ΠΑΝΔΠΗΣΖΜΗΟ ΠΑΣΡΧΝ ΓΙΠΛΧΜΑΣΙΚΗ ΔΡΓΑΙΑ

Transcript

1 ΠΑΝΔΠΗΣΖΜΗΟ ΠΑΣΡΧΝ ΣΜΗΜΑ ΗΛΔΚΣΡΟΛΟΓΧΝ ΜΗΥΑΝΙΚΧΝ ΚΑΙ ΣΔΥΝΟΛΟΓΙΑ ΤΠΟΛΟΓΙΣΧΝ ΣΟΜΔΑ ΣΗΛΔΠΙΚΟΙΝΧΝΙΧΝ ΚΑΙ ΣΔΥΝΟΛΟΓΙΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑ ΔΡΓΑΣΖΡΗΟ ΔΝΤΡΜΑΣΖ ΔΠΗΚΟΗΝΧΝΗΑ ΓΙΠΛΧΜΑΣΙΚΗ ΔΡΓΑΙΑ ηεο θνηηήηξηαο ηνπ Σκήκαηνο Ζιεθηξνιόγσλ Μεραληθώλ θαη Σερλνινγίαο ππνινγηζηώλ ηεο Πνιπηερληθήο ρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξώλ ΚΑΡΤΓΑ ΑΡΣΔΜΙ-ΝΔΚΣΑΡΙΑ ΣΟΤ ΙΧΑΝΝΗ Α.Μ «ΚΑΣΑΚΔΤΗ ΜΙΚΡΟΩΠΟΛΟΓΙΣΙΚΟΤ ΤΣΗΜΑΣΟ ΓΙΑ ΣΗ ΒΔΛΣΙΧΗ ΣΗ ΑΠΟΓΟΗ ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΗ ΤΣΟΙΥΙΑ» Δπηβιέπσλ: Γξ.-Μερ. Γεξκαηάο Δπάγγεινο, Αλαπιεξσηήο Καζεγεηήο Ν ν /2010 ΠΪηξα, Ινύιηνο

2 2

3 ΠΙΣΟΠΟΙΗΗ Πηζηνπνηείηαη όηη ε δηπισκαηηθή εξγαζία κε ζέκα «ΚΑΣΑΚΔΤΗ ΜΙΚΡΟΩΠΟΛΟΓΙΣΙΚΟΤ ΤΣΗΜΑΣΟ ΓΙΑ ΣΗ ΒΔΛΣΙΧΗ ΣΗ ΑΠΟΓΟΗ ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΗ ΤΣΟΙΥΙΑ» ηεο θνηηήηξηαο ηνπ Σκήκαηνο Ζιεθηξνιόγσλ Μεραληθώλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηώλ ηεο Πνιπηερληθήο ζρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξώλ ΚΑΡΤΓΑ ΑΡΣΔΜΙ-ΝΔΚΣΑΡΙΑ ΣΟΤ ΙΧΑΝΝΗ Α.Μ.5650 παξνπζηάζηεθε δεκόζηα θαη εμεηάζηεθε ζην Σκήκα Ζιεθηξνιόγσλ Μεραληθώλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηώλ ζηηο 07/07/2010 Ο Δπηβιέπσλ Ο Γηεπζπληήο ηνπ Σνκέα Δπάγγεινο Γεξκαηάο, Αλαπιεξσηήο Καζεγεηήο Νηθόιαο Φαθσηάθεο, Καζεγεηήο 3

4 Αξηζκόο δηπισκαηηθάο εξγαζέαο: /2010 ΘΫκα: «ΚΑΣΑΚΔΤΗ ΜΙΚΡΟΩΠΟΛΟΓΙΣΙΚΟΤ ΤΣΗΜΑΣΟ ΓΙΑ ΣΗ ΒΔΛΣΙΧΗ ΣΗ ΑΠΟΓΟΗ ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΗ ΤΣΟΙΥΙΑ» Φνηηήηξηα: Καξύδα Άξηεκηο-Νεθηαξία ηνπ Ησάλλε Δπηβιέπσλ: Γξ.-Μερ. Γεξκαηάο Δπάγγεινο, Αλαπιεξσηήο Καζεγεηήο Πεξέιεςε Ζ παξνύζα δηπισκαηηθή εξγαζία πξαγκαηεύεηαη ηε κειέηε θαη θαηαζθεπή κηαο δηάηαμεο πνπ παξαθνινπζεί ζπλερώο ηε ζέζε ηνπ ήιηνπ ζηνλ νπξαλό θαη ζηξέθεη αληίζηνηρα έλα θσηνβνιηατθό πάλει θαηά ηέηνην ηξόπν ώζηε λα κεγηζηνπνηείηαη ε έληαζε ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο πνπ πξνζπίπηεη ζε απηό θαη επνκέλσο θαη ε ελεξγεηαθή ηνπ απόδνζε (solar tracker). Πξνθεηκέλνπ λα πξαγκαηνπνηεζεί ε εθαξκνγή, ην ίδην ην θσηνβνιηατθό πάλει ρξεζηκνπνηήζεθε σο αληρλεπηήο ηεο ζέζεο ηνπ ήιηνπ ζηνλ νπξαλό απινπζηεύνληαο έηζη ηελ θαηαζθεπή θαη κεηώλνληαο ην θόζηνο ηεο θαζώο δελ ρξεηάζηεθαλ επηπιένλ αηζζεηήξεο. πγθεθξηκέλα, αλά ηαθηά ρξνληθά δηαζηήκαηα δεηγκαηνιεπηνύληαλ ε ηηκή ηεο ηάζεο ζηα άθξα ηνπ θσηνβνιηατθνύ πάλει από ηνλ κηθξνειεγθηή msp430f169 ηεο εηαηξείαο texas instruments, απνζεθεύνληαλ ζηνπο θαηαρσξεηέο ηνπ θαη αθνύ κεηαηξεπόηαλ ην ζήκα από αλαινγηθό ζε ςεθηαθό ζπγθξηλόηαλ κε ηηο πξνεγνύκελεο ηηκέο. Αλάινγα κε ην απνηέιεζκα ηεο ζύγθξηζεο, ν κηθξνειεγθηήο έδηλε εληνιή ζηνλ θηλεηήξα πνπ θαηεύζπλε ην θσηνβνιηατθό πάλει λα θηλεζεί ζηελ αληίζηνηρε θαηεύζπλζε. Ζ δηαδηθαζία επαλαιακβαλόηαλ κέρξηο όηνπ βξεζεί ην ζεκείν εθείλν όπνπ ε ηάζε ζηα άθξα ηνπ γίλεηαη κέγηζηε. Σν ζύζηεκα πνπ θαηαζθεπάζακε πεξηιακβάλεη θίλεζε γύξσ από έλαλ άμνλα. πγθεθξηκέλα παξαθνινπζεί ηελ αδηκνπζηαθή θίλεζε ηνπ ήιηνπ μεθηλώληαο από ηελ αλαηνιή (Earth) θαη θαηαιήγνληαο ζηε δύζε (West). 4

5 ΠΡΟΛΟΓΟ Ζ παξνύζα δηπισκαηηθή εξγαζία εθπνλήζεθε ην αθαδεκατθό έηνο Αληηθείκελν ηεο εξγαζίαο είλαη ε κειέηε, ζρεδίαζε θαη θαηαζθεπή ελόο ζπζηήκαηνο παξαθνινύζεζεο ηεο ηξνρηάο ηνπ ειίνπ ζηνλ νπξαλό ζηξέθνληαο αληίζηνηρα έλα θσηνβνιηατθό πάλει. Με απηό ηνλ ηξόπν επηηπγράλεηαη ε αύμεζε ηεο απόδνζεο ελόο θσηνβνιηατθνύ ζπζηήκαηνο. ην θεθϊιαην 1 παξνπζηάδνληαη ηα γεληθά ραξαθηεξηζηηθά ησλ θσηνβνιηατθώλ ζπζηεκάησλ. Αλαιύεηαη ην θσηνβνιηατθό θαηλόκελν, νη ραξαθηεξηζηηθέο παξάκεηξνη ησλ θσηνβνιηατθώλ ζηνηρείσλ θαζώο θαη νη θπξηόηεξεο θαηεγνξίεο ησλ θσηνβνιηατθώλ ζπζηεκάησλ. ην θεθϊιαην 2 γίλεηαη ε παξνπζίαζε ηεο δηάηαμεο πνπ θαηαζθεπάζηεθε θαη αλαιύεηαη θάζε κέξνο ηεο ρσξηζηά. ην θεθϊιαην 3 γίλεηαη ε πιήξεο παξνπζίαζε ησλ ραξαθηεξηζηηθώλ ηνπ κηθξνειεγθηή msp430 δίλνληαο ηδηαίηεξε έκθαζε ζε εθείλεο ηηο ιεηηνπξγίεο ηνπ πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ ζηελ εθαξκνγή καο, δειαδή ζηηο ςεθηαθέο ζύξεο εηζόδνπ θαη ηνλ αλαινγηθό πξνο ςεθηαθό κεηαηξνπέα. ην θεθϊιαην 4 παξνπζηάδεηαη θαη αλαιύεηαη ην πξόγξακκα πνπ δεκηνπξγήζεθε γηα ηε ζπγθεθξηκέλε εξγαζία ζε γιώζζα C όπσο θαη ε δηαδηθαζία πξνγξακκαηηζκνύ ηνπ κηθξνειεγθηή κέζσ ηνπ αλαπηπμηαθνύ πεξηβάιινληνο IAR Embedded Workbench Kickstart. ην παξάξηεκα θαίλνληαη ηα datasheets ησλ δηαθόξσλ εμαξηεκάησλ θαη νη εληνιέο ηνπ κηθξνειεγθηή. ε απηό ην ζεκείν ζα ήζεια λα επραξηζηήζσ ζεξκά ηνλ επηβιέπνληα θαζεγεηή ηεο δηπισκαηηθήο κνπ εξγαζίαο θ. Δπάγγειν Γεξκαηά γηα ηε ζπλεξγαζία ηνπ θαη ηελ θαζνδήγεζή ηνπ θαηά ηε δηάξθεηα εθπόλεζεο ηεο εξγαζίαο. Δπηπιένλ επραξηζηώ ηνπο δηδαθηνξηθνύο θνηηεηέο θ. Δπάγγειν θόδξα θαη θ. Γηνλύζε ππξόπνπιν γηα ηε βνήζεηά ηνπο ζηελ θαηαζθεπή ησλ κεραληθώλ κεξώλ ηεο δηάηαμεο. Σέινο, ζα ήζεια λα επραξηζηήζσ ζεξκά ηελ νηθνγέλεηά κνπ γηα ηελ ακέξηζηε αγάπε, εκπηζηνζύλε θαη ζηήξημε πνπ κνπ έρεη πξνζθέξεη όια απηά ηα ρξόληα θαζώο θαη ηνπο θίινπο κνπ γηα ηελ θαηαλόεζε ηνπο. Καξύδα Άξηεκηο-Νεθηαξία Πάηξα, Ηνύιηνο

6 ΠΙΝΑΚΑ ΠΔΡΙΔΥΟΜΔΝΧΝ Πεξέιεςε...4 Πξόινγνο-Δπραξηζηέεο...5 Πέλαθαο ΠεξηερνκΫλσλ...6 ΚΔΦΑΛΑΙΟ 1 ΦσηνβνιηατθΪ ζπζηάκαηα Δηζαγσγή Ηζηνξία ησλ ειηαθώλ θπηηάξσλ Μαθξνρξόληεο πξννπηηθέο ησλ θσηνβνιηατθώλ Σν θσηνβνιηατθό θαηλόκελν Καηαζθεπή-ηερληθά ραξαθηεξηζηηθά-ηύπνη ειηαθώλ θπηηάξσλ Σύπνη θσηνβνιηατθώλ ζπζηεκάησλ «κεγάινπ πάρνπο» Φσηνβνιηατθά πιηθά ιεπηώλ επηζηξώζεσλ (thin film) Υαξαθηεξηζηηθέο παξάκεηξνη ησλ θσηνβνιηατθώλ ζηνηρείσλ Ηζνδύλακν ειεθηξηθό θύθισκα ελόο ειηαθνύ θπηηάξνπ Υαξαθηεξηζηηθή I-V πξαγκαηηθνύ ειηαθνύ θπηηάξνπ Ζ απόδνζε ηνπ θσηνβνιηατθνύ ζηνηρείνπ Ζιηαθή αθηηλνβνιία Ζιηαθή ζηαζεξά- θάζκα ειηαθήο αθηηλνβνιίαο Ζ ζέζε ηνπ ήιηνπ πληζηώζεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο Γσλία θιίζεο ηνπ ζπιιέθηε Νέεο κέζνδνη θαηαζθεπήο θσηνβνιηατθώλ πιαηζίσλ Γνκή ελόο απηόλνκνπ θσηνβνιηατθνύ ζπζηήκαηνο Καηεγνξίεο θσηνβνιηατθώλ ζπζηεκάησλ Απνκνλσκέλα ζπζηήκαηα Φσηνβνιηατθά ζπζηήκαηα ζπλδεδεκέλα ζην δίθηπν...37 ΚΔΦΑΛΑΙΟ 2 Παξνπζέαζε θαη πινπνέεζε πιηθνύ δηϊηαμεο Δηζαγσγή Κηλεηήξαο ζπλερνύο ξεύκαηνο Γεληθέο αξρέο ιεηηνπξγίαο Καηεγνξίεο θηλεηήξσλ ζπλερνύο ξεύκαηνο Ζ δνκή ηνπ θηλεηήξα Δθαξκνγέο Ο θηλεηήξαο ηεο θαηαζθεπήο Κύθισκα εηζόδνπ/εμόδνπ

7 2.3.1 Έιεγρνο νξζήο ιεηηνπξγίαο Development boards and tools Οη ζπλδέζεηο ηεο θαηαζθεπήο...48 ΚΔΦΑΛΑΙΟ 3 Ο κηθξνειεγθηάο msp Μηθξνειεγθηέο Αξρηηεθηνληθή msp Γεληθά ραξαθηεξηζηηθά msp ύζηεκα ξνινγηνύ Υώξνο δηεπζύλζεσλ Flash/ROM RAM Πεξηθεξεηαθά Καηαρσξεηέο εηδηθνύ ζθνπνύ Οξγάλσζε κλήκεο πζηήκαηα επαλεθθίλεζεο πζηήκαηα δηαθνπώλ Με παξεκπνδηδόκελεο δηαθνπέο (ΝΜΗ) Παξεκπνδηδόκελεο δηαθνπέο Παξνπζίαζε ηεο ΚΜΔ (CPU) Οη θαηαρσξεηέο ηεο ΚΜΔ Τπνζηεξηδόκελνη ηξόπνη δηεπζπλζηνδόηεζεο εη εληνιώλ Φεθηαθέο ζύξεο εηζόδνπ/εμόδνπ (Η/Ο) Αλαινγηθόο πξνο ςεθηαθόο κεηαηξνπέαο (A/D converter), ADC Υξνληζηήο_Α (Timer_A)...68 ΚΔΦΑΛΑΙΟ 4 Πξνγξακκαηέδνληαο ηνλ κηθξνειεγθηά Γηαδηθαζίεο θαη ηξόπνη παξαθνινύζεζεο ηεο πνξείαο ηνπ ήιηνπ Δύξεζε ηνπ κεγίζηνπ ηεο έληαζεο ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο Αιγόξηζκνο Σν πξόγξακκα IAR Embedded Workbench Kickstart for msp Ο θώδηθαο Άιια πξνγξακκαηηζηηθά πεξηβάιινληα...87 ΠΡΟΣΑΔΙ ΓΙΑ ΒΔΛΣΙΧΗ...89 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...90 ΠΑΡΑΡΣΗΜΑ

8 8

9 ΚΔΦΑΛΑΙΟ 1 ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΑ ΤΣΖΜΑΣΑ 9

10 1.1 Δηζαγσγά Σα ηειεπηαία ρξόληα νη ήπηεο κνξθέο ελέξγεηαο ηείλνπλ λα δηαδξακαηίζνπλ έλα ξόιν κείδνλνο ζεκαζίαο ζηελ παγθόζκηα παξαγσγή ελέξγεηαο. Ζ πεηξειατθή θξίζε αλέδεημε ηελ αλάγθε γηα επηκήθπλζε ηνπ ρξόλνπ εμάληιεζεο ησλ γεσινγηθώλ θαπζίκσλ, ελώ ζε ζπλδπαζκό κε ηελ έληνλε ξύπαλζε ηνπ πεξηβάιινληνο νδήγεζαλ ζηελ αλάπηπμε θαη επξεία ρξήζε ελαιιαθηηθώλ κνξθώλ ελέξγεηαο. Ζ νινέλα θαη απμαλόκελε ζπκκεηνρή ηνπο ζην ελεξγεηαθό ηζνδύγην νθείιεηαη ζην όηη γηα ηελ εθκεηάιιεπζή ηνπο δελ απαηηείηαη θάπνηα ελεξγεηαθή παξέκβαζε, σο επί ην πιείζηνλ είλαη αλαλεώζηκεο θαη δελ αθήλνπλ θαηάινηπα ζε αληίζεζε κε ηηο ζπκβαηηθέο πεγέο ελέξγεηαο. Ηδηαίηεξν ελδηαθέξνλ παξνπζηάδεη ε ειηαθή ελέξγεηα θαη ζπγθεθξηκέλα ε απεπζείαο κεηαηξνπή ηεο ζε ειεθηξηζκό πνπ επηηπγράλεηαη κε ηε θσηνβνιηατθή ηερλνινγία θαη ζπγθεθξηκέλα κε ηα ειηαθά θύηηαξα (solar cells). Καζώο ε ειηαθή ελέξγεηα έρεη ην πιενλέθηεκα όηη είλαη αλεμάληιεηε, δελ έρεη θόζηνο θαη δελ κνιύλεη ην πεξηβάιινλ αιιά θαη ην κεηνλέθηεκα όηη είλαη δηαζέζηκε κόλν έλα κέξνο ηεο εκέξαο θαη εμαξηάηαη από ηηο θαηξηθέο ζπλζήθεο, ε εθκεηάιιεπζή ηεο θαζίζηαηαη αλαγθαία κελ αιιά δύζθνιε ηερλνινγηθά. Αμίδεη ινηπόλ λα αζρνιεζνύκε πξνζπαζώληαο λα ηελ αλαπηύμνπκε θαη λα ηε βειηηώζνπκε. Απηό ην ζηόρν έρεη θαη ε ζπγθεθξηκέλε εξγαζία. Με ηελ θαηαζθεπή θαη κειέηε ηεο απόδνζεο κηαο θσηνβνιηατθήο δηάηαμεο ε νπνία ζα πξνζαλαηνιίδεηαη ζηελ θαηεύζπλζε ηνπ ειίνπ, επηδηώθεηαη ε αύμεζε ηεο απόδνζεο ελόο θσηνβνιηατθνύ πάλει αξρηθά θαη θαη επέθηαζε θαη κηαο θσηνβνιηατθήο ζπζηνηρίαο, κε ηε ρξεζηκνπνίεζε πιηθώλ ρακεινύ ζρεηηθά θόζηνπο. 1.2 Ιζηνξέα ησλ ειηαθώλ θπηηϊξσλ Ηζηνξηθά, ν γάιινο θπζηθόο Becquerel ήηαλ εθείλνο πνπ παξαηήξεζε πξώηνο ην θσηνβνιηατθό θαηλόκελν ην 1839 ζε ειεθηξνιπηηθέο δηαιύζεηο. αξάληα πεξίπνπ ρξόληα αξγόηεξα νη Adams θαη Day παξαηήξεζαλ μαλά ην θαηλόκελν ζε επαθέο ειελίνπ-κεηάιινπ ελώ ην 1905 ν Albert Einstein έδσζε ηελ εμήγεζε απηνύ, γεγνλόο γηα ην νπνίν βξαβεύηεθε κε ην Νόκπει Φπζηθήο. Ζ ζύγρξνλε ηζηνξία ηεο ειηαθήο ηερλνινγίαο μεθηλά ην 1954, όηαλ ηα εξγαζηήξηα ηεο Bell πεηξακαηηδόκελα κε εκηαγσγνύο αλαθάιπςαλ ηπραία όηη ην ππξίηην (Si) λνζεπκέλν κε θάπνηεο πξνζκίμεηο είλαη επαίζζεην ζην θσο. Έηζη ν Chapin θαη νη ζπλεξγάηεο ηνπ θαηαζθεύαζαλ ηελ πξώηε πξαθηηθή ζπζθεπή κεηαηξνπήο ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο ζε ρξήζηκε ειεθηξηθή ελέξγεηα κε απόδνζε γύξσ ζην 6%. Σα επόκελα ρξόληα ρξεζηκνπνηήζεθαλ θαη άιια πιηθά θαη ελώζεηο όπσο ην αξζεληνύρν γάιιην ( GaAs ) θαη ην Cu 2 S κε ηελ ίδηα πεξίπνπ απόδνζε, ελώ μεθηλά δεηιά θαη ε εκπνξηθή παξαγσγή ηνπο. Σε δεθαεηία πνπ αθνινπζεί (1960) ηα θσηνβνιηατθά θηάλνπλ ζε έλα πξώην ζηάδην αλάπηπμεο αιιά ε ρξήζε ηνπο πεξηνξίδεηαη απνθιεηζηηθά γηα ηελ παξαγσγή ειεθηξηθήο ελέξγεηαο ζε δνξπθόξνπο. Σν 1973 απνηειεί ρξνληά ζηαζκό ζηελ ηζηνξία ησλ θσηνβνιηατθώλ. Λόγσ ηεο παγθόζκηαο πεηξειατθήο θξίζεο πνιιά θξάηε ζηξάθεθαλ ζηηο αλαλεώζηκεο πεγέο 10

