) η 35 0,7 24,5 46,7 0,447 20,8749 0, , ,9 0,878 40,3002 0, ,9 66,5 45,5 1,336 60,788 0, ,5 87,5 44,9 1,82 81,718 0, ,1 108,5 44,5 2, ,6145 0,

139 Κεφάλαιο 6 ο Από τα αποτελέσματα του πειράματος παρατηρείται μείωση της τάσης εξόδου καθώς αυξάνεται η ισχύς. Αυτό είναι απόλυτα λογικό, αφού το ρεύμα που περνά μέσα από τα ημιαγωγικά στοιχεία αυξάνεται, με αποτέλεσμα να υπάρχουν μεγαλύτερες πτώσεις τάσης. Προκειμένου λοιπόν να επιτευχθεί τάση εξόδου περίπου 48V, πραγματοποιήθηκε ακριβώς το ίδιο πείραμα, αλλά αυτή τη φορά για λόγο κατάτμησης δ = 0,31. Οι αντίστοιχες μετρήσεις παρουσιάζονται στον Πίνακα 6.2. Πίνακας 6.2: Μετρήσεις για τάση εισόδου 35V και δ=0,31 ανά 20W εξόδου V in (V) I in (A) P in (W) V out (V) I out (A) P out (W) η 35 0, ,4 0,204 10,2816 0, ,7 24,5 50,1 0,407 20,3907 0, ,3 45,5 49,4 0,825 40,755 0, ,9 66,5 48,8 1,247 60,8536 0, ,5 87,5 48,1 1,66 79,846 0, , ,4 2, ,3458 0, Από τα αποτελέσματα του πειράματος παρατηρείται, πως και εδώ υπάρχουν πτώσεις τάσης στην έξοδο, αλλά με αυτόν τον τρόπο επιτεύχθηκε σε πλήρη ισχύ η τάση εξόδου να βρίσκεται πολύ κοντά στα 48V, που είναι και η επιθυμητή τιμή. Αντίθετα, σε χαμηλή ισχύ η τάση εξόδου υπερβαίνει την ονομαστική τάση φόρτισης των συσσωρευτών. Για αυτόν ακριβώς το λόγο, στη συνέχεια διενεργήθηκε ένα πείραμα με τάση εισόδου 35V από το τροφοδοτικό και μεταβλητό λόγο κατάτμησης, προκειμένου η τάση εξόδου μας να παραμένει αμετάβλητη στα 48V, που είναι η τάση φόρτισης της συστοιχίας των συσσωρευτών. Και εδώ οι μετρήσεις λαμβάνονται για μεταβολή περίπου 20W στην ισχύ εξόδου

140 Κεφάλαιο 6 ο Πίνακας 6.3: Μετρήσεις για σταθερή τάση εισόδου (35V)-εξόδου (48V) ανά 20W εξόδου δ V in (V) I in (A) P in (W) V out (V) I out (A) P out (W) η 0, , ,232 11,136 0, , ,7 24,5 48,1 0,423 20,3463 0, , , ,3 0,82 39,606 0,943 0, , , , , ,5 87,5 48,2 1,68 80,976 0, , ,1 108,5 48,1 2,08 100,048 0, Στο σχήμα 6.7 φαίνεται η απόδοση του μετατροπέα συναρτήσει της ισχύος εισόδου για το συγκεκριμένο πείραμα. Παρατηρείται πως η απόδοση του μετατροπέα είναι ιδιαίτερα υψηλή σε όλα τα σημεία λειτουργίας του. Ωστόσο, για χαμηλές τιμές του ρεύματος υπερισχύουν οι διακοπτικές απώλειες και για το λόγο αυτό, ο βαθμός απόδοσης είναι μικρότερος στις χαμηλές τιμές της ισχύος. Απόδοση Μετατροπέα Βαθμός απόδοσης Ισχύς εισόδου (W) Σχήμα 6.7: Απόδοση μετατροπέα σε σχέση με την ισχύ εισόδου για φόρτιση συσσωρευτών 48V Τέλος, πραγματοποιήθηκε ένα πείραμα προκειμένου να εκτιμηθεί το κέρδος τάσης του μετατροπέα. Η τάση εισόδου ρυθμίστηκε στα 20V, ενώ ο λόγος κατάτμησης μεταβλήθηκε με

141 Κεφάλαιο 6 ο βήμα 0.05 από 0.05 μέχρι 0.7. Για μεγαλύτερο λόγο κατάτμησης, η τάση εξόδου αυξάνεται πάνω από τα 80V, που είναι το ανώτατο όριο τάσης της διόδου που επιλέχθηκε για αυτόν το μετατροπέα και για αυτό το λόγο το πείραμα τερματίστηκε σε αυτό το σημείο. Έτσι, λήφθηκαν μετρήσεις για την τάση εξόδου και υπολογίσθηκε το κέρδος τάσης. Το συγκεκριμένο πείραμα έγινε με αντίσταση εξόδου 217Ω, για την προστασία του μετατροπέα και του εξοπλισμού από τάσεις και ρεύματα που θα ήταν επικίνδυνα για τη λειτουργία τους. Οι μετρήσεις φαίνονται στον Πίνακα 6.4. Πίνακας 6.4: Κέρδος Τάσης δ V in (V) V out (V) V out Vin 0, ,19 0,9595 0, ,91 1,0955 0, ,28 1,164 0, ,78 1,239 0, ,6 1,33 0, ,54 1,427 0, ,73 1,5365 0, ,12 1,656 0, ,25 1,8125 0, ,8 1,99 0, ,4 2,22 0, ,7 2,485 0, ,6 2,83 0, ,7 3,235 Στο σχήμα 6.8 φαίνεται η εξάρτηση του κέρδους τάσης από το λόγο κατάτμησης σύμφωνα με

142 Κεφάλαιο 6 ο τις μετρήσεις του τελευταίου πειράματος, ενώ παρουσιάζεται και η αντίστοιχη θεωρητική καμπύλη. Κέρδος Τάσης Πειραματική Θεωρητική Vout/Vin δ Σχήμα 6.8: Κέρδος τάσης ως προς το λόγο κατάτμησης δ Είναι φανερό πως οι δύο καμπύλες ταυτίζονται στο μεγαλύτερο κομμάτι τους, με μικρές μόνο αποκλίσεις για ακραίες τιμές του δ. 6.3 Εφαρμογή Ελέγχου MPPT Η περίοδος εκτέλεσης του αλγορίθμου επιλέχθηκε στα T δειγ. = 3 sec, ενώ το βήμα μεταβολής του λόγου κατάτμησης dstep= 0,015, όπως φαίνεται και από τον κώδικα στο Παράρτημα B. Τα συγκεκριμένα μεγέθη βρέθηκαν μέσω πειραματικών δοκιμών στο πραγματικό σύστημα. Για την εφαρμογή του ελέγχου MPPT, το φωτοβολταϊκό εξομοιώθηκε από ένα τροφοδοτικό και μία εν σειρά αντίσταση. Η τιμή του τροφοδοτικού ρυθμίστηκε στα 70,8V, δηλαδή διπλάσια από τη θεωρητική τιμή της V mp = 35,4V, ενώ η τιμή της αντίστασης όσο και το R opt = 11,84Ω 12Ω. Η τιμή της αντίστασης στην έξοδο του μετατροπέα ρυθμίστηκε στα 22Ω. Έτσι, αντικαθιστώντας στη σχέση (6.3) τα παραπάνω, βρίσκουμε το λόγο κατάτμησης με τον οποίο