11 ελέξγεηαο ζπκπεξηιακβαλνκέλεο θαη ηεο ειηαθήο θαζώο έγηλε αληηιεπηό όηη ε θσηνβνιηατθή παξαγσγή κπνξεί λα ζπλεηζθέξεη ζεκαληηθά ζηελ παξαγσγή ελέξγεηαο θαη γηα γήηλεο ρξήζεηο. Σν 1980 ε βηνκεραλία ησλ θσηνβνιηατθώλ αξρίδεη λα σξηκάδεη κε ηηο εηαηξείεο λα αλαπηύζζνπλ λέεο ηερληθέο θαηαζθεπήο όπσο ηεο «ιεπηήο επίζηξσζεο» θαη ην 1988 ην πξώην θύηηαξν κνλήο -επαθήο GaAs κε απόδνζε 17% είλαη γεγνλόο. ηηο κέξεο καο λέα πιηθά είλαη ππό έξεπλα, άιια πνιύπινθσλ ελώζεσλ (όπσο Cadmium telluride θαη Copper indium diselenide), άιια νξγαληθήο βάζεο ελώ αλαπηύζζνληαη θαη ηερληθέο ζπγθέληξσζεο ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο. 1.3 Μαθξνρξόληεο πξννπηηθϋο ησλ θσηνβνιηατθώλ Απηή ηε ζηηγκή αλαγλσξίδεηαη ζε όιν ηνλ θόζκν όηη ν ειηαθόο ειεθηξηζκόο είλαη κηα ζρεδόλ ηδαληθή πεγή ελέξγεηαο. Σν παγθόζκην ελδηαθέξνλ δηθαηνινγείηαη από κηα ζεηξά πιενλεθηήκαηα βαζηθόηεξα ησλ νπνίσλ είλαη ηα εμήο: Ζ καθξνπξόζεζκε δπλαηόηεηά ηνπο ζε παξνρή ελέξγεηαο Ζ ρξήζε ησλ εκηαγσγώλ, γηα ηελ θαηαζθεπή ησλ θσηνβνιηατθώλ, νη νπνίνη ρξεζηκνπνηνύληαη επίζεο ζηε κηθξνειεθηξνληθή Δίλαη κηα πςειήο πνηόηεηαο κνξθή ελέξγεηαο πνπ παξάγεηαη από πιαίζηα, κε ρακειό θόζηνο ζπληήξεζεο θαη κε ηελ απνπζία νπνηνπδήπνηε πεξηβαιινληηθνύ αληίθηππνπ Έρνπλ γξήγνξε απόθξηζε ζε μαθληθέο κεηαβνιέο ηεο ειηνθάλεηαο, ελώ είλαη απνδνηηθά θαη ζε ρακειέο ζεξκνθξαζίεο Λεηηνπξγνύλ αζόξπβα ρσξίο θηλεηά κέξε Έρνπλ κεγάιεο δπλαηόηεηεο ζε κηα επξεία πεξηνρή ηζρύσλ Δίλαη θαηάιιεια γηα επηηόπηεο εθαξκνγέο, όπνπ ή δελ ππάξρεη ή δε ζπκθέξεη ε επέθηαζε ηνπ ειεθηξηθνύ δηθηύνπ Έρνπλ κεγάιε δηάξθεηα δσήο (γύξσ ζηα ρξόληα) θαη ζε πεξίπησζε πνπ έλα θνκκάηη πάζεη βιάβε, ην ζύζηεκα ζπλερίδεη ηε ιεηηνπξγία ηνπ, κέρξη ηελ αληηθαηάζηαζή ηνπ Δίλαη επεθηάζηκα αλάινγα κε ηηο αλάγθεο ζε θνξηίν Μπνξνύλ λα ιεηηνπξγήζνπλ παξάιιεια κε άιια ζπζηήκαηα παξαγσγήο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο Μπνξνύλ λα εγθαηαζηαζνύλ κέζα ζηηο πόιεηο θαη δελ πξνζβάιινπλ αηζζεηηθά ην πεξηβάιινλ Σν εξώηεκα πνπ πξνθύπηεη ινηπόλ, είλαη γηαηί απηή ε ηερλνινγία παξαγσγήο ελέξγεηαο δε ρξεζηκνπνηείηαη ζε όια ηα κέξε όπνπ δελ ππάξρνπλ άιιεο ζπκβαηηθέο πεγέο ελέξγεηαο ή ζε πεξηπηώζεηο όπνπ νη ππάξρνπζεο πεγέο είλαη επηθίλδπλεο γηα ην πεξηβάιινλ. Ζ ζπλήζεο απάληεζε ζηελ εξώηεζε εηλαη ην πςειό θόζηνο ηνπ ειηαθνύ ειεθηξηζκνύ. Παξά ηε ξαγδαία κείσζε ησλ ηηκώλ ην «άκεζν θόζηνο» ηνπο θπκαίλεηαη ζε πνιιαπιάζηεο ηηκέο ηνπ ηξέρνληνο θόζηνπο ησλ ζπζηεκάησλ πνπ 11

12 βαζίδνληαη ζε θαύζηκα. πλππνινγίδνληαο όκσο θαη ην «έκκεζν θόζηνο» (όπσο απηό πξνθύπηεη από ηελ ππνβάζκηζε ηνπ πεξηβάιινληνο θαη ζπλεπώο από ηελ αύμεζε ηνπ θόζηνπο ηεο ηαηξηθήο πεξίζαιςεο ηνπ πιεζπζκνύ), νη δηαθνξέο θόζηνπο πεξηνξίδνληαη ζεκαληηθά. Λακβάλνληαο ππ όςηλ ηα παξαπάλσ θαη κε δεδνκέλν όηη ε ελεξγεηαθή εμάξηεζε ηεο ρώξαο καο κνλνκεξώο από ην εηζαγόκελν πεηξέιαην θαζίζηαηαη νηθνλνκηθά επηζθαιήο, είλαη εκθαλήο ε αλάγθε γηα εθκεηάιιεπζε εγρώξησλ ελεξγεηαθώλ πόξσλ, κε πιένλ ηδαληθή ιύζε ηελ αμηνπνίεζε ηεο ειηαθήο ελέξγεηαο. ε απηό ζεκαληηθό ξόιν παίδεη ην πινύζην ειηαθό δπλακηθό ηεο Διιάδαο ζπγθξηηηθά κε άιιεο επξσπατθέο ρώξεο. ρήκα 1.1 Υάξηεο ειηαθνύ δπλακηθνύ ηεο Διιάδαο ήκεξα, ε ζπλνιηθή εγθαηεζηεκέλε ηζρύο αλέξρεηαη ζε 70 MW ελώ παξαηεξείηαη ζεακαηηθή αύμεζε θάζε ρξόλν ηόζν ζε ηνπηθή όζν θαη ζε παγθόζκηα θιίκαθα, ράξε ζε λνκνζεηηθέο πξσηνβνπιίεο, ζηε κείσζε ησλ ηηκώλ ησλ θσηνβνιηατθώλ πάλει θαη ζηελ απινπνίεζε ησλ δηαδηθαζηώλ εγθαηάζηαζεο. Παξόια απηά ηξνρνπέδε γηα ηε γξήγνξε εηζαγσγή θαηλνηνκίαο ζπλερίδνπλ λ απνηεινύλ νη εηαηξείεο θνινζζνί πνπ επελδύνπλ ζε ηερλνινγίεο βαζηζκέλεο ζηνλ άλζξαθα, ελώ θάπνηνη αλαζηαιηηθνί παξάγνληεο είλαη ε ξπζκηζηηθή αδξάλεηα, ε γξαθεηνθξαηία θαη ηα αλεπαξθή δίθηπα κεηαθνξάο. 1.4 Σν θσηνβνιηατθό θαηλόκελν Σα ειηαθά θύηηαξα βαζίδνπλ νπζηαζηηθά ηελ αξρή ιεηηνπξγίαο ηνπο ζην θσηνβνιηατθό θαηλόκελν πνπ εθαξκόδεηαη ζε νξηζκέλα εκηαγώγηκα πιηθά 12

13 λνζεπκέλα κε θαηάιιειν αξηζκό πξνζκίμεσλ. Σα πιηθά απηά ζπλήζσο είλαη ην ππξίηην (Si) θαη ην γεξκάλην (Ge) θαζώο θαη νη ελώζεηο αξζεληνύρν γάιιην (GaAs) θαη ζεηνύρν θάδκην (CdS). Σα άηνκα ησλ εκηαγώγηκσλ πιηθώλ, κέζσ ησλ ειεθηξνλίσλ ζζέλνπο πνπ βξίζθνληαη ζηελ εμσηεξηθή ηνπο ζηνηβάδα αιιεινζπλδένληαη κε δεζκνύο θαη ζρεκαηίδνπλ έλα θξπζηαιιηθό πιέγκα (ρήκα 1.2). Όηαλ ειηαθή αθηηλνβνιία πξνζπίπηεη πάλσ ζην εκηαγώγηκν πιηθό ηόηε ηα θσηόληα αλάινγα κε ηελ ελέξγεηα πνπ δηαζέηνπλ είηε ζα αλαθιαζηνύλ είηε ζα δηαπεξάζνπλ ηνλ θξύζηαιιν είηε ζα απνξξνθεζνύλ (κέζσ ηνπ κεραληζκνύ ηεο νπηηθήο απνξξόθεζεο). ρήκα 1.2 Κξπζηαιιηθό πιέγκα ππξηηίνπ κε άηνκα πξόζκημεο ηελ πεξίπησζε πνπ γηα ην πξνζπίπηνλ θσηόλην ηζρύεη hf<eg (ρακειή ελέξγεηα), ηα άηνκα ηνπ πιηθνύ ηαιαληώλνληαη ρσξίο λα ραιαξώλνπλ νη δεζκνί κεηαμύ ηνπο, ελώ ηα ειεθηξόληα ησλ δεζκώλ απνθηώληαο κεγαιύηεξε ελέξγεηα αλεβαίλνπλ ζε πςειόηεξεο ελεξγεηαθέο ζηάζκεο. ηε ζπλέρεηα επαθνινπζεί ζέξκαλζε ηνπ πιέγκαηνο θαη ηα ειεθηξόληα κεηαπίπηνπλ ζηαδηαθά ζηηο ρακειόηεξεο ελεξγεηαθέο ζηάζκεο απνδίδνληαο ηελ ελέξγεηά ηνπο ππό κνξθή ζεξκόηεηαο. Όηαλ όκσο ηζρύεη hf>eg, δειαδή ε ελέξγεηα ησλ θσηνλίσλ είλαη κεγαιύηεξε από ην ελεξγεηαθό ράζκα ηνπ πιηθνύ, ηόηε ηα ειεθηξόληα πνπ βξίζθνληαη ζηε δώλε ζζέλνπο ραιαξώλνπλ ηνπο δεζκνύο ηνπο κε ηα άηνκα θαη κεηαπίπηνπλ ζηε δώλε αγσγηκόηεηαο. Απηή ε κεηάβαζε έρεη σο απνηέιεζκα ζηε δώλε ζζέλνπο λα ππάξρεη ηώξα έλα ιηγόηεξν ειεθηξόλην ή κηα νπή όπσο ιέγεηαη. Σα ειεθηξόληα ζηε δώλε αγσγηκόηεηαο θαη νη νπέο ζηε δώλε ζζέλνπο είλαη ειεύζεξα λα θηλεζνύλ κέζα ζηνλ θξύζηαιιν ζε αληίζεηεο κεηαμύ ηνπο θαηεπζύλζεηο θαη απνηεινύλ ηνπο θνξείο ηνπ ειεθηξηζκνύ ζε έλαλ εκηαγσγό. Δίλαη αλαγθαίν ηα ειεθηξόληα πνπ δηεγείξνληαη θαηά απηόλ ηνλ ηξόπν λα κελ πέζνπλ μαλά ζην αξρηθό ηνπο επίπεδν απνδίδνληαο ζεξκηθή ελέξγεηα αιιά πξέπεη λα ζπιιερζνύλ πξνο ηελ θαηεύζπλζε ησλ ειεθηξνδίσλ εμόδνπ ηνπ θσηνθπηηάξνπ πξηλ γίλεη αλαζύλδεζή ηνπο. Υξεηάδεηαη ινηπόλ κηα απνδνηηθή δνκή ζπιινγήο πνπ λα παξνπζηάδεη θξάγκα δπλακηθνύ έηζη ώζηε λα πάξνπκε ξεύκα θαη άξα ειεθηξηθή ελέξγεηα από ην ζύζηεκα ειεθηξνλίνπ-νπήο. Ζ επαθή p-n είλαη ε απινύζηεξε πεξίπησζε απηήο ηεο δνκήο ζπιινγήο. ρεκαηίδεηαη από ηελ έλσζε ελόο εκηαγσγνύ ηύπνπ n θαη ηνπ ίδηνπ εκηαγσγνύ ηύπνπ 13

14 p. Ο εκηαγσγόο ηύπνπ n έρεη πνιιά ειεύζεξα ειεθηξόληα ζηε δώλε αγσγηκόηεηαο πνπ πξνήιζαλ από ηε λόζεπζή ηνπ κε πξνζκίμεηο δνηώλ, ελώ ν αγσγόο ηύπνπ p δηαζέηεη έλαλ κεγάιν αξηζκό νπώλ θαηόπηλ λόζεπζεο ηνπ εκηαγσγνύ κε πξνζκίμεηο δεθηώλ. Πξηλ ηελ έλσζε, ε ειεθηξηθή νπδεηεξόηεηα εμαζθαιίδεηαη θαη ζηα δύν κέξε παξόια απηά νη ειεθηξηθέο ηδηόηεηεο ηνπ θξπζηάιινπ ηνπ εκηαγσγνύ έρνπλ αιιάμεη δξαζηηθά. Καηά ηελ έλσζε ησλ δύν κεξώλ ηεο επαθήο p-n ειεύζεξα ειεθηξόληα από ηελ πεξηνρή κε ηε κεγάιε ζπγθέληξσζε (ηύπνπ n) δηαρένληαη πξνο ηελ πεξηνρή κε ηε ρακειόηεξε ζπγθέληξσζε (ηύπνπ p) κέζσ ηεο επαθήο. Από ηελ άιιε κεξηά νπέο από ην πιηθό ηύπνπ p δηαρένληαη ζην πιηθό ηύπνπ n. Σν άζξνηζκα ησλ δύν απηώλ ζπληζησζώλ καο δίλεη ην ξεύκα δηάρπζεο. Καζώο νη νπέο δηαρένληαη κέζα από ηελ επαθή ζηελ πεξηνρή ηύπνπ n αλαζπλδένληαη γξήγνξα κε θάπνηα από ηα ειεθηξόληα πιεηνλόηεηαο. Σν ίδην ζπκβαίλεη θαη κε ηα ειεθηξόληα πνπ δηαρένληαη ζηελ πεξηνρή ηύπνπ p πνπ αλαζπλδένληαη κε ηηο νπέο. Έηζη δεκηνπξγείηαη κηα πεξηνρή αθξηβώο δίπια ζηελ επαθή όπνπ δελ ππάξρνπλ θνξηία θαη θαιείηαη πεξηνρή απνγύκλσζεο θνξέσλ. Ζ δηαδηθαζία δηάρπζεο θνξέσλ δε ζπλερίδεηαη επ αόξηζηνλ θαζώο ε ύπαξμε ηεο αληζνξξνπίαο θνξηίνπ ζηηο δύν πιεπξέο δεκηνπξγεί έλα ειεθηξηθό πεδίν θαηά πιάηνο ηεο επαθήο, ην νπνίν αληηηίζεηαη ζηελ παξαπέξα ξνή ησλ θνξέσλ. ηελ πξαγκαηηθόηεηα, ε πηώζε ηάζεο πάλσ ζηελ πεξηνρή απνγύκλσζεο ιεηηνπξγεί ζαλ έλα θξάγκα πνπ πξέπεη λα μεπεξάζνπλ νη θνξείο πιεηνλόηεηαο. Όζν κεγαιύηεξν είλαη απηό ην θξάγκα δπλακηθνύ, ηόζν κηθξόηεξνο είλαη ν αξηζκόο ησλ θνξέσλ πνπ κπνξεί λα ππεξπεδήζεη απηό ην θξάγκα, θαη ζπλεπώο ηόζν κηθξόηεξν είλαη θαη ην ξεύκα δηάρπζεο. Χζηόζν, νη θνξείο κεηνλόηεηαο δελ εκπνδίδνληαη από ην θξάγκα δπλακηθνύ. Αληηζέησο, νπέο πνπ βξίζθνληαη ζην πιηθό ηύπνπ n θαη ειεθηξόληα πνπ βξίζθνληαη ζην πιηθό ηύπνπ p δερόκελνη ηελ επίδξαζε ηνπ ειεθηξηθνύ πεδίνπ ζηελ πεξηνρή απνγύκλσζεο επηηαρύλνληαη πξνο ηηο πεξηνρέο ηύπνπ p θαη n αληίζηνηρα ζπληζηώληαο ην ξεύκα νιίζζεζεο. ε ζπλζήθεο ηζνξξνπίαο όηαλ ην θύηηαξν δελ θσηίδεηαη, ηα δύν απηά ξεύκαηα είλαη ίζα θαη αληίζεηα, νπόηε ηειηθά δελ ππάξρεη ξεύκα ζηνλ θξύζηαιιν. ηελ πεξίπησζε πνπ ην ειηαθό θύηηαξν θσηίδεηαη, ηα θσηόληα πνπ πξνζπίπηνπλ ζηνλ εκηαγσγό θαη έρνπλ κεγαιύηεξε ελέξγεηα από ην ελεξγεηαθό ράζκα απνξξνθώληαη, κεηαηνπίδνληαο ειεθηξόληα από δώλε ζε δώλε θαη δεκηνπξγώληαο έηζη δεύγε ειεθηξνλίσλ-νπώλ. Απηά ηα δεύγε κεηαθηλνύληαη ζε όιν ηνλ όγθν θαη κόιηο θηάζνπλ ζηε δώλε κεηαβάζεσο όπνπ επηθξαηεί εζσηεξηθό ειεθηξηθό πεδίν επηηαρύλνληαη από ην θξάγκα δπλακηθνύ πξνο ηηο πεξηνρέο όπνπ γίλνληαη θνξείο πιεηνλόηεηαο. Με απηόλ ηνλ ηξόπν απνθεύγεηαη ν θίλδπλνο επαλαζύλδεζεο κε ηνλ νπνίν ζα απνδηδόηαλ ε ελέξγεηα ππό κνξθή ζεξκόηεηαο, ρσξίο λα ζπκβάιιεη ζην θσηόξεπκα. Ζ δηαδηθαζία δηαρσξηζκνύ ησλ θνξηίσλ πνπ παξάγνληαη ζε έλα θσηηδόκελν ειηαθό θύηηαξν, δεκηνπξγεί πιεόλαζκα αξλεηηθώλ θνξηίσλ ζην πιηθό ηύπνπ n θαη ζεηηθώλ θνξηίσλ ζην πιηθό ηύπνπ p. Έηζη, αλ βξαρπθπθιώζνπκε ηα εμσηεξηθά άθξα ηεο 14