143 Κεφάλαιο 6 ο πρέπει να λειτουργεί ο μετατροπέας, προκειμένου να απορροφά τη μέγιστη ισχύ από το φωτοβολταϊκό. R 0 = R in (1 δ) 2 δ = 1 R in = 1 12 = 1 0,5455 = 0,261 R 0 22 Αυτό το δ θα πρέπει να βρει ο έλεγχος αυτόματα. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στον Πίνακα 6.5: Πίνακας 6.5: Μετρήσεις ελέγχου MPPT με τροφοδοτικό V τροφ. (V) R 0 (Ω) δ V in (V) V out (V) I out (A) I in (A) P in (W) P out (W) η(%) Θεωρητικό 70,8 22 0,261 35,4 47,9 2,18 2,95 104,4 104,4 100 Πραγματικό 70,8 22 0,267 35,38 48,3 2,193 3,1 109,7 105,9 96,5 Στα σχήματα 6.9 και 6.10 φαίνονται οι μετρήσεις από τα πολύμετρα, ενώ στο σχήμα 6.11 φαίνεται το σημείο λειτουργίας των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Σχήμα 6.9: Τάση τροφοδοτικού, τάση εισόδου και ρεύμα εισόδου Σχήμα 6.10: Τάση και ρεύμα εξόδου

144 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.11: Σημείο λειτουργίας φωτοβολταϊκού (εξομοιωμένο) Τέλος, ολόκληρη η διάταξη συνδέθηκε με είσοδο τα φωτοβολταϊκά πάνελ του ΕΗΜΕ μέσω ενός διακόπτη, ο οποίος φαίνεται στο σχήμα Το πείραμα πραγματοποιήθηκε στις 3:00 μ.μ. Τα αποτελέσματα φαίνονται στον Πίνακα 6.6 και στα σχήματα 6.12 και Πίνακας 6.6: Μετρήσεις ελέγχου MPPT με φωτοβολταϊκό V oc (V) I sc (A) V in (V) V out (V) I out (A) I in (A) P in (W) P out (W) η(%) Θεωρητικό 43,76 3,15 35,4 47,9 2,21 2,99 105,8 105,8 100 Πραγματικό 40,3 2,6 30,8 35,39 1,72 2,206 67,9 60,87 89,6 Σχήμα 6.12: Τάση και ρεύμα εισόδου Σχήμα 6.13: Τάση και ρεύμα εξόδου

145 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.14: Διακόπτης παροχής φωτοβολταϊκού Παρατηρούμε, πως λόγω ακτινοβολίας G < 1000 W m 2 και θερμοκρασίας Τ > 25 στα φωτοβολταϊκά πλαίσια, η V oc και το I sc είναι μικρότερα από τα θεωρητικά. Η τάση V mp είναι περίπου το 76% της τάσης V oc, ενώ το ρεύμα I mp είναι περίπου το 85% του I sc. Έτσι, γίνεται αντιληπτό, πως ο έλεγχος βρίσκει το πραγματικό σημείο μέγιστης ισχύος ακόμα και κάτω από αυτές τις συνθήκες, αφού γνωρίζουμε πως V mp (70% 82%) V oc, ενώ I mp (86%) I sc. 6.4 Συμπεράσματα και Προοπτικές Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε ένα αυτόνομο Φ/Β σύστημα, που παρέχει ενέργεια για το φωτισμό των κοινόχρηστων χώρων μίας πολυκατοικίας, ενώ αποθηκεύει την πλεονάζουσα ενέργεια σε συσσωρευτές μολύβδου για εφεδρεία. Αρχικά, έγινε ανάλυση και προσομοίωση κάθε επιμέρους τμήματος, αλλά και του συνολικού συστήματος, δίνοντας ιδιαίτερη προσοχή και έμφαση στο μετατροπέα ανύψωσης τάσης, ο οποίος και κατασκευάστηκε. Επιπλέον, για την καλύτερη εποπτεία του συστήματος και τη συνεχή ενημέρωση του χρήστη προγραμματίσθηκε μία οθόνη υγρών κρυστάλλων (LCD) που εμφανίζει όλα τα σημαντικά μεγέθη της διάταξης, όπως είναι ο λόγος κατάτμησης, η τάση, το ρεύμα και η ισχύς, τόσο στην είσοδο, όσο και στην έξοδο. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων διαπιστώθηκε η ορθή λειτουργία του μετατροπέα, καθώς και το ικανοποιητικό επίπεδο του βαθμού απόδοσής του και του κέρδους τάσης του. Στη συνέχεια, εφαρμόστηκε στο σύστημα αλγόριθμος MPPT για τη λειτουργία του στο σημείο μέ

146 Κεφάλαιο 6 ο γιστης ισχύος. Ο αλγόριθμος αυτός εντάσσεται στο γενικότερο έλεγχο του αυτόνομου συστήματος, που είναι η διακοπτόμενη μέθοδος φόρτισης συσσωρευτών Intermittent Charging. Η μέθοδος MPPT που χρησιμοποιήθηκε, είναι η Διαταραχής και Παρατήρησης (P&O) με σταθερό βήμα και πιο συγκεκριμένα η μέθοδος Hill Climbing, ενώ θα πρέπει να αναφερθεί πως καθοριστικά σημαντική, ήταν η επιλογή του συνδυασμού βήματος και συχνότητας δειγματοληψίας για την επιτυχή εφαρμογή της. Σε αυτό το σημείο πρέπει να αναφερθεί πως κατά τη διάρκεια των πειραματικών δοκιμών και κυρίως κατά τις δοκιμές του ελέγχου, παρουσιάστηκαν προβλήματα λόγω ηλεκτρομαγνητικού θορύβου στη διάταξη, εξαιτίας της συνύπαρξης του κυκλώματος ισχύος με το κύκλωμα ελέγχου στην ίδια πλακέτα. Αυτό όπως ήταν λογικό επηρέασε και τις ενδείξεις της οθόνης LCD. Ωστόσο, το πρόβλημα λύθηκε σε μεγάλο βαθμό με την προσθήκη φίλτρων σε συγκεκριμένες θέσεις του κυκλώματος ελέγχου, όσο και με την εφαρμογή ψηφιακού φιλτραρίσματος των σημάτων ελέγχου στον κώδικα του μικροελεγκτή. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον για περαιτέρω μελέτη παρουσιάζει η εφαρμογή ενός υβριδικού ελέγχου του συστήματος, που περιλαμβάνει τόσο έλεγχο MPPT, όσο και έλεγχο PI στην τάση εισόδου μετατροπέα/εξόδου του Φ/Β για την αποδοτικότερη και ασφαλέστερη λειτουργία των συσσωρευτών, αλλά και του συστήματος γενικότερα [25][26]. Τέλος, ενδιαφέρουσα προοπτική αποτελεί η χρήση της διάταξης σε πραγματική εγκατάσταση κτιρίου, η οποία θα ενσωματώνει και το νέο τύπο Φ/Β (διαφανή Φ/Β PV Glass) για τα οποία έγινε η αρχική μελέτη του συστήματος

147 Βιβλιογραφία ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1]. [2]. [3]. Κωνσταντίνος Χατζής «Το ενεργειακό πρόβλημα και η λύση των ανανεώσημων πηγών ενέργειας-παράδειγμα δημιουργίας φωτοβολταϊκού πάρκου 100kW στο αεροδρόμιο της Ν. Αγχιάλου», Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας, Τμήμα Μηχανικών Χωροταξίας Πολεοδομίας και Περιφερειακής Ανάπτυξης [4]. [5]. [6]. Γαβριήλ Β. Γιαννακόπουλος, Νικόλαος Α. Βοβός, «Εισαγωγή στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Εκδόσεις ΖΗΤΗ, Θεσσαλονίκη 2008 [7]. Ζαχαρίας Θωμάς, «ΗΠΙΕΣ ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙΙ», Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, Πάτρα 2012 [8]. V%20curves%20and%20how%20to%20make%20the%20fitting%20work.aspx [9]. [10]. [11]

148 Βιβλιογραφία [12]. [13]. [14]. [15]. [16]. [17]. [18]. [19]. Σταυρούλα Γ. Ρήγα, «Μελέτη και κατασκευή φωτοβολταϊκού αντλητικού συστήματοςέλεγχος για λειτουργία στο σημείο μέγιστης ισχύος», Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών [20]. Εμμανουήλ Κ. Τατάκης, «Σημειώσεις Εργαστηρίου Ηλεκτρονικών Ισχύος ΙΙ», Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, Πάτρα 2013 [21]. Εμμανουήλ Κ. Τατάκης, «Διαλέξεις Ηλεκτρονικών Ισχύος ΙΙ», Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών [22]. Παναγιώτη Γ. Χατζηδάκη, «Ανάλυση λειτουργίας θερμοηλεκτρικών στοιχείων- Απομάστευση Μέγιστης ισχύος», Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών

149 Βιβλιογραφία [23]. [24]. Ιωάννα-Σοφία Ε. Μαγεράκη, «Μελέτη και κατασκευή δικατευθυντήριου μετατροπέα για τη διασύνδεση συσσωρευτών με το δίκτυο χαμηλής τάσης», Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών [25]. S. Armstrong, M.E. Glavin, W.G. Hurley, «Comparison of Battery Charging Algorithms for Stand Alone Photovoltaic Systems», Power and Energy Research Center, National University of Ireland, Galway [26]. Sandeep Anand, Rajesh Singh Farswan, Bhukya Mangu, B.G. Fernandes, «Optimal charging of battery using solar PV in standalone DC system», Department of Electrical Engineering, Indian Institute of Technology, Bombay, India [27]. [28]. [29]. Ιορδάνης Κιοσκερίδης, «ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ», Εκδόσεις ΤΖΙΟΛΑ, 2008 [30]. N. Mohan, T. Undeland, W. Robbins, «ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ, Ανάλυση Σχεδίαση και Εφαρμογές των Ηλεκτρονικών Μετατροπέων Ισχύος», Εκδόσεις ΤΖΙΟΛΑ, 2010 [31]. Θεόδωρος Δ. Διαγούπη, «Μελέτη, προσομοίωση και κατασκευή αντιστροφέα τάσης για τη σύνδεση ανεμογεννήτριας με το δίκτυο», Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών [32]. Μαργαρίτα Α. Καλογεροπούλου, «Μελέτη και κατασκευή μετατροπέα για χρήση σε σύστημα διασύνδεσης Φ/Β γεννήτριας με το δίκτυο χαμηλής τάσης», Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών

150 Βιβλιογραφία [33]. Lloyd H., Dixon, Jr, «Magnetics Design Handbook», Power Supply Design Seminar, Texas Instruments [34]. [35]. [36]. [37]. Χαρούλα Γ. Ζωγόγιαννη, «Σύνδεση ανεμογεννήτριας μικρής ισχύος με το δίκτυο χαμηλής τάσης-κατασκευή τριφασικού αντιστροφέα τάσης ελεγχόμενου από μικροελεγκτή», Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών [38]. [39]. [40]. [41]. [42]. Julyan Ilett, «How to use intelligent L.C.D.s, Part One», Everyday Practical Electronics, February 1997 [43]. Julyan Ilett, «How to use intelligent L.C.D.s, Part Two», Everyday Practical Electronics, March

151 Παράρτημα Α ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΣΧΗΜΑΤΙΚΑ ΚΑΙ ΤΥΠΩΜΕΝΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ (PCB) ΠΛΑΚΕΤΑΣ

152 Παράρτημα Α

153 Παράρτημα Α

154 Παράρτημα Α

155 Παράρτημα Β ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΚΩΔΙΚΕΣ ΕΛΕΓΧΟΥ Κώδικας Matlab function [D, flag] = fcn(vpv,ipv,vbat,ibat) Dstep = 0.005; %Orismos statherwn Vbatmax = 52; Ibatmax = 4; Dmax = 0.9; Dmin = 0.1; flag = 0; persistent Pold Dold k a; %Arxikopoihsh metavlitwn if isempty(a) a=0; end if isempty(k) k=1; end if isempty(pold) Pold = 0; end if isempty(dold) Dold=0.18; end Pnew = Vpv*Ipv; %Ypologismos neas isxyos. if Vbat<Vbatmax && Ibat<Ibatmax %Anw oria IntermittentCharging if a~=1 %Energopoihsh MPPT P&O if Pnew>=Pold k=k; flag=1; else k=-k; flag=2; end else %Apenergopoihsh MPPT P&O if Vbat<50 %Katw orio Intermittent Charging

156 Παράρτημα Β a=0; if Pnew>=Pold k=k; flag=3; else k=-k; flag=4; end else k=-1; flag=5; end end else k=-1; flag=6; a=1; end %Epanenrgopoihsh MPPT P&O %Apenergopoihsh MPPT P&O D=Dold+k*Dstep; if D>=Dmax D=Dmax; flag=7; end Pold = Pnew; Dold = D; end %Megisto D leitourgias %Anathesi timwn gia tinepomeni epanalhpsh Κώδικας Μικροελεγκτή στο MPLAB //FOSC #pragma config FPR = FRC_PLL16 // Primary Oscillator Mode (FRC w/ PLL 16x) #pragma config FOS = PRI // Oscillator Source (Primary Oscillator) #pragma config FCKSMEN = CSW_FSCM_OFF // Clock Switching and Monitor (Sw Disabled, Mon Disabled) // FWDT #pragma config FWPSB = WDTPSB_16 // WDT Prescaler B (1:16)

157 Παράρτημα Β #pragma config FWPSA = WDTPSA_512 // WDT Prescaler A (1:512) #pragma config WDT = WDT_OFF // Watchdog Timer (disenabled) // FBORPOR #pragma config FPWRT = PWRT_64 // POR Timer Value (64ms) #pragma config BODENV = BORV20 // Brown Out Voltage (Reserved) #pragma config BOREN = PBOR_ON // PBOR Enable (Enabled) #pragma config LPOL = PWMxL_ACT_HI // Low-side PWM Output Polarity (Active High) #pragma config HPOL = PWMxH_ACT_HI // High-side PWM Output Polarity (Active High) #pragma config PWMPIN = RST_IOPIN // PWM Output Pin Reset (Control with PORT/TRIS regs) #pragma config MCLRE = MCLR_EN // Master Clear Enable (Enabled) // FGS #pragma config GWRP = GWRP_OFF (Disabled) #pragma config GCP = CODE_PROT_OFF (Disabled) // General Code Segment Write Protect // General Segment Code Protection // FICD #pragma config ICS = ICS_PGD PGD/EMUD) // Comm Channel Select (Use PGC/EMUC and #include "xc.h" #include "p30f4011.h" #define FCY UL // Defined for delay32 function extern void delay32(unsigned long cycles); #define delay_ms(d) \