15 επαθήο ζα έρνπκε ξνή ειεθηξνλίσλ από ην πιηθό ηύπνπ n ζην πιηθό ηύπνπ p θαη άξα ξνή ζπλερνύο ξεύκαηνο. Με απηόλ ηνλ ηξόπν γελλάηαη ην θσηόξεπκα. ρήκα 1.3 Ζ αξρή ιεηηνπξγίαο ηεο θσηνβνιηατθήο γελλήηξηαο. 1.5 Καηαζθεπά-ηερληθΪ ραξαθηεξηζηηθϊ-ηύπνη ειηαθώλ θπηηϊξσλ Γηα ηελ θαηαζθεπή ησλ θσηνβνιηατθώλ θπςειώλ κπνξνύλ λα ρξεζηκνπνηεζνύλ δηάθνξα πιηθά. Αλάινγα κε ηα πιηθά πνπ ρξεζηκνπνηνύληαη θαη ηηο ηερληθέο θαηαζθεπήο ηνπο κπνξνύλ λα ρσξηζηνύλ ζε δηάθνξεο θαηεγνξίεο νη θπξηόηεξεο εθ ησλ νπνίσλ είλαη: Σύπνη θσηνβνιηατθώλ ζπζηεκϊησλ «κεγϊινπ πϊρνπο» Φωηνβνιηαϊθά ζηνηρεία κνλνθξπζηαιιηθνύ ππξηηίνπ (single crystalline silicon, sc- Si). Σν κνλνθξπζηαιιηθό ππξίηην ρξεζηκνπνηείηαη επξέσο ιόγσ όηη έρεη απνθηεζεί γλώζε ησλ ειεθηξηθώλ ηδηνηήησλ ηνπ αιιά θαη εκπεηξία από ηε βηνκεραλία ηεο κηθξνειεθηξνληθήο. Σα κνλνθξπζηαιιηθά θσηνβνιηατθά ζηνηρεία ραξαθηεξίδνληαη από ην πιενλέθηεκα ηεο θαιύηεξεο ζρέζεο απόδνζεο/επηθάλεηαο ή ελεξγεηαθήο ππθλόηεηαο. Βαζηθέο ηερλνινγίεο παξαγσγήο ηνπο είλαη ε κέζνδνο Czochralski (CZ) θαη ε κέζνδνο float zone (FZ). Ακθόηεξεο βαζίδνληαη ζηελ αλάπηπμε ξάβδσλ ππξηηίνπ. Ζ απόδνζε γηα έλα ηέηνην πιαίζην ζηε βηνκεραλία θπκαίλεηαη από 15%-18%, ελώ ζην εξγαζηήξην έρνπλ επηηεπρζεί απνδόζεηο έσο θαη 25%. Έλα βαζηθό κεηνλέθηεκά ηνπ είλαη ην πςειό θόζηνο θαηαζθεπήο ηνπ θπηηάξνπ, ιόγσ ηεο αλάγθεο ρξεζηκνπνίεζεο πιηθνύ ηδηαίηεξα θαζαξνύ θαη απαιιαγκέλνπ από αηαμίεο δνκήο. Μείσζε ηνπ θόζηνπο επηδηώθεηαη κε ηελ αλαδήηεζε θαηάιιεισλ κεζόδσλ γηα ηελ απνθπγή ησλ δαπαλεξώλ ζηαδίσλ θαη ηελ απινπνίεζε ηεο παξαγσγηθήο δηαδηθαζίαο. ρήκα 1.4 Φσηνβνιηατθό ζηνηρείν κνλνθξπζηαιιηθνύ ππξηηίνπ 15

16 Φωηνβνιηαϊθά θειηά πνιπθξπζηαιιηθνύ ππξηηίνπ (Multicrystalline silicon, mc-si). Σν πνιπθξπζηαιιηθό ππξίηην απνηειεί ελαιιαθηηθή ιύζε γηα ην κνλνθξπζηαιιηθό. Οη ηερληθέο παξαγσγήο ηνπ παξνπζηάδνπλ ιηγόηεξν θξίζηκα πξνβιήκαηα, είλαη απινύζηεξεο θαη ζπλεπώο θηελόηεξεο. Οπηηθά κπνξεί θαλείο λα παξαηεξήζεη ηηο επηκέξνπο κνλνθξπζηαιιηθέο πεξηνρέο. Όζν κεγαιύηεξεο είλαη απηέο ηόζν κεγαιύηεξε είλαη θαη ε απόδνζε γηα ηα πνιπθξπζηαιιηθά θσηνβνιηατθά θειηά. ε εξγαζηεξηαθέο εθαξκνγέο έρνπλ επηηεπρζεί απνδόζεηο έσο θαη 20% ελώ ζην εκπόξην ηα πνιπθξπζηαιιηθά ζηνηρεία δηαηίζεληαη κε απνδόζεηο από 13% έσο θαη 15% γηα ηα θσηνβνιηατθά πιαίζηα. Βαζηθόηεξεο ηερλνινγίεο παξαγσγήο είλαη ε κέζνδνο απεπζείαο ζηεξενπνίεζεο DS, ε αλάπηπμε ιησκέλνπ ππξηηίνπ (ρύηεπζε) θαη ε ειεθηξνκαγλεηηθή ρύηεπζε EMC. ρήκα 1.5 Φσηνβνιηατθό ζηνηρείν πνιπθξπζηαιιηθνύ ππξηηίνπ ΦσηνβνιηατθΪ πιηθϊ ιεπηώλ επηζηξώζεσλ (thin film) Με ηελ ηερλνινγία απηή πνπ έρεη αλαπηπρζεί ρξεζηκνπνηείηαη κηθξόηεξε πνζόηεηα πιηθνύ κε απνηέιεζκα λα έρνπκε κεησκέλν θόζηνο ηόζν ζην πιηθό όζν θαη ζηελ ελέξγεηα πνπ απαηηείηαη γηα ηελ θαηαζθεπή ηνπ. Δπηπιένλ ππάξρεη ην πιενλέθηεκα λα θαηαζθεπάδνληαη κνλάδεο (modules) ζε νινθιεξσκέλε κνξθή ρσξίο ηελ απαίηεζε γηα δαπαλεξέο ζπλδέζεηο ησλ αλεμάξηεησλ θπςειώλ. Φωηνβνιηαϊθά ζηνηρεία άκνξθνπ ππξηηίνπ (amorphous/ thin film silicon, a-si). Έλα άκνξθν πιηθό δηαθέξεη από ην θξπζηαιιηθό ζην όηη δελ ππάξρεη ηάμε, ζε κεγάιε αθηίλα, ζηε δνκή ησλ αηόκσλ. Πξόθεηηαη γηα ηαηλίεο ιεπηώλ επηζηξώζεσλ νη νπνίεο παξάγνληαη κε ηελ ελαπόζεζε ππξηηίνπ πάλσ ζε ππόζηξσκα ππνζηήξημεο ρακεινύ θόζηνπο όπσο γπαιί ή αινπκίλην. Έηζη θαη ιόγσ ηεο κηθξόηεξεο πνζόηεηαο ππξηηίνπ πνπ ρξεζηκνπνηείηαη ε ηηκή ηνπο είλαη γεληθόηεξα αξθεηά ρακειόηεξε, ην ίδην όκσο θαη ε απόδνζή ηνπο πνπ θπκαίλεηαη από 6 έσο θαη 8%. ηα πιενλεθηήκαηα ζπγθαηαιέγεηαη ην γεγνλόο όηη δελ επεξεάδεηαη από ηηο πςειέο ζεξκνθξαζίεο θαη έρεη αμηόινγε απόδνζε αθόκα θαη ζηε δηάρπηε αθηηλνβνιία (ζπλλεθηά). Σν κεηνλέθηεκα ησλ άκνξθσλ πιαηζίσλ είλαη ε ρακειή ηνπο ελεξγεηαθή ππθλόηεηα. Δπίζεο ππάξρνπλ ακθηβνιίεο ζρεηηθά κε ηε δηάξθεηα δσήο ηνπο. 16

17 ρήκα 1.6 Σνκή άκνξθνπ θσηνβνιηατθνύ πιαηζίνπ ρήκα 1.7 a-si θσηνβνιηατθά Σεινπξηνύρν Κάδκην (CdTe). Σν ηεινπξηνύρν θάδκην έρεη ελεξγεηαθό δηάθελν γύξσ ζην 1eV ην νπνίν είλαη πνιύ θνληά ζην ειηαθό θάζκα θάηη πνπ ηνπ πξνζδίδεη ζνβαξά πιενλεθηήκαηα όπσο ε απνξξόθεζε ηνπ 99% ηεο πξνζπίπηνπζαο αθηηλνβνιίαο. Ζ απόδνζε ηνπ πιαηζίνπ είλαη γύξσ ζην 6-8%. Σξνρνπέδε γηα ηε ρξήζε ηνπ απνηειεί ε δπζθνιία θαηαζθεπήο ηνπ θαη ε έιιεηςε ηνπ Σειινπξίνπ. Δηζειεληϊλδηνύρνο ραιθόο (CuInSe2). Έρεη εμαηξεηηθή απνξξνθεηηθόηεηα ζην πξνζπίπηνλ θσο αιιά παξόια απηά ε απόδνζή ηνπ κε ηηο ζύγρξνλεο ηερληθέο θπκαίλεηαη ζην 11%. Με ηελ πξόζκημε γαιιίνπ ε απόδνζή ηνπ κπνξεί λα απμεζεί πεξηζζόηεξν. Σν πξόβιεκα πνπ ππάξρεη είλαη όηη ζηε θύζε ην ίλδην βξίζθεηαη ζε πεξηνξηζκέλεο πνζόηεηεο. Αξζεληνύρν γάιιην (GaAs). Δίλαη έλαο ζύλζεηνο εκηαγσγόο, κε ζρεδόλ ηδαληθό ελεξγεηαθό ράζκα γηα ζεσξεηηθά κέγηζην βαζκό απόδνζεο. Σα θσηνβνιηατθά ζηνηρεία GaAs είλαη εμαηξεηηθά αλζεθηηθά ζηηο πςειέο ζεξκνθξαζίεο γεγνλόο πνπ επηβάιιεη ζρεδόλ ηε ρξήζε ηνπο ζε εθαξκνγέο ειηαθώλ ζπγθεληξσηηθώλ ζπζηεκάησλ. Ζ ηνμηθόηεηα ηνπ As θαη ε έιιεηςε επαξθώλ πνζνηήησλ Ga ζπληζηνύλ ηα κεηνλεθηήκαηά ηνπ. Ζ ηερλνινγία ησλ θσηνβνιηατθώλ εμειίζζεηαη κε ξαγδαίνπο ξπζκνύο θαη δηάθνξα εξγαζηήξηα ζηνλ θόζκν παξνπζηάδνπλ λέεο παηέληεο. Κάπνηεο από ηηο ηερλνινγίεο πνπ θαίλεηαη λα μερσξίδνπλ θαη κειινληηθά πηζαλώο λα γίλεη επξεία 17

18 ρξήζε ηνπο είλαη ηα λαλνθξπζηαιιηθά θσηνβνιηατθά ζηνηρεία ππξηηίνπ θαη ηα νξγαληθά/πνιπκεξή ζηνηρεία. Οξγαληθά θωηνβνιηαϊθά ζηνηρεία. Όπσο πξνδίδεη ε νλνκαζία ηνπο, ε κεηαηξνπή ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο ζε ειεθηξηθή ελέξγεηα, πξαγκαηνπνηείηαη ζε νξγαληθά ζπζηήκαηα. Ζ ηερληθή πνπ αθνινπζείηαη βαζίδεηαη ζηνλ ηξόπν κε ηνλ νπνίν ζηε θύζε ζπληειείηαη ε δηαδηθαζία ηεο θσηνζύλζεζεο, όπνπ δεζκεύεηαη ε ελέξγεηα ηνπ ήιηνπ ώζηε λα ζρεκαηηζηνύλ δηάθνξεο ρεκηθέο ελώζεηο. Σν πιηθό πνπ ρξεζηκνπνηείηαη ζπλήζσο είλαη ν εκηαγσγόο TiO 2 ζε ιεπηό δηακεξηζκό θαη ε απόδνζή ηνπ είλαη γύξσ ζην 10%. Σν θύξην κεηνλέθηεκα ησλ θσηνβνιηατθώλ ζηνηρείσλ απηώλ έγθεηηαη ζηελ εππάζεηά ηνπο ζην θσο θαη ζηε ζπλαθόινπζε ηαρεία γήξαλζή ηνπο. Σν πιενλέθηεκά ηνπο όκσο είλαη ην εμαηξεηηθά ρακειό θόζηνο παξαζθεπήο ηνπο, γεγνλόο πνπ καο επηηξέπεη λα ζεσξνύκε δπλαηή ηελ αμηνπνίεζή ηνπο αθόκα θαη κε ην κεηνλέθηεκα ηνπ πνιύ κηθξόηεξνπ ρξόλνπ δσήο ηνπο ζε ζρέζε κε ηα ζπκβαηηθά θσηνβνιηατθά ζηνηρεία. ρήκα 1.8 Ζιεθηξηθό ηζνδύλακν θσηνειεθηξνρεκηθνύ θσηνβνιηατθνύ 1.6 ΥαξαθηεξηζηηθΫο παξϊκεηξνη ησλ θσηνβνιηατθώλ ζηνηρεέσλ Ιζνδύλακν ειεθηξηθό θύθισκα ελόο ειηαθνύ θπηηϊξνπ Γηα ηελ θαηαλόεζε ηεο ειεθηξηθήο ζπκπεξηθνξάο ελόο ειηαθνύ θπηηάξνπ είλαη ρξήζηκν λα δεκηνπξγεζεί έλα κνληέιν ην νπνίν είλαη ειεθηξηθά ηζνδύλακν θαη βαζίδεηαη ζε ειεθηξηθά ζηνηρεία ησλ νπνίσλ ε ζπκπεξηθνξά είλαη γλσζηή. Έλα ηδαληθό ειηαθό θύηηαξν κπνξεί λα ζεσξεζεί όηη απνηειείηαη από κηα πεγή ζπλερνύο ξεύκαηνο ειεγρόκελε από δίνδν. Όηαλ δελ ππάξρεη θσο ην ηδαληθό ειηαθό θύηηαξν δελ είλαη ελεξγή ζπληζηώζα, αιιά ιεηηνπξγεί ζα δίνδνο. Δμσηεξηθά θαίλεηαη ζαλ δέθηεο ελέξγεηαο θαζόζνλ δελ παξάγεη νύηε ηάζε νύηε ξεύκα, θη έηζη ην ξεύκα ζηελ έμνδν ηνπ θπηηάξνπ ηζνύηαη κε ην ξεύκα ηεο δηόδνπ Η D. Όηαλ όκσο θσηίδεηαη παξάγεη ην θσηόξεπκα Η L, ελώ ην ξεύκα πνπ είλαη δηαζέζηκν ζηα άθξα ηνπ ειηαθνύ θπηηάξνπ είλαη ίζν κε I IL ID. 18

19 ρήκα 1.9 Κακπύιε ελόο θσηνβνιηατθνύ θαη ην αληίζηνηρν ειεθηξηθό δηάγξακκα ηελ πξαγκαηηθόηεηα θαλέλα ειηαθό ζηνηρείν δελ είλαη ηδαληθό, επνκέλσο ζην κνληέιν πξέπεη λα πξνζηεζνύλ δύν ηζνδύλακεο ειεθηξηθέο αληηζηάζεηο, κία παξάιιειε (R sh ) θαη κία ελ ζεηξά (R s ). ην ζρήκα 1.10 θαίλεηαη ην απιό ηζνδύλακν ηνπ ειηαθνύ θπηηάξνπ, ελώ ζην ζρήκα 1.11 ην πιήξεο ηζνδύλακν. ρήκα 1.10 Απιό ηζνδύλακν θύθισκα θσηνβνιηατθνύ ζηνηρείνπ ρήκα 1.11 Πιήξεο ηζνδύλακν ελόο θσηνβνιηατθνύ ζηνηρείνπ Παξάιιεια ζπλδεδεκέλε αληίζηαζε δηαξξνήο R sh (Shunt resistance) Ζ αληίζηαζε απηή νθείιεηαη ζε δηαξξνέο ησλ θνξέσλ πνπ ζπκβαίλνπλ είηε ζηελ επαθή p-n (επαλαζύλδεζε), είηε ζηελ εμσηεξηθή παξάπιεπξε επηθάλεηα ηνπ θπηηάξνπ (επηθαλεηαθή δηαξξνή), είηε ζε άιιεο αλσκαιίεο ηνπ θξπζηάιινπ θαη δελ είλαη νκνηόκνξθα θαηαλεκεκέλεο ζε όιε ηελ επηθάλεηα ηνπ θπηηάξνπ νύηε κεηαμύ δπν όκνησλ θπηηάξσλ. Ζ ηηκή ηεο ζε έλα θσηνβνιηατθό πνιύ θαιήο απόδνζεο είλαη κεγαιύηεξε ησλ 1000Χ. εηξηαθή αληίζηαζε R s (Series resistance) Ζ αληίζηαζε απηή παξηζηάλεη ζε ζπγθεληξσκέλε κνξθή όια ηα θαηαλεκεκέλα ζηνηρεία αληίζηαζεο θαηά ηε ξνή ησλ θνξέσλ ζηνλ θπξίσο εκηαγσγό, ηελ επηθαλεηαθή ξνή ζηνλ εκηαγσγό (ζπλήζσο ηύπνπ -n) πνπ βξίζθεηαη ζηελ πιεπξά πνπ πξνζπίπηεη ην θσο θαη απνηειείηαη από πνιύ ιεπηό 19

20 ζηξώκα, ηελ ελδνεπηθάλεηα κεηαμύ εκηαγσγνύ- σκηθήο επαθήο θαη ηελ σκηθή επαθή. Άκεζν απνηέιεζκα ηεο αύμεζεο ηεο R s είλαη ε δξαζηηθή ειάηησζε ηεο κέζεο ηζρύνο πνπ απνδίδεη ην ζηνηρείν. Σππηθέο ηηκέο ηεο γηα θαιήο πνηόηεηαο θσηνβνιηατθά είλαη κεηαμύ 0,1Χ-0,3Χ. Έηζη ηώξα ε εμίζσζε γηα ην πξαγκαηηθό ειηαθό θύηηαξν γίλεηαη q V IRs V IRs I IL I0 exp 1, όπνπ Η 0 είλαη ην ξεύκα θόξνπ ηεο AKT Rsh δηόδνπ, q ην θνξηίν ηνπ ειεθηξνλίνπ, V ε ηάζε ζηελ έμνδν ηνπ θπηηάξνπ, Κ ε ζηαζεξά Boltzmann, Σ ε απόιπηε ζεξκνθξαζία θαη Α κηα ζηαζεξά κε ηηκέο κεηαμύ 1 θαη 2 θαη νθείιεηαη ζε θαηλόκελα επαλαζύλδεζεο πνπ ζπκβαίλνπλ ζηελ πεξηνρή ηεο επαθήο Υαξαθηεξηζηηθά I-V πξαγκαηηθνύ ειηαθνύ θπηηϊξνπ Ζ γξαθηθή παξάζηαζε κεηαμύ ξεύκαηνο ζηελ έμνδν (I) θαη ηάζεσο ζηελ έμνδν (V) ελόο ειηαθνύ θπηηάξνπ θαιείηαη I-V ραξαθηεξηζηηθή θαη θαίλεηαη ζην ζρήκα Οη βαζηθέο παξάκεηξνη πνπ ηελ ραξαθηεξίδνπλ θαη παίδνπλ θπξίαξρν ξόιν ζηελ αμηνιόγεζε ηεο ζπκπεξηθνξάο θαη ηεο ιεηηνπξγίαο ελόο ειηαθνύ θπηηάξνπ είλαη: Σν ξεύκα βξαρπθπθιώζεωο I sc, πνπ είλαη ην ξεύκα γηα V=0 θαη αλ ζεσξήζνπκε ηελ R s πνιύ κηθξή, είλαη ίζν κε ην θσηόξεπκα I L. Όπσο γλσξίδνπκε είλαη επζέσο αλάινγν ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο πνπ πξνζπίπηεη ζηελ θπςειίδα. Η ηάζε αλνηρηνύ θπθιώκαηνο V OC, πνπ είλαη ε ηάζε γηα I=0 θαη αλ ζεσξήζνπκε ηελ R sh πνιύ κεγάιε πξνθύπηεη: Voc AKT I ln L 1 q I0 ρήκα 1.12 Υαξαθηεξηζηηθέο θακπύιεο I-V θαη P-V θσηνβνιηατθνύ ζηνηρείνπ γηα ζηαζεξέο ζπλζήθεο αθηηλνβνιίαο θαη ζεξκνθξαζίαο. ην ζεκείν κέγηζηεο ηζρύνο εμόδνπ, P mp, ζην νπνίν αληηζηνηρεί ξεύκα Η mp θαη ηάζε V mp θαη βξίζθεηαη ζην ζεκείν όπνπ κπνξνύκε λα θαηαζθεπάζνπκε ην 20