158 Παράρτημα Β { delay32( (unsigned long) (((unsigned long long) d)*(fcy)/1000ull)); } #define delay_us(d) \ { delay32( (unsigned long) (((unsigned long long) d)*(fcy)/ ull)); } // void InitPWM(void); void InitADC(void); //Dhlwsh Metavlitwn float x0,x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,anal0,anal1,anal2,anal3,anal4,anal5,anal6,anal7,pin,pout; float val0,val1,val2,val3,val4,val5,val6,val7; //val0=analog0... float Dold, D, dp, V, I, Vold, Iold, Pold, Pnew; int j=0, i=0, k=0, r=0, p=0, a=0, b=0, c=0, e=0, w=0; int A[20],B[20],C[20],E[20]; int main(){ for (j=0;j<20;j++){ A[j]=0; B[j]=0; C[j]=0; E[j]=0; } //Arxikopoihsh Pinakwn InitPWM(); InitADC(); Pold=0; //Arxikopoihsh isxyos Dold=0.1; //Arxikopoihsh logoy katatmisis PDC1=2*Dold*(PTPER+1); w=1; //Arxikh diataraxh me thetiko vhma delay_ms(1000); //Kathysterisi 1sec mexri na statheropoihthei o palmos

159 Παράρτημα Β while(1){ //Programma poy epanalamvanete-mppt if(r%128==0){ D=Dold+w*0.015;//Diataraxh me Dstep=0.015 & kateythinsh analoga to w if (D>0.9){ //Megistos logos katatmisis D=0.9; } if (D<0.1){ //Elaxistos logos katatmisis D=0.1; } PDC1=2*D*(PTPER+1); //Nea diataraxh me neo palmo meta ton MPPT delay_ms(3000); //Periodos ekteleshs elegxoy MPPT Pnew=(anal0*anal1); //Ypologismos neaw isxyos //MPPT dp=pnew-pold; //Ypologismos metavolhs isxyos if (dp>0){ if (D>Dold){ w=1; } else{ w=-1; } } else{ if (D>Dold){ w=-1; } else{ w=1; }

160 Παράρτημα Β } } } } Pold=Pnew; Dold=D; void attribute (( interrupt, auto_psv ))_ADCInterrupt(void){ val0=(adcbuf1+adcbuf9)/2.0; //Vin x0=(val0*5)/1023.0; anal0=(x0*44)/3.385; if (anal0<0.3){ anal0=0.0; } r=r+1; if ((r-(r/128)*128)==0){ //Iin C[c]=ADCBUF2; C[c+1]=ADCBUFA; c=c+2; if (c==20){ val1=(c[0]+c[1]+c[2]+c[3]+c[4]+c[5]+c[6]+c[7]+c[8]+c[9]+c[10]+c[11]+c[12]+c[13] +C[14]+C[15]+C[16]+C[17]+C[18]+C[19])/20.0; c=0; } } x1=(val1*5)/1023.0; anal1=(((x1-2.5)/0.625)*2); Pin=anal0*anal1; //Pin val2=(adcbuf3+adcbufb)/2.0; //Vout x2=(val2*5)/1023.0;

161 Παράρτημα Β anal2=((x2*48)/3.692)-1; if (anal2<0.3){ anal2=0.0; } i=i+1; if ((i-(i/128)*128)==0){ B[b]=ADCBUF0; B[b+1]=ADCBUF8; b=b+2; if (b==20){ //Iout val6=(b[0]+b[1]+b[2]+b[3]+b[4]+b[5]+b[6]+b[7]+b[8]+b[9]+b[10]+b[11]+b[12]+b[13] +B[14]+B[15]+B[16]+B[17]+B[18]+B[19])/20.0; b=0; } } x6=(val6*5)/1023.0; anal6=(((x6-2.5)/0.625)*2)-0.3; Pout=anal2*anal6; //Pout k=k+1; //Duty Cycle if ((k-(k/128)*128)==0){ A[a]=ADCBUF5; A[a+1]=ADCBUFD; a=a+2; if (a==20){ val3=(a[0]+a[1]+a[2]+a[3]+a[4]+a[5]+a[6]+a[7]+a[8]+a[9]+a[10]+a[11]+a[12]+a[1 3]+A[14]+A[15]+A[16]+A[17]+A[18]+A[19])/20.0; a=0; } }

162 Παράρτημα Β x3=(val3*5)/1023.0; anal3=x3/5.0; p=p+1; if ((p-(p/128)*128)==0){ E[e]=ADCBUF6; E[e+1]=ADCBUFE; e=e+2; if (e==20){ //I Battery val4=(e[0]+e[1]+e[2]+e[3]+e[4]+e[5]+e[6]+e[7]+e[8]+e[9]+e[10]+e[11]+e[12]+e[13]+ E[14]+E[15]+E[16]+E[17]+E[18]+E[19])/20.0; e=0; } } x4=(val4*5)/1023.0; anal4=(((x4-2.5)/0.625)*2)-0.3; val5=(adcbuf7+adcbuff)/2.0; //I Battery Max x5=(val5*5)/1023.0; anal5=(x5*3.5)/5.0; val7=(adcbuf4+adcbufc)/2.0; //V Battery Max x7=(val7*5)/1023.0; anal7=(x7*56)/5.0; _ADIF=0; } //Arxikopoihsh PWM periferiakoy void InitPWM(void){ PWMCON1=0; PWMCON2=0; PWMCON1=0x0F10; PWMCON2=0x0004;

163 Παράρτημα Β } PTPER=588; PDC1=PTPER+1; PTCON=0x8000; //Diakoptiki Periodos //Arxikopoihsh D=0.5 //Arxikopoihsh ADC periferiakoy void InitADC(void){ ADCON1=0; ADCSSL=0x0000; //Adiaforo ADCHS=0x2706; ADPCFG=0x0100; ADCON3=0x1F3F; //Tad=32Tcy Tsample=31Tad ADCON2=0x020D; //Interrupt kathe 4th sample/convert ADCON1=0x80EC; _ADIE=1; } Κώδικας οθόνης LCD // void InitPWM(void); void InitADC(void); void enablef(void); void Lcd_Cmd(unsigned char); void Lcd_number(float); void Lcd_out(unsigned char); void Lcd_YX(unsigned int,unsigned int); void Lcd_string(const char *);

164 Παράρτημα Β // float x0,x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,anal0,anal1,anal2,anal3,anal4,anal5,anal6,anal7,pin,pout; float val0,val1,val2,val3,val4,val5,val6,val7; //val0=analog0... int i=0, j=0, k=0, a=0, r=0; int A[20],B[20]; int main(){ delay_ms(100); _TRISE2=0; _TRISE3=0; _TRISE4=0; _TRISE5=0; TRISD=0; TRISF=0; Lcd_Cmd(0b ); delay_ms(10); Lcd_Cmd(0b ); delay_ms(1); Lcd_Cmd(0b ); Lcd_Cmd(0b ); Lcd_Cmd(0b ); Lcd_Cmd(0b ); Lcd_Cmd(0b ); Lcd_Cmd(0b ); Lcd_Cmd(0b ); //Function Set //Display OFF //Clear Display //Entry Mode Set-Initialization Ends //Display ON //Clear Display for (j=0;j<20;j++){ A[j]=0; B[j]=0; }

165 Παράρτημα Β InitPWM(); InitADC(); while(1){ Lcd_YX(1,1); Lcd_string("Vin="); Lcd_number(anal0); Lcd_string("V"); Lcd_YX(1,12); Lcd_string("Iin="); Lcd_number(anal1); Lcd_string("A"); Lcd_YX(2,1); Lcd_string("Pin="); Lcd_number(Pin); Lcd_string("W"); Lcd_YX(3,1); Lcd_string("Vout="); Lcd_number(anal2); Lcd_string("V"); Lcd_YX(3,12); Lcd_string("Iout="); Lcd_number(anal6); Lcd_string("A"); Lcd_YX(4,1); Lcd_string("Pout="); Lcd_number(Pout); Lcd_string("W"); delay_ms(2000); Lcd_Cmd(0b ); Lcd_string("Vbatmax="); Lcd_number(anal7);