21 νξζνγώλην κε ηε κεγαιύηεξε επηθάλεηα κέζα ζηελ I-V θακπύιε. Μία επζεία πνπ δηέξρεηαη από ηελ αξρή ησλ αμόλσλ θαη ην ζεκείν P mp παξηζηάλεη ηε 1 Imp βέιηηζηε αληίζηαζε θνξηίνπ R Lopt, πνπ έρεη θιίζε. Δπίζεο, ε I-V R V ραξαθηεξηζηηθή είλαη εθαπηόκελε ζε θάπνηα θακπύιε ζηαζεξήο ηζρύνο ζην dp ζεκείν κέγηζηεο ηζρύνο, όπνπ 0 dv θαη επεηδή ην ζεκείν επαθήο δελ κπνξεί λα θαζνξηζηεί επαθξηβώο γηα θακπύιεο πνπ θαηαζθεπάδνληαη κε βάζε πεηξακαηηθά δεδνκέλα, είλαη δπλαηόλ λα θαηαζθεπαζηεί κηα P-V θακπύιε θαη λα εληνπηζηεί ην κέγηζην απηήο. Vmp Imp ν ζπληειεζηήο πιήξωζεο (Fill Factor) FF, δίλεηαη από ηε ζρέζε FF V I Lopt θαη αληηπξνζσπεύεη ην ιόγν ηνπ εκβαδνύ ηνπ κέγηζηνπ νξζνγσλίνπ πνπ κπνξεί λα εγγξαθεί ζηε ραξαθηεξηζηηθή θακπύιε I-V ηνπ ζηνηρείνπ ππό ζπλζήθεο αθηηλνβόιεζεο, πξνο ην εκβαδό πνπ νξίδεηαη από ηηο ηηκέο Η sc θαη V oc, όπσο απεηθνλίδεηαη θαη ζην ρήκα Δίλαη έλα κέηξν ηνπ πόζν ηεηξάγσλε είλαη ε I-V, δειαδή πόζν ε ιεηηνπξγία ηνπ θσηνβνιηατθνύ ζηνηρείνπ πιεζηάδεη ηελ ηδαληθή ζπκπεξηθνξά ηεο πεγήο ζπλερνύο ξεύκαηνο ζηελ πεξηνρή ηάζεσλ 0-V oc. Οη ηππηθέο ηηκέο ηνπ βξίζθνληαη κεηαμύ 0.7 θαη 0.85 θαη θαζνξίδνληαη από ην πιηθό ηνπ θαη ηηο ζπλζήθεο. mp oc sc ρήκα 1.13 Ο ζπληειεζηήο πιήξσζεο έηζη όπσο νξίδεηαη κε βάζε ηε ραξαθηεξηζηηθή I-V. Ζ θακπύιε ηζρύνο πνπ εμεηάζακε παξαπάλσ ηζρύεη γηα δεδνκέλε έληαζε αθηηλνβνιίαο θαη ζηαζεξή ζεξκνθξαζία Σ. Σα δύν απηά κεγέζε απνηεινύλ ζεκαληηθνύο παξάγνληεο γηα ηελ ιεηηνπξγία ηεο θσηνβνιηατθήο κνλάδαο γη απηό θαη όηαλ κεηαβάιινληαη επεξεάδνπλ ηελ απόδνζή ηεο. πγθεθξηκέλα: Έληαζε αθηηλνβνιίαο: Με ηελ κεηαβνιή ηεο έληαζεο ηεο πξνζπίπηνπζαο αθηηλνβνιίαο (δηαηεξώληαο ζηαζεξά ηε ζεξκνθξαζία ηνπ θπηηάξνπ θαη ηε θαζκαηηθή θαηαλνκή ηεο αθηηλνβνιίαο), κεηαβάιιεηαη θαη ε I-V ηνπ θπηηάξνπ θαη κάιηζηα ε απόθξηζε είλαη πνιύ γξήγνξε (ζηαζεξά ρξόλνπ ηεο ηάμεσο ησλ κsec). Ζ ηάζε αλνηρηνύ θπθιώκαηνο V oc κεηαβάιιεηαη ειάρηζηα, ην ξεύκα βξαρπθπθιώζεσο I sc πξαθηηθά κεηαβάιιεηαη αλαινγηθά κε ηελ έληαζε, ελώ ε αληίζηαζε ζεηξάο R s παξακέλεη ζρεδόλ ζηαζεξή. 21

22 ρήκα 1.14 Μεηαβνιή ηεο I-V θακπύιεο ζπλαξηήζεη ηεο έληαζεο ηεο αθηηλνβνιίαο Θεξκνθξαζία: Όηαλ απμάλεηαη ε ζεξκνθξαζία ηνπ θπηηάξνπ ε ηάζε αλνηθηνύ θπθιώκαηνο V oc κεηώλεηαη γξακκηθά. Σν κέγεζνο απηήο ηεο κείσζεο είλαη αληηζηξόθσο αλάινγν κε ηελ V oc, θαη νθείιεηαη ζε κεηαβνιή ησλ ραξαθηεξηζηηθώλ ηεο δηόδνπ. Γηα ηα πεξηζζόηεξα θξπζηαιιηθά θύηηαξα ππξηηίνπ νη ηηκέο ηεο κείσζεο είλαη πεξίπνπ 0.50%/ C. Σαπηόρξνλα ην θσηόξεπκα απμάλεηαη ειαθξά θαζώο πξνθαιείηαη αύμεζε ηεο ελδνγελνύο ζπγθέληξσζεο ησλ θνξέσλ ηνπ εκηαγσγνύ, κε απνηέιεζκα λα πξαγκαηνπνηνύληαη πεξηζζόηεξεο επαλαζπλδέζεηο θνξέσλ. Σέινο, ε ηζρύο P mp κεηώλεηαη, ελώ κεηαβάιιεηαη θαη ε κνξθή ηεο θακπύιεο όπσο θαίλεηαη ζην παξαθάησ ζρήκα. ρήκα 1.15 Μεηαβνιή ηεο I-V θακπύιεο ζπλαξηήζεη ηεο ζεξκνθξαζίαο Η απόδνζε ηνπ θσηνβνιηατθνύ ζηνηρεένπ Μεγάιεο ζεκαζίαο κέγεζνο γηα έλα θσηνβνιηατθό ζηνηρείν είλαη ν βαζκόο απόδνζήο ηνπ. Σν πειίθν ηεο ειεθηξηθήο ηζρύνο P m, πνπ απνδίδεηαη από ην θσηνβνιηατθό ζηνηρείν, ζην αληίζηνηρν ζεκείν κέγηζηεο ηζρύνο, πξνο ηελ πξνζπίπηνπζα ηζρύ αθηηλνβνιίαο, P in, θαζνξίδεη ηελ απόδνζε ελεξγεηαθήο κεηαηξνπήο (energy conversion efficiency), n c, ηνπ θσηνβνιηατθνύ ζηνηρείνπ. 22

23 n c P I V FF I V P P P m m m sc oc in in in Ζ πξνζπίπηνπζα ηζρύο ειεθηξνκαγλεηηθήο αθηηλνβνιίαο ζηελ επηθάλεηα ελόο θσηνβνιηατθνύ ζηνηρείνπ δίλεηαη από ηε ζρέζε: E S, όπνπ Δ ε ππθλόηεηα ηζρύνο ηεο. Δμεηάδνληαο πξνεγνπκέλσο ηα πιηθά από ηα νπνία θαηαζθεπάδνληαη ηα πεξηζζόηεξα ειηαθά ζηνηρεία δηαπηζηώλνπκε όηη ν βαζκόο απόδνζήο ηνπο θπκαίλεηαη από 8%-24% πεξίπνπ, κε κεγαιύηεξε απόδνζε απηή ηνπ κνλνθξπζηαιιηθνύ έπεηηα ηνπ πνιπθξπζηαιιηθνύ θαη ηέινο ηνπ άκνξθνπ ππξηηίνπ. Παξαηεξνύκε δειαδή, όηη από ηε ζπλνιηθή ελέξγεηα ηεο αθηηλνβνιίαο ηνπ ήιηνπ έλα κηθξό πνζνζηό γίλεηαη παξαγόκελε ελέξγεηα, θάηη πνπ νθείιεηαη ζε δηάθνξεο απώιεηεο. Οη θύξηνη παξάγνληεο πνπ είλαη ππεύζπλνη γηα ηε ζρεηηθά ρακειή ηηκή είλαη: Pin Η αλάθιαζε. Δπηθάλεηα ρσξίο επίζηξσζε αληηαλαθιαζηηθώλ πιηθώλ αλαθιά έλα πνζνζηό ηεο πξνζπίπηνπζαο αθηηλνβνιίαο ηεο ηάμεο ηνπ 30%. Η αηειήο εθκεηάιιεπζε ηεο ελέξγεηαο ηωλ θωηνλίωλ. Σν γεγνλόο όηη ζηνλ θξύζηαιιν πξνζπίπηνπλ θσηόληα κε δηαθνξεηηθά κήθε θύκαηνο πνπ δελ κπνξνύλ λα δεκηνπξγήζνπλ όια δεύγε ειεθηξνλίσλ- νπώλ πεξηνξίδεη ηε κέγηζηε δπλαηή απόδνζε ηνπ πιαηζίνπ ζην 44%. Η ζθίαζε από ηηο επαθέο. ηελ επηθάλεηα ηόζν ηνπ πιηθνύ ηύπν p όζν θαη ηνπ πιηθνύ ηύπνπ n ππάξρεη έλα κεηαιιηθό πιέγκα επαθώλ πνπ εθηίζεηαη ζην ειηαθό θσο. Απηό έρεη σο ζπλέπεηα έλα πνζνζηό 5%-15% ηεο πξνζπίπηνπζαο αθηηλνβνιίαο λα εθηξέπεηαη. Η επαλαζύλδεζε. πκβαίλεη κε δηάθνξνπο κεραληζκνύο ζηνλ θύξην όγθν ηνπ εκηαγσγνύ ζηηο επηθάλεηεο θαη ζε αηέιεηεο ηνπ πιηθνύ. Η αληίζηαζε. Με ηθαλνπνηεηηθέο ηηκέο ηόζν ηεο ελ ζεηξά αληίζηαζεο R s, όζν θαη ηεο παξάιιειεο R sh, ηείλνπλ λα ειαηηώζνπλ ηνλ ζπληειεζηή FF, κε ηειηθή ζπλέπεηα κείσζε ηεο απόδνζεο. 1.7 Ηιηαθά αθηηλνβνιέα Έρνληαο κειεηήζεη ηα ραξαθηεξηζηηθά ησλ θσηνβνιηατθώλ θπηηάξσλ ζα αζρνιεζνύκε κε ηελ ηζρύ ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο πνπ πξνζπίπηεη ζηελ επηθάλεηά ηνπο, κέξνο ηεο νπνίαο ζα κεηαηξαπεί ζε ειεθηξηθή ελέξγεηα. Κη απηό γηαηί ε απόδνζε ηνπ θσηνβνιηατθνύ πάλει εμαξηάηαη από ηελ έληαζε ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο. Ζ εηήζηα αθηηλνβνινύκελε ελέξγεηα από ηνλ ήιην ζηα όξηα ηεο γήηλεο αηκόζθαηξαο αλέξρεηαη ζε 5.47*10 24 Joules από ηελ νπνία έλα πνιύ κηθξό πνζνζηό θηάλεη ηα όξηα ηεο γεο. Σν πνζνζηό απηό ηζνδπλακεί κε 500cal/cm 2 αλά εκέξα, πξάγκα πνπ θαζηζηά απαξαίηεηε ηελ θαηαζθεπή ζπζηεκάησλ κεηαηξνπήο ηεο ελέξγεηαο, κε θόζηνο ρακειό θαη πςειή απόδνζε. Ζ πξαγκαηηθή έληαζε ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο εμαξηάηαη από ηε γεσγξαθηθή ζέζε ηνπ ηόπνπ, ηελ επνρή, ηηο 23

24 κεηεσξνινγηθέο ζπλζήθεο, ην πςόκεηξν ηνπ ηόπνπ, ηελ ώξα, ηελ πεξηεθηηθόηεηα ηεο αηκόζθαηξαο ζε πγξαζία. Απηέο ινηπόλ ηηο παξακέηξνπο πξέπεη λα ιάβνπκε ππ όςηλ καο γηα ηνλ ζσζηό πξνζαλαηνιηζκό ηεο θσηνβνιηατθήο κνλάδαο Ηιηαθά ζηαζεξϊ- θϊζκα ειηαθάο αθηηλνβνιέαο Ζ ειηαθή ζηαζεξά εθθξάδεη ηε ξνή ηεο αθηηλνβνιίαο πνπ θηάλεη ζηα εμσηεξηθά όξηα ηεο αηκόζθαηξαο ζε επηθάλεηα θάζεηε πξνο ηε δηεύζπλζε δηάδνζεο, θαηά ηε κέζε απόζηαζε γεο-ειίνπ. Γηα ην ειηαθό καο ζύζηεκα, έπεηηα από αθξηβείο κεηξήζεηο δνξπθόξσλ ε ηηκή απηή νξίζηεθε λα είλαη ίζε κε 1366W/m 2. Ζ ειηαθή ζηαζεξά παξηζηάλεη ηελ νιηθή ελέξγεηα ηνπ ειηαθνύ θάζκαηνο, ελώ ε θαηαλνκή ηνπ ηόζν ζην όξην ηεο αηκόζθαηξαο όζν θαη ζην επίπεδν ηεο ζάιαζζαο θαίλεηαη ζην ρήκα ρήκα 1.16 Φαζκαηηθή θαηαλνκή ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο Όπσο παξαηεξνύκε ε θαζκαηηθή θαηαλνκή δελ είλαη νκνηόκνξθε αιιά απνηειείηαη θπξίσο από κήθε θύκαηνο ηεο πεξηνρήο nm. Απηό ζπκβαίλεη επεηδή ε ειηαθή αθηηλνβνιία θαζώο δηέξρεηαη κέζα από ηελ αηκόζθαηξα πθίζηαηαη εμαζζέληζε ιόγσ α) ζθέδαζεο από ηα κόξηα ηνπ αέξνο, ηνπο πδξαηκνύο θαη ηε ζθόλε, β) απνξξόθεζεο από ην Ο 3, Ζ 2 Ο, CO 2 θαη γ) αλάθιαζεο θπξίσο από ηα ζύλλεθα. Σν θάζκα ηνπ ειηαθνύ θσηόο ζην όξην ηεο αηκόζθαηξαο αληηζηνηρεί ζην «AM0» (Air Mass 0), θαη ζεκαίλεη όηη ε αθηηλνβνιία δελ δηέζρηζε θακηά κάδα αέξνο. Γεληθά, κε ηνλ όξν Αέξηα Μάδα δειώλεηαη ην πειίθν ηνπ νπηηθνύ πάρνπο ηεο αηκόζθαηξαο δηα κέζνπ ηνπ νπνίνπ πεξλάεη ε άκεζε αθηηλνβνιία πξνο ην νπηηθό πάρνο αλ ν ήιηνο βξηζθόηαλ ζην δελίζ. Δθθξάδεη νπζηαζηηθά πόζεο θνξέο είλαη κεγαιύηεξε ε δηαδξνκή ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο ζηελ αηκόζθαηξα, ζε ζύγθξηζε κε ηελ θαηαθόξπθε δηαδξνκή. Γηα κηθξέο δελίζηεο γσλίεο (z 70 ) ν ιόγνο απηόο ππνινγίδεηαη από ηε ζρέζε M cos z 1. Όηαλ ν ήιηνο βξίζθεηαη ζην zenith θαηά ην ειηαθό κεζεκέξη θαη νη αθηίλεο δηαπεξλνύλ θάζεηα ηελ αηκόζθαηξα, ην θάζκα ηνπ θσηόο ζην επίπεδν ηεο ζάιαζζαο 24

25 αληηζηνηρεί ζε «AM1» θαη ε ππθλόηεηα ηεο ιακβαλόκελεο ελέξγεηαο είλαη 1070 W/m 2. Απηό ζπκβαίλεη γηα ηηο πεξηνρέο θνληά ζηνλ ηζεκεξηλό. Γηα γσλία πξόζπησζεο αθηίλσλ ίζε κε 60.1, ε θαζκαηηθή θαηαλνκή ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο ζηε γήηλε επηθάλεηα ζηε ζηάζκε ηεο ζάιαζζαο θαη κε κέζεο αηκνζθαηξηθέο ζπλζήθεο αλαθέξεηαη σο «AM2». Ζ ππθλόηεηα ηζρύνο ηεο αθηηλνβνιίαο γηα απηή ηελ πεξίπησζε είλαη πεξίπνπ 700 W/m 2. Όζνλ αθνξά ζηα ειηαθά θύηηαξα, νη έιεγρνί ηνπο γίλνληαη θάησ από ζπλζήθεο «AM1.5» γηα ηηο πεξηζζόηεξεο γήηλεο εθαξκνγέο. Ζ αέξηα κάδα 1.5 αληηπξνζσπεύεη νιηθή αθηηλνβνιία 827W/m 2, θαη γσλία πξόζπησζεο αθηίλσλ 48.2 όπσο θαίλεηαη θαη ζην παξαθάησ ζρήκα. Γηα λα ρξεζηκνπνηεζεί ζα ζηάληαξ ειηαθό θσο ε νιηθή αθηηλνβνιία ηίζεηαη ίζε κε 1000W/m 2 θαη νλνκάδεηαη αθηηλνβνιία ελόο πιήξνπο ήιηνπ. Ζ έμνδνο ελόο ειηαθνύ θπηηάξνπ θσηηδόκελνπ από απηό ην ζηαζεξό θσηηζκό εθθξάδεηαη ζαλ Watt αηρκήο. ρήκα 1.17 Γσλίεο ειηαθώλ αθηίλσλ ζηελ αηκόζθαηξα θαη αληίζηνηρεο αέξηεο κάδεο Η ζϋζε ηνπ άιηνπ Ζ ειηαθή αθηηλνβνιία πνπ πξνζπίπηεη ζ έλα θσηνβνιηατθό πάλει εμαξηάηαη από ηε ζέζε ηνπ ήιηνπ ζηνλ νπξάλην ζόιν αλαθνξηθά κε ηελ ηνπνζεζία όπνπ βξηζθόκαζηε. Γηα έλα κέξνο κε ζπγθεθξηκέλν γεσγξαθηθό πιάηνο απηή ε ζέζε είλαη ζαθώο θαζνξηζκέλε θαηά ηε δηάξθεηα ηεο κέξαο θαη γηα δηάθνξεο επνρέο κε βάζε δύν ζπληεηαγκέλεο γσλίεο, ην ύςνο (h) θαη ηελ αδηκνύζηα γσλία (γ s ). Σν ύςνο είλαη ε γσληαθή απόζηαζε ηνπ ήιηνπ από ην νξηδόληην ηνπ ηόπνπ, ελώ ε αδηκνύζηα γσλία ήιηνπ είλαη ε γσληαθή απόζηαζε επί ηνπ νξίδνληνο κε αξρή ην λόην, ζεηηθή πξνο ηα δπηηθά θαη αξλεηηθή πξνο ηα αλαηνιηθά (-180 γ s 180 ). Έλαο άιινο ζεκαληηθόο παξάγνληαο θαζνξηζκνύ ηεο πνζόηεηαο ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο ζε κηα ζπγθεθξηκέλε ηνπνζεζία είλαη ε γσληαθή απόζηαζε ηνπ ήιηνπ από ηνλ ηζεκεξηλό (Απόθιηζε δ), θαζώο ν άμνλαο πεξηζηξνθήο ηεο Γεο δελ είλαη θάζεηνο ζην επίπεδν πεξηθνξάο ηεο γύξσ από ηνλ ήιην. Ζ απόθιηζε απηή κεηαβάιιεηαη εκηηνληθά κεηαμύ ησλ γσληώλ (ρεηκεξηλό ειηνζηάζην) θαη (ζεξηλό ειηνζηάζην) κε ην ρξόλν θαηά ηε δηάξθεηα ηνπ έηνπο. πγθεθξηκέλα ην δ 25

26 284 n ππνινγίδεηαη από ηε ζρέζε: 23.45sin 360 όπνπ n είλαη ε εκέξα ηνπ 365 έηνπο. Πξέπεη λα ζεκεησζεί όηη επεηδή αθξηβώο ε ηξνρηά ηεο Γεο γύξσ από ηνλ ήιην δελ είλαη επίπεδε ππάξρνπλ νη επνρέο ζε πεξηνρέο πνπ βξίζθνληαη βόξεηα ή λόηηα ηνπ ηζεκεξηλνύ πληζηώζεο ειηαθάο αθηηλνβνιέαο ε θάζε ηόπν ζηελ επηθάλεηα ηεο γεο θηάλεη ειηαθή αθηηλνβνιία πνπ απνηειείηαη από ηξεηο ζπληζηώζεο: ηελ άκεζε, ηε δηάρπηε θαη ηε δηάρπηα αλαθιώκελε. Ζ άκεζε πνπ πξνέξρεηαη από ηνλ ειηαθό δίζθν, είλαη ε αθηηλνβνιία πνπ ιακβάλεηαη ρσξίο λα έρεη ππνζηεί ζθέδαζε ζηελ αηκόζθαηξα. Ζ δηάρπηε πνπ πξνέξρεηαη από ηνλ νπξάλην ζόιν, είλαη ε αθηηλνβνιία πνπ ιακβάλεηαη αθνύ έρεη αιιάμεη δηεύζπλζε ύζηεξα από ζθέδαζε ζηελ αηκόζθαηξα, ελώ ε δηάρπηα αλαθιώκελε πξνέξρεηαη από ην έδαθνο Γσλέα θιέζεο ηνπ ζπιιϋθηε εκαληηθό ξόιν ζηελ απόδνζε κηαο θσηνβνιηατθήο κνλάδαο, παίδεη ηόζν ν πξνζαλαηνιηζκόο ηεο ζε ζρέζε κε ηελ θαηεύζπλζε ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο όζν θαη ε θιίζε ηεο επηθάλεηάο ηεο. Ζ θιίζε (β) είλαη ε γσλία κεηαμύ ηεο επηθάλεηαο θαη ηνπ νξηδνληίνπ επηπέδνπ. Ζ αδηκνύζηα γσλία επηθάλεηαο (γ) είλαη ε γσληαθή απόζηαζε επί ηνπ νξίδνληνο ηεο πξνβνιήο ηεο θαζέηνπ ζηελ επηθάλεηα από ηνλ ηνπηθό κεζεκβξηλό κε αξρή ην λόην, ζεηηθή πξνο ηα δπηηθά θαη παίξλεη ηηκέο από -180 έσο 180. Όπσο έγηλε γλσζηό παξαπάλσ, ε εκεξήζηα θίλεζε ηνπ ήιηνπ έρεη επίδξαζε ζηελ εθινγή ηεο αδηκνύζηαο γσλίαο ζπιινγήο ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο (γ) ελώ ε εηήζηα πνξεία ηνπ ήιηνπ έρεη επίδξαζε ζηελ εθινγή ηεο θιίζεο ηεο επηθάλεηαο (β). Αλάινγα κε ηνλ ηξόπν ζηήξημεο ηνπ ζπιιέθηε ππάξρνπλ θάπνηνη γεληθνί θαλόλεο πνπ αθνινπζνύληαη θαη είλαη νη εμήο: πιιέθηεο ζηαζεξήο ζηήξημεο θαζ όιε ηε δηάξθεηα ηνπ έηνπο: ην βόξεην εκηζθαίξην ε βέιηηζηε γσλία θιίζεο πξέπεη λα είλαη πεξίπνπ ίζε κε ην γεσγξαθηθό πιάηνο (θ). 26

27 ρήκα 1.18 ηήξημε κε ζηαζεξή γσλία θιίζεο πιιέθηεο επνρηαθά ξπζκηδόκελεο ζηήξημεο: Λόγσ ηεο κεηαβνιήο ηεο απόθιηζεο ηνπ ήιηνπ ζηε δηάξθεηα ηνπ έηνπο, γηα ηε ζπιινγή ηεο κέγηζηεο ελέξγεηαο ζπρλά επηιέγεηαη ε δηαθνξνπνίεζε ηεο θιίζεο ηνπ ζπιιέθηε αλάινγα ηελ επνρή. πγθεθξηκέλα, θαηά ηε δηάξθεηα ηνπ θαινθαηξηνύ ζπλεζίδεηαη κηα θιίζε κηθξόηεξε ηνπ πιάηνπο θ, ελώ γηα ην ρεηκώλα ε βέιηηζηε θιίζε είλαη κεγαιύηεξε από ηνλ γεσγξαθηθό παξάιιειν ηεο ηνπνζεζίαο. πιιέθηεο κε δηαηάμεηο θηλεηνύ πιαηζίνπ: Οη δηαηάμεηο απηέο πεξηζηξέθνληαη απηόκαηα θαηά δηαζηήκαηα παξαθνινπζώληαο ηελ πνξεία ηνπ ήιηνπ ζηνλ νπξαλό, ώζηε ηα ειηαθά ζηνηρεία λα δέρνληαη θάζεηα ηελ ειηαθή αθηηλνβνιία ζε όιε ηε δηάξθεηα ηεο εκέξαο. Ζ ρξήζε ηέηνησλ ζπζηεκάησλ έλα εθ ησλ νπνίσλ κειεηά θαη ε παξνύζα εξγαζία έρεη απνδερηεί όηη απμάλεη ζεκαληηθά ηελ απόδνζε ησλ θσηνβνιηατθώλ ζπιιεθηώλ απμάλνληαο ηελ παξαγόκελε ειεθηξηθή ηζρύ πεξίπνπ 30%- 50% ζε ζρέζε κε ηνπο ζηαζεξνύο ηξόπνπο ζηήξημεο. Τπάξρνπλ δύν θαηεγνξίεο αλάινγα κε ην είδνο ηεο θίλεζεο πνπ εθηεινύλ: α) ζηξνθή γύξσ από έλαλ άμνλα β) ζηξνθή γύξσ από δύν άμνλεο. ηξνθή γύξσ από έλαλ άμνλα: Ζ ζπζηνηρία πεξηζηξέθεηαη γύξσ από έλαλ άμνλα κε θαηάιιειν κεραληζκό, μεθηλώληαο από ηελ αλαηνιή θαη παξαθνινπζώληαο ηελ πνξεία ηνπ ειίνπ θαζ όιε ηελ εκέξα θαηαιήγνληαο ζηε δύζε. Γηαθξίλνπκε δύν πεξηπηώζεηο: α) ην αδηκνπζηαθό solar tracker θαη β) ην πνιηθό. Αδηκνπζηαθό solar tracker: Σν ζύζηεκα πεξηζηξέθεηαη σο πξνο ηνλ θαηαθόξπθν άμνλα, έηζη ώζηε νη αθηίλεο ηνπ ειίνπ λα πέθηνπλ θάζεηα ζην ζπιιέθηε. Γειαδή παξαθνινπζεί ηελ αδηκνπζηαθή θίλεζε ηνπ ήιηνπ. Γηα ηελ επηινγή ηεο γσλίαο θιίζεο ησλ ζπιιεθηώλ αθνινπζείηαη ε ίδηα ινγηθή κε ηηο πξνεγνύκελεο κεζόδνπο. Γειαδή ηνπνζεηνύληαη κε ζηαζεξή γσλία ε νπνία επηιέγεηαη βάζε ηνπ γεσγξαθηθνύ πιάηνπο. Ζ αύμεζε ηζρύνο είλαη πεξίπνπ 25%-35%, εμαξηάηαη βέβαηα από ηελ ηνπνζεζία, ηελ πνηόηεηα ηνπ ζπζηήκαηνο θαη ηνλ ηξόπν ειέγρνπ ηεο θίλεζεο. 27

28 Πνιηθό (polar tracker): Σν ζύζηεκα πεξηζηξέθεηαη σο πξνο άμνλα ηνπνζεηεκέλν ζε γσλία ίζε κε ην γεσγξαθηθό πιάηνο ηνπ ηόπνπ, παξάιιεια κε ηνλ πνιηθό άμνλα ηεο γεο. Έηζη ν ήιηνο βξίζθεηαη ζπλερώο ζην επίπεδν πνπ είλαη θάζεην ζην ζπιιέθηε. Ζ αύμεζε ηεο παξαγόκελεο ελέξγεηαο θηάλεη θαη ην 40% αλάινγα ηελ επνρή ηνπ έηνπο. Δίλαη ζρεηηθά απιά ζηελ θαηαζθεπή θαη ηνλ έιεγρν αιιά κεηνλεθηνύλ όζνλ αθνξά ζηελ αληνρή ηνπο ζε ηζρπξνύο αλέκνπο. Πνιιέο θνξέο ηνπνζεηνύληαη θαη θάηνπηξα γηα ηελ αύμεζε ηεο πξνζπίπηνπζαο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο ζηνπο ζπιιέθηεο. ρήκα 1.19 Παξαγόκελε ελέξγεηα από δηάθνξνπο ηξόπνπο ζηήξημεο ζπιιεθηώλ Γηα όιεο ηηο παξαπάλσ πεξηπηώζεηο ν πξνζαλαηνιηζκόο ηνπ ζπιιέθηε είλαη πξνο λόην (δει. ε αδηκνύζηα γσλία επηθάλεηαο είλαη 0 ), ελώ απόθιηζε από ηνλ πξνζαλαηνιηζκό απηό, έρεη κηθξή κόλν επίδξαζε ζηελ νιηθή εηήζηα ελέξγεηα. Ζ ρξεζηκνπνίεζε αλαθιαζηηθώλ επηθαλεηώλ κπξνζηά από ηνλ ζπιιέθηε, απμάλεη ηελ πξνζπίπηνπζα ζηνλ θεθιηκέλν ζπιιέθηε αθηηλνβνιία. ρήκα 1.20 Δπίδξαζε ηεο θιίζεο ζηε κέζε εκεξήζηα ειηαθή αθηηλνβνιία αλά κήλα, πνπ δέρεηαη επηθάλεηα λόηηνπ πξνζαλαηνιηζκνύ (γ=0 ) γηα θ=38. 28

29 Σέινο, αμίδεη λα ζεκεησζεί όηη ζηα θσηνβνιηατθά ζπζηήκαηα όπνπ ην θόζηνο ησλ πιαηζίσλ είλαη πςειό, ε βέιηηζηε θιίζε ηνπο ζα πξέπεη λα κειεηάηαη μερσξηζηά γηα θάζε εθαξκνγή ιακβάλνληαο ππ όςηλ θαη ηηο επηθξαηνύζεο ζηελ πεξηνρή κεηεσξνινγηθέο ζπλζήθεο, νη νπνίεο θαζνξίδνπλ ηε ζρέζε κεηαμύ ησλ ζπληζησζώλ ηεο νιηθήο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο, ηεο απεπζείαο θαη ηεο δηάρπηεο. 1.8 ΝΫεο κϋζνδνη θαηαζθεπάο θσηνβνιηατθώλ πιαηζέσλ ύκθσλα κε ηελ αξρή ιεηηνπξγίαο ηνπ θσηνβνιηατθνύ ζηνηρείνπ ην παξαγόκελν θσηόξεπκα είλαη αλάινγν ηεο ππθλόηεηαο ηζρύνο ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο θαη ηεο έθηαζεο ηεο επηθάλεηάο ηνπ. Μηα πνιύ θαιή ηδέα είλαη λα κεησζεί ε έθηαζε ηνπ θσηνβνιηατθνύ θαη λα απμεζεί ε ππθλόηεηα ηζρύνο (αλ κεηώζνπκε Ν θνξέο ηελ επηθάλεηα ηνπ θσηνβνιηατθνύ θαη απμήζνπκε Ν θνξέο ηελ ππθλόηεηα ηζρύνο, ην θσηόξεπκα ζα παξακείλεη ην ίδην). Έηζη κπνξεί λα κεησζεί ην θόζηνο πξώηεο ύιεο. Πιαίζηα ζπγθεληξωηηθνύ ηύπνπ: Βαζηθό ραξαθηεξηζηηθό ηνπο είλαη όηη ε ειηαθή αθηηλνβνιία ζπιιέγεηαη από κηα ζρεηηθά κεγάιε επηθάλεηα θαη κε θαηάιιεια νπηηθά ζπζηήκαηα ζπγθεληξώλεηαη γηα λα απνξξνθεζεί από κία πνιύ κηθξόηεξε επηθάλεηα (θσηνβνιηατθό ζηνηρείν). Ζ κηθξή επηθάλεηα ηνπ θσηνβνιηατθνύ ζηνηρείνπ έρεη ηεηξαγσληθή κνξθή ή κνξθή ηαηλίαο, ελώ κπξνζηά ηεο ηνπνζεηείηαη ζπγθεληξσηηθόο θαθόο ηύπνπ Fresnel όπνπ ζπγθεληξώλεη ηελ πξνζπίπηνπζα ζε απηόλ ειηαθή αθηηλνβνιία. αλ απνηέιεζκα έρνπκε ηελ παξαγσγή ηζρύνο κε κηθξόηεξε ελεξγή επηθάλεηα θσηνβνιηατθνύ. Ο θαθόο θαηαζθεπάδεηαη είηε από γπαιί είηε από δηαθαλέο πιαζηηθό. Πξνθεηκέλνπ λα απνθεπρζεί ε ππεξβνιηθή αύμεζε ηεο ζεξκνθξαζίαο ηνπ θσηνβνιηατθνύ ζηνηρείνπ ηνπνζεηείηαη κε θαιή ζεξκηθή επαθή πάλσ ζε κεηαιιηθή ςύθηξα, ε νπνία ην δηαηεξεί ζε θαιέο ζεξκνθξαζηαθέο ζπλζήθεο, ζπλήζσο κόλν κε ηε θπζηθή ξνή ηνπ αηκνζθαηξηθνύ αέξα. Επίπεδα πιαίζηα κε αλαθιαζηήξεο: Ζ πξνζζήθε δύν θνηλώλ αλαθιαζηήξσλ ζηηο κεγαιύηεξεο δηάζηαζεο πιεπξέο ηνπ θσηνβνιηατθνύ πιαηζίνπ, έρεη σο απνηέιεζκα ε ζπλνιηθή ππθλόηεηα ηζρύνο ειηαθνύ θσηόο πνπ θηάλεη ζην θσηνβνιηατθό πιαίζην, λα κπνξεί λα θηάζεη, πεξίπνπ ηε δηπιάζηα ηηκή από όηη ρσξίο απηνύο. Σα βαζηθά κεηνλεθηήκαηα ησλ παξαπάλσ κεζόδσλ είλαη όηη αμηνπνηνύλ κόλν ηελ άκεζε αθηηλνβνιία θαη όρη ηε δηάρπηε, ελώ απμάλνπλ θαη ηελ πνιππινθόηεηα ηνπ ζπζηήκαηνο. Κη απηό γηαηί απαηηνύληαη κεραληζκνί νδεγήζεσο όπσο αηζζεηήξηα όξγαλα θαη ζπζθεπέο ειέγρνπ γηα ηνλ ζπλερή πξνζαλαηνιηζκό ηνπο σο πξνο ηνλ ήιην θαηά ηελ θίλεζή ηνπ, πςειή πνηόηεηα από νπηηθήο πιεπξάο θαη δηαηήξεζε ηεο θαζαξηόηεηαο ησλ αλαθιαζηήξσλ θαη θαηάιιεινη κεραληζκνί ζηήξημεο. 1.9 Γνκά ελόο απηόλνκνπ θσηνβνιηατθνύ ζπζηάκαηνο Έλα πιήξεο θσηνβνιηατθό ζύζηεκα απνηειείηαη από έλαλ αξηζκό κεξώλ ή ππνζπζηεκάησλ: 29

30 α) Σε θσηνβνιηατθή γελλήηξηα κε ηε κεραληθή ππνζηήξημε θαη πηζαλόλ έλα ζύζηεκα παξαθνινύζεζεο ηεο ειηαθήο ηξνρηάο (solar tracker), β) Σν ππνζύζηεκα απνζήθεπζεο (δηάηαμε κπαηαξηώλ), γ) πζθεπή ειέγρνπ θαη θαζνξηζκό ηζρύνο πνπ πεξηιακβάλεη ζπζηήκαηα κέηξεζεο θαη παξαθνινύζεζεο αλ είλαη αλαγθαία, δ) Δθεδξηθή γελλήηξηα γηα ηελ παξνρή ηζρύνο ζε πεξίπησζε αλάγθεο. ρήκα 1.21 Παξάδεηγκα γεληθνύ δηαγξάκκαηνο ελόο απηόλνκνπ θσηνβνιηατθνύ ζπζηήκαηνο Φσηνβνιηατθή γελλήηξηα Ζ ηζρύο ζηελ έμνδν ελόο ειηαθνύ θπηηάξνπ, αθόκα θαη από ηηο θαιύηεξεο ζπλζήθεο είλαη ζρεηηθά κηθξή ( P VI 0.5V 1A 0.5 Watt πεξίπνπ). Έηζη, πξνθεηκέλνπ λα ηθαλνπνηήζνπκε ηηο ελεξγεηαθέο αλάγθεο ζε θάπνηα εθαξκνγή, πνπ ζπλήζσο είλαη πνιύ κεγαιύηεξεο, απαηηείηαη έλαο αξηζκόο ειηαθώλ θπηηάξσλ, πνπ ζπλδεδεκέλα θαηάιιεια ζε ζεηξά ή/θαη παξάιιεια ζα δώζνπλ ηελ απαηηνύκελε ηζρύ (ηάζε θαη ξεύκα). Σε κηθξόηεξε απηνηειή κνλάδα παξαγσγήο ξεύκαηνο από ηνλ ήιην απνηειεί ην πιαίζην (module), πνπ είλαη έλα ζύλνιν θπηηάξσλ θαη ειεθηξηθώλ ζπλδέζεσλ θαηάιιεια ζπζθεπαζκέλσλ ώζηε λα πξνζηαηεύνληαη από ην πεξηβάιινλ, πνπ δίλεη θάπνηα DC ηζρύ όηαλ πξνζπίπηεη ειηαθό θσο. Αθνινπζεί ην πάλει (panel), πνπ είλαη έλα ζύλνιν από δύν ή πεξηζζόηεξα πιαίζηα ζπλδεδεκέλα κεηαμύ ηνπο ηόζν από κεραληθή όζν θαη από ειεθηξηθή άπνςε ηα νπνία δίλνπλ κηα κνλάδα έηνηκε γηα εγθαηάζηαζε. Σέινο, ε ζπζηνηρία (array) είλαη έλα κεραληθά νινθιεξσκέλν ζύλνιν από πάλει καδί κε ηελ θαηαζθεπή ζηήξημεο θαη ό,ηη άιιν είλαη απαξαίηεην γηα λα απνηειέζεη κηα αλεμάξηεηε κνλάδα θσηνβνιηατθήο παξαγσγήο ηζρύνο. 30