166 Παράρτημα Β Lcd_string("V"); Lcd_YX(2,1); Lcd_string("Ibatmax="); Lcd_number(anal5); Lcd_string("A"); Lcd_YX(3,1); Lcd_string("Ibat="); Lcd_number(anal4); Lcd_string("A"); Lcd_YX(4,1); Lcd_string("Duty Cycle="); Lcd_number((PDC1/(2*PTPER+1.0))*100); Lcd_string("%"); delay_ms(2000); Lcd_Cmd(0b ); } } // void InitPWM(void){ PWMCON1=0; PWMCON2=0; PWMCON1=0x0F10; PWMCON2=0x0004; PTPER=588; PDC1=PTPER+1; PTCON=0x8000; } void InitADC(void) { ADCON1=0;

167 Παράρτημα Β ADCSSL=0x0000; ADCHS=0x2706; ADPCFG=0x0100; ADCON3=0x1F3F; ADCON2=0x020D; ADCON1=0x80EC; _ADIE=1; } //Adiaforo //Tad=32Tcy Tsample=31Tad //Interrupt kathe 4th sample/convert void attribute ((interrupt))_adcinterrupt(void){ val0=(adcbuf1+adcbuf9)/2.0; //Vin x0=(val0*5)/1023.0; anal0=(x0*44)/3.385; if (anal0<0.3){ anal0=0.0; } val1=(adcbuf2+adcbufa)/2.0; //Iin x1=(val1*5)/1023.0; anal1=((x1-2.0)*3.2)/3.5; //anal1=((x1-2.5)/0.625)*2; val2=(adcbuf3+adcbufb)/2.0; //Vout x2=(val2*5)/1023.0; anal2=(x2*48)/3.692; if (anal2<0.3){ anal2=0.0; } anal2=anal2-2; k=k+1; //Duty Cycle if ((k-(k/128)*128)==0){ A[i]=ADCBUF5; A[i+1]=ADCBUFD;

168 Παράρτημα Β i=i+1; if (i==20){ val3=(a[0]+a[1]+a[2]+a[3]+a[4]+a[5]+a[6]+a[7]+a[8]+a[9]+a[10]+a[11]+a[12]+a[1 3]+A[14]+A[15]+A[16]+A[17]+A[18]+A[19])/20.0; i=0; } } x3=(val3*5)/1023.0; anal3=x3/5.0; val4=(adcbuf6+adcbufe)/2.0; //I Battery x4=(val4*5)/1023.0; anal4=((x4)*3.4)/5.0; val5=(adcbuf7+adcbuff)/2.0; //I Battery Max x5=(val5*5)/1023.0; anal5=(x5*3.5)/5.0; a=a+1; //Iout if ((a-(a/128)*128)==0){ B[r]=ADCBUF0; B[r+1]=ADCBUF8; r=r+1; if (r==20){ val6=(b[0]+b[1]+b[2]+b[3]+b[4]+b[5]+b[6]+b[7]+b[8]+b[9]+b[10]+b[11]+b[12]+b[13] +B[14]+B[15]+B[16]+B[17]+B[18]+B[19])/20.0; r=0; } } //val6=(adcbuf0+adcbuf8)/2.0; x6=(val6*5)/1023.0; anal6=(((x6-2.5)/0.3125)-0.1)/10;

169 Παράρτημα Β } val7=(adcbuf4+adcbufc)/2.0; x7=(val7*5)/1023.0; anal7=(x7*56)/5.0; Pin=anal0*anal1; //Pin Pout=anal2*anal6; //Pout PDC1=(2*PTPER+1)*anal3; _ADIF=0; //V Battery Max void enablef(void){ _RD0=0; delay_ms(1); _RD0=1; delay_ms(1); } void Lcd_Cmd(unsigned char Data){ numbers with range _RD2=0; _RF0=((Data >> 7) & 0b1); _RF1=((Data >> 6) & 0b1); _RF4=((Data >> 5) & 0b1); _RF5=((Data >> 4) & 0b1); _RE5=((Data >> 3) & 0b1); _RE4=((Data >> 2) & 0b1); _RE3=((Data >> 1) & 0b1); _RE2=((Data) & 0b1); enablef(); } //unsigned char-use character types as

170 Παράρτημα Β void Lcd_number(float Data){ //Break down the number into unsigned char thousands,hundreds,tens,ones,dek1,dek2; //thousands, hundreds, tens, ones thousands = Data/1000; if (thousands!=0){ Lcd_out(thousands+0x30); //add 0x30 for ASCII format } hundreds = (Data-thousands*1000)/100; if (thousands!=0 hundreds!=0){ Lcd_out(hundreds+0x30); //add 0x30 for ASCII format } tens = (Data-thousands*1000-hundreds*100)/10; if (thousands!=0 hundreds!=0 tens!=0){ Lcd_out(tens+0x30); //add 0x30 for ASCII format } ones = Data-thousands*1000-hundreds*100-tens*10; Lcd_out(ones+0x30); if ((Data-thousands*1000-hundreds*100-tens*10-ones)!=0){ Lcd_string("."); dek1 = (Data -(int)data)*10; Lcd_out(dek1+0x30); //dek2 = (Data -((int)data/1)- dek1*(0.1))*100; //if (dek2!=0){ // Lcd_out(dek2+0x30); //} } }

171 Παράρτημα Β void Lcd_string(const char *Data){ type) //Lcd_Cmd(0x08); while (*Data){ string Lcd_out(*Data++); } //Lcd_Cmd(0x0C); } //Write message to LCD (C string //Disable display // Look for end of //Enable display void Lcd_out(unsigned char Data){ _RD2= 1; _RF0=((Data >> 7) & 0b1); _RF1=((Data >> 6) & 0b1); _RF4=((Data >> 5) & 0b1); _RF5=((Data >> 4) & 0b1); _RE5=((Data >> 3) & 0b1); _RE4=((Data >> 2) & 0b1); _RE3=((Data >> 1) & 0b1); _RE2=((Data) & 0b1); enablef(); //Send to LCD } //Sending data void Lcd_YX(unsigned int y,unsigned int x){ if(x<20 && y<5){ if (y==1) x = x - 1; //Go to line 1 and keep x value else if(y==2) x = x x40; //Go to line 2 and keep x value else if(y==3)

172 Παράρτημα Β } } x = x x14; else if (y==4) x = x x54; x = x + 0x80; Lcd_Cmd(x); //Go to line 3 and keep x value //Go to line 4 and keep x value // Add "1" at the start for the right command

173 Παράρτημα Γ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ ΦΥΛΛΑΔΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ PQ 36/53 D MOSFET STF30N10F7 ΔΙΟΔΟΣ NTSJ30U80CTG ΟΘΟΝΗ LCD MIDAS MC42004A6W-SPTLY

174 Solar Module PQ 36/53 D Electrical Data The electrical Data apply to standard test conditions (STC). Irradiance at the module level of 1,000 W/m 2 with spectrum AM 1.5 and a cell temperature of 25 C. Nominal Power 53 Wp* Voltage at Maximum-Power Point 17,9 V* Current at Maximum-Power Point 2,95 A* Open-Circuit Voltage 21,5 V* Short-Circuit Current 3,15 A* Max. System Voltage 750 V DC Electrical Protection Class II *Rated power in accordance to ISPRA standard 1997, the rated power may vary by ±10 % Conditions Temperature Oxidation Max. load *Limit values for short time exposition -50 C to +90 C* resistant against see water up to 800 Pa at 130 km/h wind speed Safety Factor 3 The module PQ 36 D with chemically hardened glass at the front and rear side is qualified by the Joint Research Centre ISPRA of the EG-Commission in accordance to the test specifications 503 for solar generators. Junction boxes to be mounted at the top Mechanical Data Solar Cells Encapsulation Weight multi-crystalline Silicon EFG-Cells 10 cm x 10 cm Glass / EVA / Glass Front glas 3 mm hardened Glass Cer doped EVA rear side foil (Ethyl-Vinyl-Acetat) Rear side glass 2 mm chemical hardened 7.8 kg Dimensions Front Rear SCHOTT Solar GmbH, D Alzenau T +49(0) F +49(0) I PQ3653D english\12.02

175 STD30N10F7, STF30N10F7 N-channel 100 V, 0.02 Ω typ., 35 A STripFET VII DeepGATE Power MOSFET in DPAK and TO-220FP packages Features Datasheet production data Order codes V DS R DS(on) max I D P TOT STD30N10F7 100 V Ω 32 A 50 W TAB STF30N10F7 24 A 25 W DPAK 1 3 TO-220FP Ultra low on-resistance 100% avalanche tested Applications Switching applications Figure 1. Internal schematic diagram Description These devices utilize the 7 th generation of design rules of ST s proprietary STripFET technology, with a new gate structure. The resulting Power MOSFET exhibits the lowest R DS(on) in all packages. Table 1. Device summary Order codes Marking Package Packaging STD30N10F7 DPAK Tape and reel 30N10F7 STF30N10F7 TO-220FP Tube November 2013 DocID Rev 1 1/19 This is information on a product in full production.

176 Contents STD30N10F7, STF30N10F7 Contents 1 Electrical ratings Electrical characteristics Electrical characteristics (curves) Test circuits Package mechanical data Packaging mechanical data Revision history /19 DocID Rev 1

177 STD30N10F7, STF30N10F7 Electrical ratings 1 Electrical ratings Table 2. Absolute maximum ratings Symbol Parameter DPAK Value TO-220FP Unit V DS Drain-source voltage 100 V GS Gate- source voltage 20 V I D Drain current (continuous) at T C = 25 C 32 (1) 24 A I D Drain current (continuous) at T C = 100 C 23 (1) 16 A (2) I DM Drain current (pulsed) T C = 25 C A P TOT Total dissipation at T C = 25 C W T J Operating junction temperature C -55 to 175 T stg Storage temperature C 1. This value is rated according to R thj-c 2. This value is rated according to R thj-pcb Table 3. Thermal data Symbol Parameter DPAK Value TO-220FP Unit (1) R thj-pcb Thermal resistance junction-pcb max 50 C/W R thj-case Thermal resistance junction-case max 3 6 C/W R thj-amb Thermal resistance junction-ambient max 62.5 C/W 1. When mounted on 1 inch² FR-4 board, 2 oz Cu DocID Rev 1 3/19 19

178 Electrical characteristics STD30N10F7, STF30N10F7 2 Electrical characteristics (T C = 25 C unless otherwise specified) Table 4. On /off states Symbol Parameter Test conditions Min. Typ. Max. Unit V (BR)DSS I DSS I GSS Drain-source breakdown voltage Zero gate voltage drain current Gate-body leakage current V GS = 0, I D = 250 µa 100 V V GS = 0, V DS = 100 V 1 µa V GS = 0, V DS = 100 V, T C =125 C 100 µa V DS = 0, V GS = +20 V 100 na V GS(th) Gate threshold voltage V DS = V GS, I D = 250 µa V R DS(on) Static drain-source onresistance V GS = 10 V, I D = 16 A Ω Table 5. Dynamic Symbol Parameter Test conditions Min. Typ. Max. Unit C iss Input capacitance pf C oss Output capacitance V DS = 50 V, f = 1 MHz, pf C rss V GS = 0 Reverse transfer capacitance pf Q g Total gate charge V DD = 50 V, I D = 32 A, nc Q gs Gate-source charge V GS = 10 V nc Q gd Gate-drain charge (see Figure 16) nc Table 6. Switching times Symbol Parameter Test conditions Min. Typ. Max. Unit t d(on) Turn-on delay time ns V DD = 50 V, I D = 16 A, t r Rise time ns R G = 4.7 Ω, V GS = 10 V t d(off) Turn-off delay time (see Figure 15) ns t f Fall time ns 4/19 DocID Rev 1

179 STD30N10F7, STF30N10F7 Electrical characteristics Table 7. Source drain diode Symbol Parameter Test conditions Min. Typ. Max. Unit I SD Source-drain current A I (1) SDM Source-drain current (pulsed) A V (2) SD Forward on voltage I SD = 32 A, V GS = V t rr Reverse recovery time I SD = 32 A, di/dt = 100 A/µs - 41 ns Q rr Reverse recovery charge V DD = 80 V, T J =150 C - 47 nc I RRM Reverse recovery current (see Figure 17) A 1. Pulse width limited by safe operating area 2. Pulsed: pulse duration = 300 µs, duty cycle 1.5%. DocID Rev 1 5/19 19

180 Electrical characteristics STD30N10F7, STF30N10F7 2.1 Electrical characteristics (curves) Figure 2. Safe operating area for DPAK Figure 3. Thermal impedance for DPAK ID (A) AM16172v1 K δ=0.5 AM16183v Operation in this area is Limited by max RDS(on) Tj=150 C Tc=25 C Single pulse VDS(V) 100µs 1ms 10ms Figure 4. Safe operating area for TO-220FP Single pulse tp(s) 10-3 Figure 5. Thermal impedance for TO-220FP pcb ID (A) AM16173v1 K δ=0.5 AM16184v Operation in this area is Limited by max RDS(on) Tj=150 C Tc=25 C Single pulse VDS(V) Figure 6. Output characteristics 100µs 1ms 10ms Single pulse tp(s) 10-3 pcb Figure 7. Transfer characteristics ID (A) 100 VGS=10V 9V AM16174v1 ID (A) 100 VDS=4V AM16175v1 80 8V V V 20 5V VDS(V) VGS(V) 6/19 DocID Rev 1

181 STD30N10F7, STF30N10F7 Electrical characteristics Figure 8. Gate charge vs gate-source voltage Figure 9. Static drain-source on-resistance VGS (V) VDD=50V ID=22A AM16176v1 RDS(on) (Ω) VGS=10V ID=16A AM16177v Qg(nC) Figure 10. Capacitance variations C (pf) Coss 0 Crss VDS(V) Figure 12. Normalized on-resistance vs temperature AM16178v1 Ciss ID(A) Figure 11. Normalized gate threshold voltage vs temperature VGS(th) (norm) ID=250µA AM16179v TJ( C) Figure 13. Normalized V DS vs temperature RDS(on) (norm) 2 AM16180v1 VDS (norm) ID=250µA AM16181v TJ( C) TJ( C) DocID Rev 1 7/19 19

182 Electrical characteristics STD30N10F7, STF30N10F7 Figure 14. Source-drain diode forward characteristics VSD (V) 1 TJ=-55 C AM16182v1 0.9 TJ=25 C TJ=150 C ISD(A) 8/19 DocID Rev 1

183 STD30N10F7, STF30N10F7 Test circuits 3 Test circuits Figure 15. Switching times test circuit for resistive load Figure 16. Gate charge test circuit VDD VGS VD RG RL D.U.T µf 3.3 µf VDD Vi=20V=VGMAX 2200 μf 12V IG=CONST 2.7kΩ 47kΩ 100Ω 100nF D.U.T. 1kΩ VG PW 47kΩ PW 1kΩ AM01468v1 AM01469v1 Figure 17. Test circuit for inductive load switching and diode recovery times Figure 18. Unclamped inductive load test circuit G 25 Ω D S A D.U.T. B A FAST DIODE B A B D L=100μH μf μf VDD VD ID L 2200 μf 3.3 μf VDD G RG S Vi D.U.T. AM01470v1 Pw AM01471v1 Figure 19. Unclamped inductive waveform Figure 20. Switching time waveform V(BR)DSS ton toff VD tdon tr tdoff tf ID IDM 0 90% 10% VDS 10% 90% VDD VDD VGS 90% AM01472v1 0 10% AM01473v1 DocID Rev 1 9/19 19