31 ρήκα 1.22 ύλζεζε θσηνβνιηατθώλ ζηνηρείσλ θαη πιαηζίσλ Δπίζεο, είλαη γλσζηό όηη ππό ηδαληθέο ζπλζήθεο δύν ή πεξηζζόηεξεο ίδηεο πεγέο ηάζεο ζε ζεηξά πξνζηίζεληαη, ελώ δύν ή πεξηζζόηεξεο ίδηεο πεγέο ξεύκαηνο παξάιιεια πξνζηίζεληαη. Έηζη κόλν γηα ειηαθά θύηηαξα κε αθξηβώο ίδηα ραξαθηεξηζηηθά, ε κέγηζηε ηζρύο πνπ παίξλνπκε από κηα ζπζηνηρία θπηηάξσλ ζα ηζνύηαη κε ην άζξνηζκα ησλ κεγίζησλ ηζρύσλ, πνπ παίξλνπκε ρσξηζηά από θάζε θύηηαξν ηεο ζπζηνηρίαο. ύζηεκα απνζήθεπζεο Έλα κέξνο ηεο ελέξγεηαο πνπ παξάγεηαη από κηα θσηνβνιηατθή ζπζηνηρία είλαη αλάγθε λα απνζεθεπηεί ώζηε λα ρξεζηκνπνηεζεί κεηά ηε δύζε ηνπ ειίνπ, ηε λύρηα, πξηλ ηελ αλαηνιή ηνπ ειίνπ θαη γεληθά όηαλ δελ επαξθεί ε ειηαθή αθηηλνβνιία ή θαηά ηε δηάξθεηα ζπλερώλ εκεξώλ κε λεθειώδε νπξαλό. Τπάξρνπλ πνιιέο κνξθέο απνζήθεπζεο ηεο ελέξγεηαο όπσο ε άληιεζε θαη ε απνζήθεπζε λεξνύ, ν ζπκπηεζκέλνο αέξαο, ε ζεξκηθή απνζήθεπζε, ε παξαγσγή θαη απνζήθεπζε πδξνγόλνπ θ.α. όκσο δελ πξνζθέξνληαη γηα ην ζθνπό απηό είηε ιόγσ ηνπ κεγάινπ αξρηθνύ θόζηνπο είηε ιόγσ ηεο κε πξνζαξκνγήο ησλ δπλαηνηήησλ απνζήθεπζεο. Ζ ρεκηθή απνζήθεπζε ηεο ελέξγεηαο κε ηε βνήζεηα ζπζζσξεπηώλ θαίλεηαη όηη απνηειεί ηελ πιένλ θαηάιιειε κέζνδν απνζήθεπζεο γηα έλα θσηνβνιηατθό ζύζηεκα. Σα πιενλεθηήκαηα ελόο θσηνβνιηατθνύ ζπζηήκαηνο κε ζπζζσξεπηέο είλαη ε δπλαηόηεηα λα παξέρνπλ ελέξγεηα ζε πεξηόδνπο πνπ δελ ππάξρεη ειηαθή αθηηλνβνιία, ε δπλαηόηεηα λα θαιύπηνπλ ζηηγκηαίεο αηρκέο δήηεζεο θνξηίνπ, ε ύπαξμε ζηαζεξήο ηάζεο ζην ζύζηεκα θαη ε ηθαλόηεηα απνζήθεπζεο ηεο επηπιένλ ηεο ελεξγεηαθήο δήηεζεο ελέξγεηαο, ώζηε λα κεηώλνληαη νη απώιεηεο. Από ηελ άιιε πιεπξά, ε πνιππινθόηεηα ηνπ ζπζηήκαηνο, ην απμεκέλν θόζηνο, ν απμεκέλνο ρξόλνο θαη ην θόζηνο ζπληήξεζεο θαη πνιιέο θνξέο ε κεησκέλε αμηνπηζηία κπνξνύλ λα θαηαγξαθνύλ ζηα κεηνλεθηήκαηα ελόο ηέηνηνπ ζπζηήκαηνο. Σα πεξηζζόηεξα ζπζηήκαηα ρξεζηκνπνηνύλ ζπζζσξεπηέο κνιύβδνπ (leadacid) ή ζπζζσξεπηέο ληθειίνπ- θαδκίνπ (nickel- cadmium). Ζ ρσξεηηθόηεηα C ελόο ζπζζσξεπηή κεηξάηαη ζε ακπεξώξηα (Ah) θαη εθθξάδεη ην πνζό ηνπ ξεύκαηνο 31

32 εθθόξηηζεο πνπ είλαη δπλαηόλ λα παξαρζεί θαηά ηε δηάξθεηα κηαο θαζνξηζκέλεο ρξνληθήο πεξηόδνπ. Σν πνζό ηεο ρσξεηηθόηεηαο πνπ έρεη εθθνξηηζηεί θαιείηαη βάζνο εθθόξηηζεο (depth of discharge) θαη εθθξάδεηαη ζε πνζνζηό ηεο νλνκαζηηθήο ρσξεηηθόηεηαο, ελώ ε δηαζέζηκε αθόκα ρσξεηηθόηεηα θαιείηαη ζηάζκε θόξηηζεο (state of charge) θαη εθθξάδεηαη επίζεο ζε πνζνζηό ηεο νλνκαζηηθήο ρσξεηηθόηεηαο. Μηα πιήξεο εθθόξηηζε καδί κε ηελ επόκελε επαλαθόξηηζε αλαθέξεηαη ζαλ έλαο θύθινο (cycle). Γπζηπρώο, θαηά ηε δηάξθεηα ελόο θύθινπ ζπκβαίλνπλ κε αλαζηξέςηκεο κεηαβνιέο πνπ πξνθαινύλ βαζκηαία κείσζε ηεο δηαζέζηκεο ρσξεηηθόηεηαο κέρξηο όηνπ ην ζηνηρείν δελ κπνξεί πιένλ λα ιεηηνπξγήζεη ηθαλνπνηεηηθά, νπόηε ην ζηνηρείν έρεη εμαληιήζεη ηε δηάξθεηα ηεο δσήο ηνπ. Δμνπιηζκόο ειέγρνπ Δίνδνη αληεπηζηξνθήο (blocking diodes): Οη δίνδνη αληεπηζηξνθήο ή δίνδνη απνκόλσζεο ρξεζηκνπνηνύληαη γηα λα ζπλδέζνπλ κηα αιπζίδα πιαηζίσλ ζε έλα δπγό κε ηέηνην ηξόπν ώζηε αθ ελόο κελ λα άγνπλ ξεύκα ζην δπγό όηαλ ηα θύηηαξα θσηίδνληαη (νξζή πόισζε), αθ εηέξνπ δε λα εκπνδίδνπλ ηε ξνή ξεύκαηνο από ην δπγό ζηελ αιπζίδα ησλ πιαηζίσλ (αλάζηξνθε πόισζε), όηαλ γηα νπνηνλδήπνηε ιόγν ε ηάζε εμόδνπ ηεο αιπζίδαο είλαη κηθξόηεξε από ηελ ηάζε ηνπ δπγνύ. πλδένληαο ινηπόλ ηε δίνδν αληεπηζηξνθήο αλάκεζα ζην πιαίζην θαη ην ζπζζσξεπηή απνηξέπνπκε ηελ εθθόξηηζε ηνπ ηειεπηαίνπ. Καηάιιειε ηνπνζέηεζε δηόδσλ αληεπηζηξνθήο κπνξεί λα πξνιάβεη ζνβαξέο ή αθόκα θαη θαηαζηξνθηθέο βιάβεο όηαλ γηα θάπνην ιόγν ζπκβεί βξαρπθύθισκα ζε θαιώδηα, ζπλδεηήξεο, αθξνδέθηεο κεηαμύ γεηηνληθώλ πιαηζίσλ ή αιπζίδσλ ή κεηαμύ θπηηάξσλ θαη κεηαιιηθώλ ππνζηξσκάησλ ησλ πιαηζίσλ. Από ηελ άιιε κεξηά όκσο, πξνθαινύλ κηα πηώζε ηάζεο πνπ αθαηξείηαη από ηελ ηάζε εμόδνπ ηεο ζπζηνηρίαο, δειαδή πξνθαινύλ απώιεηεο όηαλ ε ζπζηνηρία παξάγεη ελέξγεηα. Ρπζκηζηήο θόξηηζεο (charge regulator): Ο ξπζκηζηήο θόξηηζεο είλαη κηα απιή ειεθηξνληθή ζπζθεπή πνπ θξνληίδεη γηα ηε ζσζηή θόξηηζε ησλ ζπζζσξεπηώλ (κπαηαξηώλ) ηνπ θσηνβνιηατθνύ ζπζηήκαηνο. Διέγρεη ηε δηαδηθαζία θόξηηζεο θαη ηε ζηακαηά όηαλ δηαπηζηώζεη όηη ε κπαηαξία έρεη θνξηηζηεί πιήξσο. Αιιηώο ζα ππήξρε ν ζνβαξόο θίλδπλνο λα θαηαζηξαθεί ε κπαηαξία. Δπεηδή νη κπαηαξίεο έρνπλ ηελ ηάζε λα απνθνξηίδνληαη ζηαδηαθά αθόκα θη αλ δελ ηξνθνδνηνύλ κε ξεύκα θάπνηα ζπζθεπή, ν ξπζκηζηήο θόξηηζεο θξνληίδεη απηόκαηα λα μαλαξρίζεη ε δηαδηθαζία θόξηηζεο ηεο κπαηαξίαο όηαλ δηαπηζηώζεη όηη ε ηάζε ηεο έπεζε θάησ από ην επίπεδν ηεο πιήξνπο θόξηηζεο. Αξθεηνί ξπζκηζηέο έρνπλ ηε δπλαηόηεηα λα δηαθόςνπλ ηε ιεηηνπξγία ησλ ειεθηξηθώλ ζπζθεπώλ όηαλ δηαπηζηώζνπλ όηη ε κπαηαξία θνληεύεη λα αδεηάζεη πιήξσο, πξνζηαηεύνληάο ηε πάιη κε απηό ηνλ ηξόπν από πιήξε απνθόξηηζε πνπ ζα νδεγνύζε ζηελ θαηαζηξνθή ηεο. 32

33 ρήκα 1.23 Ρπζκηζηέο θόξηηζεο (a) ελ παξαιιήισ (b) ελ ζεηξά Μεηαηξνπέαο ζπλερνύο/ζπλερνύο (DC/DC converter): Ο κεηαηξνπέαο απηόο πνπ ζπλήζσο ιέγεηαη θαη CHOPPER ρξεζηκνπνηείηαη γηα ηελ αλύςσζε ή ηνλ ππνβηβαζκό ηεο ηάζεο ησλ θσηνβνιηατθώλ ζπζηνηρηώλ ζηα επηζπκεηά επίπεδα πνπ απαηηεί ην θνξηίν ή ζηελ επηζπκεηή ηάζε εηζόδνπ ελόο AC/DC κεηαηξνπέα ν νπνίνο ηξνθνδνηεί κε ηε ζεηξά ηνπ έλα AC θνξηίν. Υξεζηκνπνηείηαη ζπλήζσο ζε εθαξκνγέο κε κέζεο θαη κεγάιεο ηζρείο θαη έρεη ην ηδηαίηεξν πιενλέθηεκα έλαληη ησλ γξακκηθώλ ξπζκηζηώλ λα παξνπζηάδεη κηθξή θαηαλάισζε ηζρύνο (δειαδή κεγάιν βαζκό απόδνζεο) ζηε κνλάδα ειέγρνπ. ρήκα 1.24 DC/DC κεηαηξνπέαο αλύςσζεο ηάζεο ρήκα 1.25 DC/DC κεηαηξνπέαο ππνβηβαζκνύ ηάζεο 33

34 Μεηαηξνπέαο ζπλερνύο/ελαιιαζζνκέλνπ (DC/AC converter): Ο κεηαηξνπέαο απηόο είλαη έλα ειεθηξνληθό ζύζηεκα ηζρύνο πνπ κεηαηξέπεη ηε ζπλερή ηάζε ζε ελαιιαζζόκελε. Παξάιιεια, βνεζά ζηνλ έιεγρν ηεο παξερόκελεο ζην δίθηπν ηζρύνο, επηηειεί ηνλ δηαλπζκαηηθό έιεγρν (vector control) ηεο ηάζεο εμόδνπ θαη ζπγρξνλίδεη ηελ εγθαηάζηαζε ηελ ac πιεπξά ηεο- κε ην ηνπηθό δίθηπν δηαλνκήο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο. ηε βαζηθή ηνπ κνξθή απνηειείηαη από θαηάιιειε δηάηαμε ειεθηξνληθώλ δηαθνπηώλ ε ζπλδπαζκέλε ιεηηνπξγία ησλ νπνίσλ έρεη σο απνηέιεζκα ηε δεκηνπξγία ηεηξαγσληθώλ παικώλ δηαδνρηθά νξζώλ θαη αληεζηξακκέλσλ. Μηα δηακνξθσκέλε έθδνζε ησλ κεηαηξνπέσλ είλαη απηή πνπ ζηελ έμνδό ηνπ παξάγεη ηάζε πνπ έρεη ηε κνξθή δηακνξθσκέλνπ εκηηόλνπ. Η δηάηαμε MPPT (Maximum Power Point Tracker): Ο αληρλεπηήο ζεκείνπ κέγηζηεο ηζρύνο είλαη κηα ζπζθεπή πνπ επεμεξγάδεηαη θαηάιιεια ην ξεύκα θαη ηελ ηάζε εμόδνπ ηεο θσηνβνιηατθήο ζπζηνηρίαο, ώζηε, ζε θάζε ρξνληθή ζηηγκή λα απνξξνθάηαη ε κέγηζηε δπλαηή ηζρύο από ηε ζπζηνηρία. Όπσο εμεγήζεθε πξνεγνπκέλσο, γηα κεηαβαιιόκελεο ζπλζήθεο αθηηλνβνιίαο δελ κπνξνύκε κε δεδνκέλν θνξηίν λα είκαζηε ζπλερώο ζηε ζέζε κέγηζηεο ηζρύνο ζην δηάγξακκα. Σν I m κεηαβάιιεηαη ζεκαληηθά κε ηελ πξνζπίπηνπζα αθηηλνβνιία, ην V m κε ηε ζεξκνθξαζία ιεηηνπξγίαο ηνπ πιαηζίνπ, ελώ ε θαζαξόηεηα ηεο γπάιηλεο επηθάιπςεο ησλ πιαηζίσλ, νη κεηαβνιέο ζηα ραξαθηεξηζηηθά ιεηηνπξγίαο ιόγσ γήξαλζεο θαη νη αζηνρίεο ησλ θπηηάξσλ επεξεάδνπλ κε ηε ζεηξά ηνπο ην ζεκείν κέγηζηεο ηζρύνο. O MPPT όκσο καο δίλεη ηε δπλαηόηεηα απηή: Έρνληαο ζπλερώο ζηαζεξό θνξηίν, μεγειά ην θσηνβνιηατθό ζηνηρείν όηη κεηαβάιιεηαη ην θνξηίν ζπλερώο ζηελ ηηκή πνπ αληηζηνηρεί ζην ζεκείν κέγηζηεο ηζρύνο γηα ηε ιακβαλόκελε αθηηλνβνιία θάζε ρξνληθήο ζηηγκήο. Γηα ην ζθνπό απηό ππνινγίδεηαη θάζε ρξνληθή ζηηγκή ε ηάζε θαη ην ξεύκα ηνπ θπθιώκαηνο, ελώ έλαο ππνινγηζηήο ππνινγίδεη ηηο αιιαγέο ησλ παξακέηξσλ ελόο boost converter (dc/dc converter) γηα λα επηηύρεη ηελ παξαθνινύζεζε ηνπ κεγίζηνπ. Έλα κπινθ δηάγξακκα ηεο ιεηηνπξγίαο απηήο θαίλεηαη παξαθάησ: ρήκα 1.26 Μπινθ δηάγξακκα ελόο Maximum Power Point Tracker, MPPT 34

35 1.10 Καηεγνξέεο θσηνβνιηατθώλ ζπζηεκϊησλ Σα θσηνβνιηατθά ζπζηήκαηα ραξαθηεξίδνληαη από κεγάιν εύξνο εθαξκνγώλ κε θξηηήξην ηελ απαίηεζε ηζρύνο. Σν εύξνο απηό αλαθέξεηαη ζηελ θάιπςε ειεθηξηθήο ηζρύνο θαηαλαισηηθώλ πξντόλησλ ρακειήο ηζρύνο (mw), όπσο ηα ξνιόγηα ρεηξόο θαη νη αξηζκνκεραλέο, έσο ζπζηήκαηα κεγάιεο ηζρύνο όπσο ηεο ηξνθνδνζίαο απνκαθξπζκέλσλ ή όρη από θεληξηθά ειεθηξηθά δίθηπα θηηξηαθώλ ζπγθξνηεκάησλ ή αθόκα θαη λεζηώλ. ύκθσλα κε ηα παξαπάλσ ππάξρεη δηάθξηζε ησλ θσηνβνιηατθώλ ζπζηεκάησλ ζε δύν βαζηθέο θαηεγνξίεο νη νπνίεο είλαη: α) Σα απνκνλσκέλα (stand-alone) ή εθηόο δηθηύνπ (off-grid) β) Σα ζπλδεδεκέλα ζην δίθηπν (grid connected) ΑπνκνλσκΫλα ζπζηάκαηα Σα απνκνλσκέλα ζπζηήκαηα δελ είλαη ζπλδεδεκέλα ζε θάπνην εζληθό ή ηνπηθό δίθηπν ειεθηξηθήο ελέξγεηαο γη απηό θαη νλνκάδνληαη θαη θσηνβνιηατθά ζπζηήκαηα εθηόο δηθηύνπ (off-grid). Υξεζηκνπνηνύληαη ζε πεξηπηώζεηο πνπ ρξεηάδεηαη ειεθηξηθή ηζρύο ζε θάπνην ζεκείν όπνπ είλαη αδύλαηε ε κεηαθνξά ελέξγεηαο ή αλ ππάξρεη ε επηζπκία πιήξνπο απηνλνκίαο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο από θάπνην δίθηπν, θαη έρνπλ ηππηθέο ηηκέο ηζρύνο 100W έσο 200kW. Γηαθξίλνληαη ζε απηόλνκα ζηα νπνία ε θσηνβνιηατθή ζπζηνηρία απνηειεί ηελ απνθιεηζηηθή πεγή ελέξγεηαο θαη ζε πβξηδηθά, ζηα νπνία ε θσηνβνιηατθή ζπζηνηρία ζπλδπάδεηαη κε άιιεο πεγέο ελέξγεηαο όπσο κηα γελλήηξηα πεηξειαίνπ ή κηα άιιε κνξθή ΑΠΔ (π.ρ. αλεκνγελλήηξηα). Απηόλνκα θσηνβνιηατθά ζπζηήκαηα Σα απηόλνκα ζπζηήκαηα παξαγσγήο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο είλαη ηδηαίηεξα δηαδεδνκέλα ζήκεξα θαη απνηεινύλ κηα αμηόπηζηε επηινγή. Ζ αλαγθαία ειεθηξηθή ελέξγεηα παξάγεηαη εμ νινθιήξνπ από ηε θσηνβνιηατθή ζπζηνηρία. Ζ απνδηδόκελε ειεθηξηθή ελέξγεηα κπνξεί λα είλαη ζπλερνύο (DC) ή ελαιιαζζόκελεο ηάζεο (AC), ελώ ε παξνρή ηεο κπνξεί λα είλαη είηε άκεζε ζηνπο θαηαλαισηέο είηε κέζσ ζπζζσξεπηώλ. ύκθσλα κε ηα παξαπάλσ ηα απηόλνκα θσηνβνιηατθά ζπζηήκαηα δηαθξίλνληαη ζε: Απηόλνκα θσηνβνιηατθά ζπζηήκαηα άκεζεο ηξνθνδνζίαο ηνπ θνξηίνπ, όπνπ ε ελέξγεηα απνδίδεηαη άκεζε ζηελ θαηαλάισζε ρσξίο ηελ ελδηάκεζε απνζήθεπζε ζε ζπζζσξεπηέο. Υξεζηκνπνηνύληαη ζε εθαξκνγέο ζηηο νπνίεο δελ απαηηείηαη ηαθηηθή ιεηηνπξγία ηνπ ζπζηήκαηνο θαζώο θαη ζε θνξηία ζπλερνύο ξεύκαηνο. Υαξαθηεξηζηηθό παξάδεηγκα απνηεινύλ ηα ζπζηήκαηα άληιεζεο λεξνύ Απηόλνκα ζπζηήκαηα κε απνζήθεπζε ηεο παξαγόκελεο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο. Υαξαθηεξηζηηθέο εθαξκνγέο απνηεινύλ ηα απηόλνκα θσηνβνιηατθά ζπζηήκαηα θσηηζκνύ νδώλ, δηαηάμεσλ ππξαλίρλεπζεο δαζηθώλ εθηάζεσλ, ηειεπηθνηλσληαθώλ αλακεηαδνηώλ, δηαηάμεσλ θαηαγξαθήο δεδνκέλσλ θ.α. 35

36 ρήκα 1.27 Γνκή απηόλνκνπ θσηνβνιηατθνύ ζπζηήκαηνο Τβξηδηθά θσηνβνιηατθά ζπζηήκαηα Όηαλ ε απαηηνύκελε ειεθηξηθή ελέξγεηα δελ κπνξεί λα θαιπθζεί από ηα θσηνβνιηατθά πιαίζηα, ηόηε ρξεζηκνπνηνύληαη ζε ζπλδπαζκό κε άιιε πεγή ελέξγεηαο. Απηή κπνξεί λα είλαη είηε ζπκβαηηθώλ θαπζίκσλ όπσο έλα ειεθηξνπαξαγσγό δεύγνο ή κηα ληηδεινγελλήηξηα είηε ΑΠΔ όπσο αλεκνγελλήηξηα. Ζ εθεδξηθή γελλήηξηα όπσο ιέγεηαη δελ είλαη απαξαίηεηε γηα ηε ιεηηνπξγία ηνπ ζπζηήκαηνο αιιά εμαζθαιίδεη ηελ παξνρή ελέξγεηαο αθόκα θαη θάησ από αληίμνεο κεηεσξνινγηθέο ζπλζήθεο (π.ρ. παξαηεηακέλε ζπλλεθηά), ή ζε πεξηπηώζεηο ππεξθαηαλάισζεο. Δπίζεο καο δίλεη ηε δπλαηόηεηα λα κεηώζνπκε ην αξρηθό θόζηνο ηνπ ζπζηήκαηνο ηνπνζεηώληαο ιηγόηεξεο αλαλεώζηκεο πεγέο. ε απηή ηελ πεξίπησζε απνδερόκαζηε όηη ε γελλήηξηα ζα ιεηηνπξγεί πεξηνδηθά. Υαξαθηεξηζηηθά παξαδείγκαηα απνηεινύλ νη εμνρηθέο θαηνηθίεο θαη νη Ηεξέο Μνλέο. ηηο πεξηζζόηεξεο ησλ πεξηπηώζεσλ ζην ζύζηεκα πξνβιέπεηαη απνζήθεπζε ηεο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο ζε κπαηαξίεο. ρήκα 1.28 Γνκή πβξηδηθνύ θσηνβνιηατθνύ ζπζηήκαηνο 36

37 ΦσηνβνιηατθΪ ζπζηάκαηα ζπλδεδεκϋλα ζην δέθηπν ηα δηαζπλδεδεκέλα κε ην δίθηπν θσηνβνιηατθά ζπζηήκαηα, ε παξαγόκελε ειεθηξηθή ελέξγεηα από ηα θσηνβνιηατθά, ηξνθνδνηεί ηα ειεθηξηθά θνξηία θαη ε πεξίζζεηα ειεθηξηθήο ελέξγεηαο εθ όζνλ ππάξρεη, δηαβηβάδεηαη θαη πσιείηαη ζην δίθηπν. ηηο πεξηπηώζεηο όκσο πνπ ε ελέξγεηα από ηα θσηνβνιηατθά δελ επαξθεί γηα λα θαιύςεη ηα θνξηία ηόηε ην δίθηπν παξέρεη ηε ζπκπιεξσκαηηθή ελέξγεηα. Έηζη ζηα δηαζπλδεδεκέλα ζπζηήκαηα ππάξρνπλ δύν κεηξεηέο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο. Ο έλαο κεηξάεη ηελ ελέξγεηα πνπ δίλεηαη ζην δίθηπν θαη ν άιινο ηελ ελέξγεηα πνπ παξέρεη ζην δίθηπν. Δπίζεο ζηελ πεξίπησζε ησλ δηαζπλδεδεκέλσλ ζπζηεκάησλ δελ απαηηείηαη ρξήζε ζπζζσξεπηώλ, γεγνλόο πνπ ειαηηώλεη ην αξρηθό θόζηνο ηεο εγθαηάζηαζεο θαζώο θαη ην θόζηνο ζπληήξεζεο. Μπνξνύλ λα δηαθξηζνύλ ζε απηά πνπ είλαη ζπλδεδεκέλα ζην δίθηπν i) σο θαηαλεκεκέλα ζπζηήκαηα (distributed) θαη ii) ζε εθείλα πνπ ζπληζηνύλ θεληξηθνύο θσηνβνιηατθνύο ζηαζκνύο κεγάιεο ηζρύνο κεγαιύηεξεο ησλ 50 kw ησλ νπνίσλ ε παξαγόκελε ειεθηξηθή ελέξγεηα δηνρεηεύεηαη ζην θεληξηθό δίθηπν (centralized systems). Σα θαηαλεκεκέλα ζπζηήκαηα απνηεινύλ ην κεγαιύηεξν πνζνζηό ησλ παγθνζκίσο ζπλδεδεκέλσλ ζην δίθηπν θσηνβνιηατθώλ ζπζηεκάησλ. Μπνξνύκε λα ηα δηαθξίλνπκε ζε δύν θαηεγνξίεο αλάινγα κε ηνλ ηξόπν αιιειεπίδξαζήο ηνπο κε ην δίθηπν: Φωηνβνιηαϊθά ζπζηήκαηα πνπ ρξεζηκνπνηνύλ ην δίθηπν ωο βνεζεηηθή πεγή ελέξγεηαο. Σν ζύζηεκα ζρεδηάδεηαη έηζη ώζηε λα θαιύπηεη ηηο κέζεο κεληαίεο ελεξγεηαθέο απαηηήζεηο ηεο εθαξκνγήο. ηηο πεξηπηώζεηο έθηαθηεο ελεξγεηαθήο δήηεζεο ή αζηνρίαο ηνπ θσηνβνιηατθνύ ζπζηήκαηνο ην δίθηπν θαιύπηεη ηε δήηεζε ηζρύνο. Φωηνβνιηαϊθά ζπζηήκαηα ηα νπνία ιεηηνπξγνύλ κε ζπλερή αιιειεπίδξαζε κε ην δίθηπν. Σν ζύζηεκα ζρεδηάδεηαη έηζη ώζηε λα θαιύπηεη ηηο εηήζηεο ελεξγεηαθέο απαηηήζεηο ηεο εθαξκνγήο. Έηζη όηαλ ην θσηνβνιηατθό ζύζηεκα πζηεξεί ζηελ θάιπςε ησλ θαηαλαιώζεσλ ηεο εθαξκνγήο, ε απαηηνύκελε ελέξγεηα παξέρεηαη από ην δίθηπν. ύκθσλα κε ην παξαπάλσ, ζηελ ηδαληθή πεξίπησζε, ε ζπλνιηθή παξαγόκελε ειεθηξηθή ελέξγεηα είλαη ίζε ή κεγαιύηεξε κε ηελ ελέξγεηα ηνπ δηθηύνπ πξνο εθαξκνγή. 37

38 ρήκα 1.29 Γνκή δηαζπλδεδεκέλνπ θσηνβνιηατθνύ ζπζηήκαηνο 38

39 ΚΔΦΑΛΑΙΟ 2 ΠΑΡΟΤΗΑΖ ΚΑΗ ΤΛΟΠΟΗΖΖ ΤΛΗΚΟΤ ΓΗΑΣΑΞΖ 39

40 2.1 Δηζαγσγά Σν ζύζηεκα πνπ θαηαζθεπάζακε πεξηέρεη δηάθνξα ηκήκαηα θαζέλα από ηα νπνία ζα παξνπζηαζηνύλ θαη ζα αλαιπζνύλ μερσξηζηά. πγθεθξηκέλα, ε θαηαζθεπή καο απνηειείηαη από έλα θσηνβνιηατθό πιαίζην, έλαλ θηλεηήξα ζπλερνύο ξεύκαηνο, θαη έλα νινθιεξσκέλν θύθισκα επεμεξγαζηή. Δπηπιένλ έρνπκε ην breadboard όπνπ ηνπνζεηνύληαη ηα δηάθνξα ειεθηξνληθά εμαξηήκαηα θαζώο επίζεο θαη ηα θαιώδηα ησλ δηαθόξσλ ππνζπζηεκάησλ. Σν ειεθηξνληθό θύθισκα ειέγρνπ απνηειείηαη από έλα κηθξνειεγθηή msp430f169 ηεο texas instruments θαη ην θύθισκα νδήγεζεο ηνπ θηλεηήξα. 2.2 Κηλεηάξεο ζπλερνύο ξεύκαηνο Γηα ηελ θίλεζε ηνπ ειηαθνύ ζπιιέθηε ζα ρξεζηκνπνηήζνπκε έλαλ απιό θηλεηήξα ζπλερνύο ξεύκαηνο (dc motor). Έλαο ειεθηξηθόο θηλεηήξαο ρξεζηκνπνηεί ειεθηξηθή ελέξγεηα γηα λα παξάγεη κεραληθή ελέξγεηα. Ζ ιεηηνπξγία ησλ ειεθηξηθώλ θηλεηήξσλ ζηεξίδεηαη ζηελ ειεθηξνκαγλεηηθή επαγσγή. Όηαλ έλαο αγσγόο πνπ δηαξξέεηαη από ειεθηξηθό ξεύκα βξεζεί κέζα ζε έλα καγλεηηθό πεδίν ηόηε ζηνλ αγσγό απηό αζθείηαη από ην καγλεηηθό πεδίν κηα δύλακε πνπ ηείλεη λα ηνλ θηλήζεη. Ζ δύλακε απηή είλαη αλάινγε κε ηελ έληαζε ηνπ ειεθηξηθνύ ξεύκαηνο, ηελ έληαζε ηνπ καγλεηηθνύ πεδίνπ, αιιά θαη ην κήθνο ηνπ αγσγνύ. εκεηώλεηαη πσο ε θνξά ηεο αζθνύκελεο ζηνλ αγσγό δύλακεο αληηζηξέθεηαη είηε αλ αιιάμεη ε θνξά ηνπ ξεύκαηνο, είηε αλ αληηζηξαθεί ε πνιηθόηεηα ηνπ καγλεηηθνύ πεδίνπ ΓεληθΫο αξρϋο ιεηηνπξγέαο Καηά ηε ιεηηνπξγία κηαο ειεθηξηθήο κεραλήο ζαλ θηλεηήξαο παξέρεηαη ειεθηξηθή ελέξγεηα ζην θύξην ηύιηγκα ηεο κεραλήο, πνπ ιέγεηαη ηύιηγκα ηπκπάλνπ θαη απνδίδεηαη κεραληθή ελέξγεηα εμόδνπ πάλσ ζε κηα πεξηζηξεθόκελε άηξαθην. Μηα εμσηεξηθά επηβαιιόκελε ειεθηξηθή ηάζε v νδεγεί έλα ξεύκα i κέζα ζην ηύιηγκα ηπκπάλνπ ελάληηα ζε κηα εζσηεξηθά επαγόκελε αληηειεθηξεγεξηηθή δύλακε e. Σν ηύιηγκα ηπκπάλνπ γίλεηαη έηζη ηθαλό λα απνξξνθά ειεθηξηθή ελέξγεηα κε ξπζκό e x i. Σν πεδίν δεύμεσο αζθεί κηα ζηηγκηαία ειεθηξνκαγλεηηθή ξνπή Σπεδ πάλσ ζην πεξηζηξεθόκελν κέινο ηεο κεραλήο πνπ ιέγεηαη δξνκέαο (ξόηνξαο). 40

41 ρήκα 2.1 Αξρή ιεηηνπξγίαο θηλεηήξα ζπλερνύο ξεύκαηνο Γεδνκέλνπ όηη ζην ηύιηγκα ηπκπάλνπ αλαπηύζζεηαη κηα ΖΔΓ (ειεθηξεγεξηηθή δύλακε), ρξεηαδόκαζηε έλα καγλεηηθό πεδίν δηεγέξζεσο πνπ ζπλεζέζηαηα (εθηόο από ηελ πεξίπησζε κόληκνπ καγλήηε ζηηο κηθξέο κεραλέο), ζηελ πξάμε παξέρεηαη από ηπιίγκαηα δηεγέξζεσο ή ηπιίγκαηα πεδίνπ. ηε κόληκε ιεηηνπξγία ησλ ζπλήζσλ κεραλώλ ηεο πξάμεο, νη νπνίεο έρνπλ ρσξηζηά ηξνθνδνηνύκελν ηύιηγκα δηέγεξζεο, ε κέζε ηηκή ηεο ηζρύνο πνπ ηξνθνδνηεί ην ηύιηγκα απηό δαπαλάηαη ππό κνξθή ζεξκόηεηαο Καηεγνξέεο θηλεηάξσλ ζπλερνύο ξεύκαηνο Οη ειεθηξνθηλεηήξεο δηαθξίλνληαη ζε δύν βαζηθέο θαηεγνξίεο, ζηνπο θηλεηήξεο ζπλερνύο ξεύκαηνο θαη ζηνπο θηλεηήξεο ελαιιαζζνκέλνπ ξεύκαηνο. Οι θηλεηήξεο ζπλερνύο ξεύκαηνο δηαθξίλνληαη κε ηε ζεηξά ηνπο ζε άιιεο δύν θαηεγνξίεο: i) ζε απηήλ όπνπ ην καγλεηηθό πεδίν παξάγεηαη από έλα κόληκν καγλήηε θαη ii) απηνύο όπνπ ην πεδίν παξάγεηαη από έλα ηύιηγκα δηεγέξζεσο. Κηλεηήξεο κε κόληκν καγλήηε: ηνπο θηλεηήξεο απηνύο ε καγλεηηθή ξνή παξακέλεη ζηαζεξή ζε όιεο ηηο ηαρύηεηεο ηνπ θηλεηήξα θαη νη ραξαθηεξηζηηθέο θακπύιεο ηαρύηεηαο - ξνπήο θαη έληαζεο ξεύκαηνο - ξνπήο είλαη γξακκηθέο. Κηλεηήξεο κε ηύιηγκα δηέγεξζεο: Οη θηλεηήξεο απηνί ρσξίδνληαη ζε ηξεηο ππνθαηεγνξίεο. ηνπο θηλεηήξεο παξάιιειεο δηέγεξζεο, ζηνπο θηλεηήξεο δηέγεξζεο ελ ζεηξά θαη ζηνπο θηλεηήξεο ζύλζεηεο δηέγεξζεο. ηνπο θηλεηήξεο παξάιιειεο δηέγεξζεο ην ηύιηγκα δηέγεξζεο ζπλδέεηαη παξάιιεια κε ην ηύιηγκα ηνπ επαγσγηθνύ ηπκπάλνπ. ηνπο θηλεηήξεο δηέγεξζεο ελ ζεηξά ην ηύιηγκα δηέγεξζεο ζπλδέεηαη ελ ζεηξά κε ην ηύιηγκα ηνπ επαγσγηθνύ ηπκπάλνπ, ελώ ζηνπο θηλεηήξεο ζύλζεηεο δηέγεξζεο θάζε θύξηνο καγλεηηθόο πόινο έρεη δύν ηπιίγκαηα, ην παξάιιειν ηύιηγκα θαη ην ηύιηγκα ελ ζεηξά. 41

42 2.2.3 Γνκά ηνπ θηλεηάξα Οη ειεθηξνθηλεηήξεο έρνπλ δύν κέιε, έλα ζηαζεξό κέινο πνπ ιέγεηαη ζηάηεο (stator) θαη έλα ζηξεθόκελν κέινο πνπ ιέγεηαη δξνκέαο (rotor). Δπεηδή ζέινπκε λα έρνπκε κεησκέλε ηε καγλεηηθή αληίζηαζε ησλ δξόκσλ ηεο καγλεηηθήο ξνήο, νη ππξήλεο ηνπ ζηάηε θαη ηνπ δξνκέα θαηαζθεπάδνληαη από ζηδεξνκαγλεηηθό πιηθό ζε κνξθή κνλσκέλσλ κεηαμύ ηνπο ειαζκάησλ. Απηό απνζθνπεί ζηελ ειάηησζε ησλ απσιεηώλ δηλνξξεπκάησλ. Κάλνληαο κηα γεληθή πεξηγξαθή κπνξνύκε λα πνύκε πσο ν δξνκέαο είλαη βαζηθά έλαο θύιηλδξνο θαη ν ζηάηεο έλαο θνύθηνο θύιηλδξνο. Ο δξνκέαο θαη ν ζηάηεο ρσξίδνληαη από έλα κηθξό δηάθελν αέξα. Σν κήθνο ηνπ δηαθέλνπ απηνύ είλαη πνιύ κηθξό αλ ζπγθξηζεί κε ηε δηάκεηξν ηνπ δξνκέα. Σν ηύιηγκα ηπκπάλνπ βξίζθεηαη είηε ζην ζηάηε, είηε ζην δξνκέα. Σν καγλεηηθό θύθισκα ζπκπιεξώλεηαη κέζα από ην ζηδεξνκαγλεηηθό πιηθό ηνπ άιινπ θύξηνπ κέινπο ηεο κεραλήο. ην κέινο απηό ηνπνζεηνύληαη ηα πελία δηέγεξζεο ή ηπιίγκαηα πεδίνπ πνπ ελεξγνύλ ζαλ θύξηεο πεγέο καγλεηηθήο ξνήο. ηηο κεραλέο ζπλερνύο ξεύκαηνο, ην ζπλερέο ξεύκα ηξνθνδνηείηαη κε ηε βνήζεηα κηαο δηάηαμεο πνπ ιέγεηαη ζπιιέθηεο. ηελ απινύζηεξε κνξθή ηνπ ν ζπιιέθηεο απνηειείηαη από έλα δαθηπιίδη θνκκέλν ζηε κέζε ζε δύν θνκκάηηα (ηνκείο ηνπ ζπιιέθηε), ηα νπνία είλαη ζηεξεσκέλα ζηνλ άμνλα ηνπ επαγσγηθνύ ηπκπάλνπ, πεξηζηξέθνληαη καδί κε απηόλ θαη είλαη κνλσκέλα κεηαμύ ηνπο θαη σο πξνο ηνλ άμνλα. Σα άθξα ησλ δύν αγσγώλ πνπ ζπληζηνύλ κηα ζπείξα ηπιίγκαηνο είλαη ζπλδεδεκέλα κόληκα κε ηνπο ηνκείο ηνπ ζπιιέθηε. Οη ςήθηξεο νη νπνίεο είλαη ζηεξεσκέλεο ζην αθίλεην κέξνο ηεο κεραλήο θη εθάπηνληαη ζηνπο ηνκείο ηνπ ζπιιέθηε, είλαη ηνπνζεηεκέλεο ζε ζεκεία αληηδηακεηξηθά σο πξνο ηνλ άμνλα. Καηά ηε ιεηηνπξγία ελόο θηλεηήξα ζπλερνύο ξεύκαηνο, δηνρεηεύεηαη κέζσ ησλ ςεθηξώλ θαη ηνπ ζπιιέθηε, ζπλερέο ξεύκα ζπγθεθξηκέλεο έληαζεο, ζηηο ζπείξεο ηνπ ηπιίγκαηνο, νη νπνίεο όκσο όπσο εμεγήζεθε παξαπάλσ βξίζθνληαη κέζα ζην καγλεηηθό πεδίν ηεο κεραλήο. Λόγσ ηνπ θαηλνκέλνπ ηεο επαγσγήο ζε θάζε έλαλ από ηνπο δύν αγσγνύο πνπ ζπληζηνύλ κηα ζπείξα ζα αζθεζεί κηα δύλακε πνπ ζα έρεη δηεύζπλζε εθαπηόκελε ζην ηύκπαλν. Οη δπλάκεηο πνπ αλαπηύζζνληαη ζηνπο δύν αγσγνύο θάζε ζπείξαο δηακνξθώλνπλ έλα δεύγνο δπλάκεσλ πνπ αζθεί ξνπή πεξηζηξνθήο ζην επαγσγηθό ηύκπαλν. Δίλαη πξνθαλέο όηη ε θνξά ησλ δπλάκεσλ πνπ αζθνύληαη ζηνπο δύν αγσγνύο θάζε ζπείξαο είλαη ε ίδηα νπνηαδήπνηε θη αλ είλαη ε ζέζε πνπ έρεη ε ζπείξα ησλ δύν αγσγώλ θαηά ηελ πεξηζηξνθή ηνπ ηπκπάλνπ. Ζ ξνπή πεξηζηξνθήο ηνπ ηπκπάλνπ είλαη πξνθαλώο αλάινγε κε ηελ έληαζε ηνπ καγλεηηθνύ πεδίνπ, κε ηελ έληαζε ηνπ ζπλερνύο ξεύκαηνο, κε ην κήθνο ηεο ζπείξαο, αιιά θαη κε ηελ αθηίλα ηεο βάζεο ηνπ θπιηλδξηθνύ ηπκπάλνπ. Οη ξνπέο όισλ ησλ δεπγώλ πνπ αλαπηύζζνληαη από όιεο ηηο ζπείξεο ηπιίγκαηνο ηνπ ηπκπάλνπ ελόο θηλεηήξα ζπλερνύο ξεύκαηνο αζξνίδνληαη θαη ε ζπληζηακέλε ηνπο είλαη απηή πνπ ζέηεη ζε πεξηζηξνθηθή θίλεζε ην ηύκπαλν. Με ηνλ ηξόπν απηό παξάγεηαη κεραληθή ελέξγεηα από έλαλ θηλεηήξα πνπ ηξνθνδνηείηαη κε ζπλερέο ξεύκα. 42