184 Package mechanical data STD30N10F7, STF30N10F7 4 Package mechanical data In order to meet environmental requirements, ST offers these devices in different grades of ECOPACK packages, depending on their level of environmental compliance. ECOPACK specifications, grade definitions and product status are available at: ECOPACK is an ST trademark. 10/19 DocID Rev 1

185 STD30N10F7, STF30N10F7 Package mechanical data Table 8. DPAK (TO-252) mechanical data Dim. mm Min. Typ. Max. A A A b b c c D D E E e 2.28 e H L (L1) 2.80 L L R 0.20 V2 0 8 DocID Rev 1 11/19 19

186 Package mechanical data STD30N10F7, STF30N10F7 Figure 21. DPAK (TO-252) drawing _K 12/19 DocID Rev 1

187 STD30N10F7, STF30N10F7 Package mechanical data Figure 22. DPAK footprint (a) Footprint_REV_K a. All dimensions are in millimeters DocID Rev 1 13/19 19

188 Package mechanical data STD30N10F7, STF30N10F7 Table 9. TO-220FP mechanical data Dim. mm Min. Typ. Max. A B D E F F F G G H L2 16 L L L L L Dia /19 DocID Rev 1

189 STD30N10F7, STF30N10F7 Package mechanical data Figure 23. TO-220FP drawing _Rev_K_B DocID Rev 1 15/19 19

190 Packaging mechanical data STD30N10F7, STF30N10F7 5 Packaging mechanical data Table 10. DPAK (TO-252) tape and reel mechanical data Tape Reel Dim. mm mm Dim. Min. Max. Min. Max. A A 330 B B 1.5 B C D D 20.2 D1 1.5 G E N 50 F T 22.4 K P Base qty P Bulk qty P R 40 T W /19 DocID Rev 1

191 STD30N10F7, STF30N10F7 Packaging mechanical data Figure 24. Tape for DPAK (TO-252) 10 pitches cumulative tolerance on tape +/- 0.2 mm T Top cover tape P0 D P2 E B1 K0 B0 F W For machine ref. only including draft and radii concentric around B0 A0 P1 D1 User direction of feed R User direction of feed Bending radius AM08852v1 REEL DIMENSIONS Figure 25. Reel for DPAK (TO-252) T 40mm min. Access hole At sl ot location B D C A N Full radius Tape slot in core for tape start 25 mm min. width G measured at hub AM08851v2 DocID Rev 1 17/19 19

192 Revision history STD30N10F7, STF30N10F7 6 Revision history Table 11. Document revision history Date Revision Changes 28-Nov First release. 18/19 DocID Rev 1

193 STD30N10F7, STF30N10F7 Please Read Carefully: Information in this document is provided solely in connection with ST products. STMicroelectronics NV and its subsidiaries ( ST ) reserve the right to make changes, corrections, modifications or improvements, to this document, and the products and services described herein at any time, without notice. All ST products are sold pursuant to ST s terms and conditions of sale. Purchasers are solely responsible for the choice, selection and use of the ST products and services described herein, and ST assumes no liability whatsoever relating to the choice, selection or use of the ST products and services described herein. No license, express or implied, by estoppel or otherwise, to any intellectual property rights is granted under this document. If any part of this document refers to any third party products or services it shall not be deemed a license grant by ST for the use of such third party products or services, or any intellectual property contained therein or considered as a warranty covering the use in any manner whatsoever of such third party products or services or any intellectual property contained therein. UNLESS OTHERWISE SET FORTH IN ST S TERMS AND CONDITIONS OF SALE ST DISCLAIMS ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTY WITH RESPECT TO THE USE AND/OR SALE OF ST PRODUCTS INCLUDING WITHOUT LIMITATION IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY, FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE (AND THEIR EQUIVALENTS UNDER THE LAWS OF ANY JURISDICTION), OR INFRINGEMENT OF ANY PATENT, COPYRIGHT OR OTHER INTELLECTUAL PROPERTY RIGHT. ST PRODUCTS ARE NOT DESIGNED OR AUTHORIZED FOR USE IN: (A) SAFETY CRITICAL APPLICATIONS SUCH AS LIFE SUPPORTING, ACTIVE IMPLANTED DEVICES OR SYSTEMS WITH PRODUCT FUNCTIONAL SAFETY REQUIREMENTS; (B) AERONAUTIC APPLICATIONS; (C) AUTOMOTIVE APPLICATIONS OR ENVIRONMENTS, AND/OR (D) AEROSPACE APPLICATIONS OR ENVIRONMENTS. WHERE ST PRODUCTS ARE NOT DESIGNED FOR SUCH USE, THE PURCHASER SHALL USE PRODUCTS AT PURCHASER S SOLE RISK, EVEN IF ST HAS BEEN INFORMED IN WRITING OF SUCH USAGE, UNLESS A PRODUCT IS EXPRESSLY DESIGNATED BY ST AS BEING INTENDED FOR AUTOMOTIVE, AUTOMOTIVE SAFETY OR MEDICAL INDUSTRY DOMAINS ACCORDING TO ST PRODUCT DESIGN SPECIFICATIONS. PRODUCTS FORMALLY ESCC, QML OR JAN QUALIFIED ARE DEEMED SUITABLE FOR USE IN AEROSPACE BY THE CORRESPONDING GOVERNMENTAL AGENCY. Resale of ST products with provisions different from the statements and/or technical features set forth in this document shall immediately void any warranty granted by ST for the ST product or service described herein and shall not create or extend in any manner whatsoever, any liability of ST. ST and the ST logo are trademarks or registered trademarks of ST in various countries. Information in this document supersedes and replaces all information previously supplied. The ST logo is a registered trademark of STMicroelectronics. All other names are the property of their respective owners STMicroelectronics - All rights reserved STMicroelectronics group of companies Australia - Belgium - Brazil - Canada - China - Czech Republic - Finland - France - Germany - Hong Kong - India - Israel - Italy - Japan - Malaysia - Malta - Morocco - Philippines - Singapore - Spain - Sweden - Switzerland - United Kingdom - United States of America DocID Rev 1 19/19 19

194 NTSJ30U80CTG Very Low Forward Voltage Trench-based Schottky Rectifier Exceptionally Low V F = 0.42 V at I F = 5 A Features Fine Lithography Trench based Schottky Technology for Very Low Forward Voltage and Low Leakage Fast Switching with Exceptional Temperature Stability Low Power Loss and Lower Operating Temperature Higher Efficiency for Achieving Regulatory Compliance Low Thermal Resistance High Surge Capability Pb Free and Halide Free Packages are Available Typical Applications Switching Power Supplies including Notebook / Netbook Adapters, ATX and Flat Panel Display High Frequency and DC DC Converters Freewheeling and OR ing diodes Reverse Battery Protection Instrumentation Mechanical Characteristics Case: Epoxy, Molded Epoxy Meets Flammability Rating UL in Finish: All External Surfaces Corrosion Resistant and Terminal Leads are Readily Solderable Lead Temperature for Soldering Purposes: 260 C Maximum for 10 sec VERY LOW FORWARD VOLTAGE, LOW LEAKAGE SCHOTTKY BARRIER RECTIFIERS 30 AMPERES, 80 VOLTS PIN CONNECTIONS TO 220FB CASE 221AH 2, 4 MARKING DIAGRAMS AYWW TS30U80CG AKA 1 A Y WW AKA G = Assembly Location = Year = Work Week = Polarity Designator = Pb Free Package ORDERING INFORMATION See detailed ordering and shipping information in the package dimensions section on page 2 of this data sheet. Semiconductor Components Industries, LLC, 2011 November, 2011 Rev. 0 1 Publication Order Number: NTSJ30U80CT/D

195 NTSJ30U80CTG MAXIMUM RATINGS Rating Symbol Value Unit Peak Repetitive Reverse Voltage Working Peak Reverse Voltage DC Blocking Voltage Average Rectified Forward Current (Rated V R, T C = 125 C) Per device Per diode V RRM V RWM V R I F(AV) V A Peak Repetitive Forward Current (Rated V R, Square Wave, 20 khz, T C = 120 C) Per device Per diode I FRM A Nonrepetitive Peak Surge Current (Surge applied at rated load conditions halfwave, single phase, 60 Hz) I FSM 160 A Operating Junction Temperature T J 40 to +150 C Storage Temperature T stg 40 to +150 C Voltage Rate of Change (Rated V R ) dv/dt 10,000 V/ s Stresses exceeding Maximum Ratings may damage the device. Maximum Ratings are stress ratings only. Functional operation above the Recommended Operating Conditions is not implied. Extended exposure to stresses above the Recommended Operating Conditions may affect device reliability. THERMAL CHARACTERISTICS Rating Symbol Value Unit Maximum Thermal Resistance (insertion mounted to 1 oz FR4 Board) 1. Junction to Case, using large Heatsink attached to device. 2. Junction to Ambient, using with no Heatsink. Junction to Case R JC 4.0 C/W Junction to Ambient R JA 105 C/W ELECTRICAL CHARACTERISTICS (Per Leg unless otherwise noted) Rating Symbol Typ Max Unit Maximum Instantaneous Forward Voltage (Note 3) (I F = 5 A, T J = 25 C) (I F = 7.5 A, T J = 25 C) (I F = 15 A, T J = 25 C) v F V (I F = 5 A, T J = 125 C) (I F = 7.5 A, T J = 125 C) (I F = 15 A, T J = 125 C) Maximum Instantaneous Reverse Current (Note 3) (Rated dc Voltage, T J = 25 C) (Rated dc Voltage, T J = 125 C) I R A ma 3. Pulse Test: Pulse Width = 300 s, Duty Cycle 2.0% ORDERING INFORMATION Device Package Shipping NTSJ30U80CTG TO 220FP (Pb Free) 50 Units / Rail 2

196 I NTSJ30U80CTG TYPICAL CHARACTERISITICS i F, INSTANTANEOUS FORWARD CURRENT (AMPS) 100 T A = 150 C T A = 25 C 10 T A = 125 C 1.0 R, REVERSE CURRENT (ma) 100 T A = 150 C 10 T A = 125 C T A = 25 C v F, INSTANTANEOUS FORWARD VOLTAGE (VOLTS) V R, REVERSE VOLTAGE (VOLTS) Figure 1. Typical Forward Voltage Figure 2. Typical Reverse Current C J, JUNCTION CAPACITANCE (pf) T J = 25 C V R, REVERSE VOLTAGE (VOLTS) Figure 3. Typical Junction Capacitance I F(AV), AVERAGE FORWARD CURRENT (A) dc SQUARE WAVE R JC = 1.3 C/W T C, CASE TEMPERATURE ( C) Figure 4. Current Derating per Leg I F(AV), AVERAGE FORWARD CURRENT (A) dc SQUARE WAVE R JC = 1.3 C/W T C, CASE TEMPERATURE ( C) Figure 5. Current Derating, Case P F(AV), AVERAGE FORWARD POWER DISSIPATION (W) I PK /I AV = 10 I PK /I AV = 20 I PK /I AV = 5 T A = 150 C I F(AV), AVERAGE FORWARD CURRENT (A) Figure 6. Forward Power Dissipation SQUARE WAVE dc 3

197 NTSJ30U80CTG TYPICAL CHARACTERISITICS R(t), TYPICAL TRANSIENT THERMAL RESISTANCE ( C/W) % Duty Cycle 20% 10% 5% 2% 1% Single Pulse t, Pulse Time (sec) Figure 7. Typical Transient Thermal Response, Junction to Case 4

198 NTSJ30U80CTG PACKAGE DIMENSIONS TO 220 FULLPACK, 3 LEAD CASE 221AH ISSUE B E/2 Q L 3X b2 e 4 E A P 0.14 M B A M D C L1 3X b 0.25 M B A M C H1 c A B A1 NOTE 3 A2 SEATING PLANE NOTES: 1. DIMENSIONING AND TOLERANCING PER ASME Y14.5M, CONTROLLING DIMENSION: MILLIMETERS. 3. CONTOUR UNCONTROLLED IN THIS AREA. 4. DIMENSIONS D AND E DO NOT INCLUDE MOLD FLASH AND GATE PROTRUSIONS. MOLD FLASH AND GATE PROTRUSIONS NOT TO EXCEED 0.13 PER SIDE. THESE DIMENSIONS ARE TO BE MEASURED AT OUTERMOST EXTREME OF THE PLASTIC BODY. 5. DIMENSION b2 DOES NOT INCLUDE DAMBAR PROTRUSION. LEAD WIDTH INCLUDING PROTRUSION SHALL NOT EXCEED MILLIMETERS DIM MIN MAX A A A b b c D E e 2.54 BSC H L L P Q ON Semiconductor and are registered trademarks of Semiconductor Components Industries, LLC (SCILLC). SCILLC reserves the right to make changes without further notice to any products herein. SCILLC makes no warranty, representation or guarantee regarding the suitability of its products for any particular purpose, nor does SCILLC assume any liability arising out of the application or use of any product or circuit, and specifically disclaims any and all liability, including without limitation special, consequential or incidental damages. Typical parameters which may be provided in SCILLC data sheets and/or specifications can and do vary in different applications and actual performance may vary over time. All operating parameters, including Typicals must be validated for each customer application by customer s technical experts. SCILLC does not convey any license under its patent rights nor the rights of others. SCILLC products are not designed, intended, or authorized for use as components in systems intended for surgical implant into the body, or other applications intended to support or sustain life, or for any other application in which the failure of the SCILLC product could create a situation where personal injury or death may occur. Should Buyer purchase or use SCILLC products for any such unintended or unauthorized application, Buyer shall indemnify and hold SCILLC and its officers, employees, subsidiaries, affiliates, and distributors harmless against all claims, costs, damages, and expenses, and reasonable attorney fees arising out of, directly or indirectly, any claim of personal injury or death associated with such unintended or unauthorized use, even if such claim alleges that SCILLC was negligent regarding the design or manufacture of the part. SCILLC is an Equal Opportunity/Affirmative Action Employer. This literature is subject to all applicable copyright laws and is not for resale in any manner. PUBLICATION ORDERING INFORMATION LITERATURE FULFILLMENT: Literature Distribution Center for ON Semiconductor P.O. Box 5163, Denver, Colorado USA Phone: or Toll Free USA/Canada Fax: or Toll Free USA/Canada orderlit@onsemi.com N. American Technical Support: Toll Free USA/Canada Europe, Middle East and Africa Technical Support: Phone: Japan Customer Focus Center Phone: ON Semiconductor Website: Order Literature: For additional information, please contact your local Sales Representative NTSJ30U80CT/D

199 Midas Components Limited Electra House 32 Southtown Road Great Yarmouth Norfolk NR31 0DU England Telephone +44 (0) Fax +44 (0) Website Specification Part Number: Version: Date: Revision No. Date Description Item Page