43 2.2.4 ΔθαξκνγΫο Οη ειεθηξνθηλεηήξεο ρξεζηκνπνηνύληαη γηα λα δώζνπλ θίλεζε ζε κηα ζρεδόλ απεξηόξηζηε γθάκα κεραληζκώλ. Καιύπηνπλ κηα ηεξάζηηα ζεηξά εθαξκνγώλ από ηα κεραλήκαηα νηθηαθήο ρξήζεο κέρξη ηηο κεγαιύηεξεο θαη πνιππινθόηεξεο βηνκεραληθέο εγθαηαζηάζεηο. Οη θηλεηήξεο ελαιιαζζνκέλνπ ξεύκαηνο θαιύπηνπλ ην κεγαιύηεξν όγθν εθαξκνγώλ ζηε βηνκεραλία δηόηη κπνξνύλ λα πξνζθέξνπλ πνιύ κεγαιύηεξε ηζρύ γηα ην ίδην κέγεζνο θηλεηήξα. Σέηνηα παξαδείγκαηα απνηεινύλ νη αληιίεο θαη νη ζπκπηεζηέο κε πην ραξαθηεξηζηηθέο πεξηπηώζεηο ηα πνιύ κεγάια θπγνθεληξηθά κεραλήκαηα (είηε αληιίεο είηε ζπκπηεζηέο). Οη θηλεηήξεο ζπλερνύο ξεύκαηνο δηαζέηνπλ κεγάιε επθνιία ζηνλ έιεγρν ηεο ηαρύηεηαο ηνπ άμνλά ηνπο θαη πξνζθέξνπλ ζεκαληηθή επθνιία ζηνλ αμηόπηζην έιεγρν ησλ θηλήζεσλ ζε βηνκεραληθνύο κεραληζκνύο πνπ ελεξγνπνηνύληαη από απηνύο. Έλα δεύηεξν βαζηθό ηνπο πιενλέθηεκα ζε ζρέζε κε ηνπο θηλεηήξεο ελαιιαζζνκέλνπ ξεύκαηνο είλαη όηη γηα δεδνκέλε ηζρύ έρνπλ ηε δπλαηόηεηα λα αλαπηύζζνπλ ζεκαληηθά κεγαιύηεξε κεραληθή ξνπή ζην άμνλα ηνπο κε απνηέιεζκα λα είλαη νη πιένλ θαηάιιεινη γηα ηνλ έιεγρν ησλ θηλήζεσλ ζε βηνκεραληθνύο κεραληζκνύο, ζηνπο νπνίνπο ρξεηάδεηαη λα δηαρεηξηζηνύλ ζεκαληηθά κεραληθά θνξηία Ο θηλεηάξαο ηεο θαηαζθεπάο Ο θηλεηήξαο πνπ ρξεζηκνπνηείηαη ζηελ θαηαζθεπή καο είλαη έλαο θηλεηήξαο ζπλερνύο ξεύκαηνο θαη ην πξνκεζεπηήθακε από έλα παηρλίδη. Λεηηνπξγεί κε ηάζε από 1.5V ~3V θαη ε έληαζε ηνπ ξεύκαηνο πνπ ηνλ δηαξξέεη όηαλ απηόο ιεηηνπξγεί ρσξίο θνξηίν είλαη γύξσ ζηα 10mA. Με απηό ηνλ ηξόπν εμαζθαιίζηεθε ε ιεηηνπξγία ηεο θαηαζθεπήο καο κεηώλνληαο ζην ειάρηζην ην θόζηνο. Αληί γηα θηλεηήξα ζπλερνύο ξεύκαηνο ζα κπνξνύζε λα ρξεζηκνπνηεζεί είηε έλαο βεκαηηθόο θηλεηήξαο, είηε έλαο ζεξβνθηλεηήξαο. Βεκαηηθόο θηλεηήξαο: Δίλαη έλαο ζύγρξνλνο ειεθηξηθόο θηλεηήξαο ρσξίο ςύθηξεο. Σν ραξαθηεξηζηηθό ηνπ γλώξηζκα είλαη όηη ν άμνλαο εμόδνπ πεξηζηξέθεηαη ζε κηα ζεηξά δηαθεθξηκέλσλ γσληαθώλ δηαζηεκάησλ ή βεκάησλ θαη έλα βήκα πξαγκαηνπνηείηαη θάζε θνξά πνπ κηα εληνιή παικνύ ιακβάλεηαη. Όηαλ έλαο ηειηθόο αξηζκόο παικώλ έρεη παξαρζεί ν άμνλαο ζα πεξηζηξαθεί πξνο κηα γλσζηή γσλία θαη έηζη ε ζέζε ηνπ κπνξεί λα ειεγρζεί κε αθξίβεηα. Με απηή ηε κέζνδν πνπ νλνκάδεηαη αλνηρηνύ βξόρνπ, δε ρξεηάδεηαη λα ππάξρεη αλάδξαζε πιεξνθνξίαο από θάπνηνλ αηζζεηήξα ζέζεο πξνο ηνλ ειεγθηή, θάηη πνπ είλαη απαξαίηεην ζηνλ έιεγρν 43

44 θιεηζηνύ βξόρνπ (feedback). εξβνθηλεηήξαο: Δίλαη κηα ζπζθεπή πνπ απνηειείηαη από έλαλ ειεθηξνθηλεηήξα ζπλερνύο ξεύκαηνο (1), έλα ειεθηξνληθό θύθισκα πνπ ειέγρεη ηε ζέζε ηνπ ηειηθνύ άμνλα θίλεζεο (2) θαη έλα θηβώηην ππνβηβαζκνύ ηεο ζρέζεο κεηάδνζεο ηνπ θηλεηήξα (3). Ο ηειηθόο άμνλαο θίλεζεο δελ εθηειεί πιήξεηο πεξηζηξνθέο αιιά πεξηζηξέθεηαη κεηαμύ δύν αθξαίσλ ζέζεσλ. Γηα ηε ιεηηνπξγία ηνπ απαηηείηαη ε παξνρή ηεο θαηάιιειεο ηάζεο αιιά θαη ελόο ζήκαηνο ειέγρνπ πνπ θαζνξίδεη ηε ζέζε πεξηζηξνθήο ηνπ ηειηθνύ άμνλα. Γηα ηνλ έιεγρό ηνπ απαηηείηαη εμεηδηθεπκέλνο ειεγθηήο ν νπνίνο δηακνξθώλεη θαη κεηαδίδεη ζην ζέξβν ειεθηξηθνύο παικνύο αλάινγα κε ηε ζέζε ζηελ νπνία πξέπεη λα πεξηζηξαθεί ν άμνλαο ηνπ ζέξβν. Οη ειεθηξηθνί παικνί ιακβάλνληαη θαη απνθσδηθνπνηνύληαη από ην ζέξβν κε ηε βνήζεηα ηνπ θπθιώκαηνο ειέγρνπ πνπ πεξηιακβάλεηαη ζε απηό. ηε ζπλέρεηα κεηά ηελ απνθσδηθνπνίεζε ηνπ ειεθηξηθνύ ζήκαηνο ησλ παικώλ, ην θύθισκα ειέγρνπ ηνπ ζέξβν νδεγεί ηνλ θηλεηήξα ζηελ θαηάιιειε ζέζε. 2.3 Κύθισκα εηζόδνπ/ εμόδνπ Όζνλ αθνξά ζην ηκήκα εηζόδνπ, επεηδή ε ηάζε πνπ παξάγεη ην θσηνβνιηατθό είλαη πνιύ κηθξή (ηεο ηάμεο ηνπ 1,5V), δειαδή αλήθεη κέζα ζηα επηηξεπηά όξηα πνπ κπνξεί λα δερηεί ν A/D κεηαηξνπέαο, δελ ρξεηάδεηαη λα ζπλδέζνπκε θύθισκα αληηζηάζεσλ (δηαηξέηε ηάζεο). Έηζη ην θαιώδην ηνπ θσηνβνιηατθνύ ζπλδέεηαη απεπζείαο κε ην breadboard θαη ηελ είζνδν ηνπ A/D κεηαηξνπέα. Σν θύθισκα εηζόδνπ θαη εμόδνπ κπνξεί λα παξαζηαζεί από ην παξαθάησ ζρήκα: 44

45 ρήκα 2.2 Κύθισκα εηζόδνπ/εμόδνπ ηεο θαηαζθεπήο Σν θύθισκα νδήγεζεο ηνπ θηλεηήξα ζπλερνύο ξεύκαηνο απνηειεί ην ηκήκα εμόδνπ ην νπνίν δερόκελν ζήκαηα από ηνλ κηθξνειεγθηή νδεγεί κε αζθαιή ηξόπν ηελ θίλεζε ηνπ θηλεηήξα. Όπσο παξαηεξνύκε γηα ηελ νδήγεζε ηνπ θηλεηήξα ρξεζηκνπνηήζεθε κηα H-γέθπξα (H-bridge). Ζ Ζ-γέθπξα είλαη έλα ειεθηξνληθό θύθισκα ην νπνίν επηηξέπεη ζε κία ηάζε λα εθαξκόδεηαη ζηα άθξα ελόο θνξηίνπ κε νπνηαδήπνηε θαηεύζπλζε. Απνηειείηαη από ηέζζεξεηο δηαθόπηεο (ζηεξεάο θαηάζηαζεο ή κεραληθνύο) θαη ην θπθισκαηηθό ηεο δηάγξακκα θαίλεηαη παξαθάησ: 45

46 ρήκα 2.3 Κπθισκαηηθό δηάγξακκα H-bridge Όηαλ νη δηαθόπηεο S1 θαη S4 είλαη θιεηζηνί (ελώ νη S2 θαη S3 αλνηρηνί) κία ζεηηθή ηάζε εθαξκόδεηαη ζηα άθξα ηνπ θηλεηήξα. ηελ αληίζεηε πεξίπησζε όπνπ νη S2 θαη S3 είλαη αλνηρηνί απηή ε ηάζε αληηζηξέθεηαη επηηξέπνληαο ηελ αληηζηξνθήο ηεο θνξάο ηνπ θηλεηήξα. Οη δηαθόπηεο S1 θαη S2 δελ πξέπεη λα θιείζνπλ ηαπηόρξνλα γηαηί απηό κπνξεί λα πξνθαιέζεη βξαρπθύθισκα ζηελ πεγή ηάζεο εηζόδνπ. Σν ίδην ηζρύεη θαηά αληηζηνηρία θαη κε ηνπο δηαθόπηεο S3 θαη S4. Γηα ηελ εθαξκνγή καο, ηέζζεξα δηπνιηθά ηξαλδίζηνξ (δύν npn bc337~25 θαη δύν pnp bc 328~16) ρξεζηκνπνηήζεθαλ σο δηαθόπηεο ειεγρόκελνη από ξεύκα. Αλαιπηηθά, όηαλ ε έμνδνο ηεο ζύξαο P6.0 ηνπ κηθξνειεγθηή είλαη ελεξγνπνηεκέλε θαη αληίζηνηρα ε P6.1 απελεξγνπνηεκέλε, ην ηξαλδίζηνξ Q1 ην νπνίν είλαη ηύπνπ npn άγεη θαζώο ε ηάζε ζηε βάζε ηνπ είλαη κεγαιύηεξε από V BEON. Έηζη ην ξεύκα πνπ δηαξξέεη ηε βάζε ηνπ ην θέξλεη ζηελ πεξηνρή θνξεζκνύ (saturation region). Γηα ηνλ αληίζηξνθν ιόγν άγεη ζε απηή ηελ πεξίπησζε θαη ην ηξαλδίζηνξ Q4 ην νπνίν είλαη ηύπνπ pnp. Σα ηξαλδίζηνξ Q2 θαη Q3 βξίζθνληαη ζηελ πεξηνρή απνθνπήο (cut-off region) θαη ιεηηνπξγνύλ σο αλνηθηνί δηαθόπηεο. Με απηό ηνλ ηξόπν δηα κέζσ ησλ ηξαλδίζηνξ Q1 θαη Q4 ν θηλεηήξαο ηξνθνδνηείηαη κε αξθεηό ξεύκα ώζηε κπνξεί λα πεξηζηξαθεί πξνο ηε κία θαηεύζπλζε. Αληίζεηα όηαλ άγνπλ ηα ηξαλδίζηνξ Q2 θαη Q3 (δειαδή ε ζύξα εμόδνπ P6.1 ηνπ κηθξνειεγθηή είλαη ελεξγνπνηεκέλε θαη ε ζύξα εμόδνπ P6.1 απελεξγνπνηεκέλε) ε πνιηθόηεηα αληηζηξέθεηαη θαη ην ξεύκα κέζα από ην ηύιηγκα ηνπ θηλεηήξα αιιάδεη θνξά ξνήο. Όηαλ θαη νη δύν ζύξεο ηνπ κηθξνειεγθηή (P6.0 θαη P6.1) είλαη ζην ινγηθό 0 ν θηλεηήξαο βξίζθεηαη εθηόο ιεηηνπξγίαο. Αληί γηα ηα δηπνιηθά ηξαλδίζηνξ ηα νπνία έρνπλ ρακειό θόζηνο, είλαη αλζεθηηθά αιιά παξνπζηάδνπλ αξθεηέο απώιεηεο, ζα κπνξνύζαλ λα ρξεζηκνπνηεζνύλ JFET ή αθόκα θαη κεραληθνί δηαθόπηεο (ξειέ). ηελ πεξίπησζε πνπ ζα ρξεζηκνπνηνύζακε κεγαιύηεξν θηλεηήξα, αλάζηξνθα πνισκέλεο δίνδνη ζα έπξεπε λα ηνπνζεηεζνύλ κεηαμύ ησλ ζπιιεθηώλ ησλ npn ηξαλδίζηνξ θαη ηεο γξακκήο ηεο ζεηηθήο ηάζεο ηξνθνδνζίαο, θαη κεηαμύ ησλ ζπιιεθηώλ θαη ησλ εθπνκπώλ γηα ηα pnp ηξαλδίζηνξ. Με απηό ηνλ ηξόπν πξνζηαηεύεηαη ην θύθισκα από αηρκέο ηάζεο. Όηαλ ην ηξαλδίζηνξ κεηαβαίλεη από αγσγηκόηεηα ζε απνθνπή, ζην πελίν ηνπ θηλεηήξα εκθαλίδεηαη ξνή ξεύκαηνο ε νπνία δεκηνπξγεί πςειή ηάζε, ε ηάζε απηή εμαιείθεηαη κέζσ ηεο πξνζηαηεπηηθήο δηόδνπ. 46

47 Οη δίνδνη πξέπεη λα είλαη έηζη ηνπνζεηεκέλεο ώζηε λα κελ κπνξεί λα δηαξξεύζεη ξεύκα από ηελ ηξνθνδνζία ζηνλ θηλεηήξα βξαρπθπθιώλνληαο ηνλ κηθξνειεγθηή Έιεγρνο νξζάο ιεηηνπξγέαο Οη θσηνδίνδνη ή δίνδνη εθπνκπήο θσηόο (LED) ρξεζηκνπνηήζεθαλ νύησο ώζηε λα έρνπκε θαιύηεξν έιεγρν ηεο θίλεζεο ηνπ θηλεηήξα θαη λα ειέγρνπκε ζε πνην ζεκείν ηνπ πξνγξάκκαηνο βξηζθόκαζηε. Φάλεθαλ ηδηαίηεξα ζεκαληηθνί θαηά ηελ δηάξθεηα δεκηνπξγίαο ηνπ αιγνξίζκνπ γηα ηελ επηβεβαίσζε ηεο νξζήο ιεηηνπξγίαο ηνπ (θαηά ην debugging). πγθεθξηκέλα ρξεζηκνπνηήζεθαλ έλα θόθθηλν LED θαη έλα θίηξηλν πνπ ιεηηνπξγνύζαλ θαηά ηε δηάξθεηα θίλεζεο ηνπ θηλεηήξα ην θαζέλα αλάινγα κε ηελ θαηεύζπλζή ηνπ, θαη ζπλδέζεθαλ ζηηο ζύξεο εμόδνπ ηνπ κηθξνειεγθηή P6.0 θαη P6.1 αληίζηνηρα. Μέζσ δύν αληηζηάζεσλ 330Χ ζπλδέζεθαλ θαη κε ηνλ αθξνδέθηε AVcc (pin 64). Με απηό ηνλ ηξόπν όηαλ ν κηθξνειεγθηήο έρεη ζηελ έμνδν ρακειό ζήκα ην LED θσηίδεηαη. Σν αληίζεην ζπκβαίλεη όηαλ έρεη πςειό ζήκα. Σν ξεύκα πνπ πεξλάεη κέζα από απηά, αλ ππνηεζεί όηη ε πηώζε ηάζεο πάλσ ζηε δίνδν ζε πεξίπησζε πνπ απηή θσηνβνιεί είλαη πεξίπνπ 2V γηα ην θόθθηλν θαη 2V γηα ην θίηξηλν είλαη (3.3V-2V)/330Χ=4mA. 2.4 Development boards and tools Ο κηθξνειεγθηήο πνπ ρξεζηκνπνηήζακε είλαη ν msp430f169 ηεο εηαηξείαο texas instruments θαη ηνλ πξνκεζεπηήθακε από ηελ εηαηξεία olimex. Γηα λα ζπλδέζνπκε ηνλ κηθξνειεγθηή καο κε ηνλ ειεθηξνληθό ππνινγηζηή πξνθεηκέλνπ λα ηνλ πξνγξακκαηίζνπκε ρξεζηκνπνηήζακε ην msp430-jtag-tiny επίζεο ηεο εηαηξείαο olimex, πνπ έρεη ζύξα USB. ρήκα 2.4 msp430-jtag-tiny Σα ραξαθηεξηζηηθά ηνπ κηθξνειεγθηή msp430f169 παξνπζηάδνληαη αλαιπηηθά ζην επόκελν θεθάιαην, θαη ηνπ J-TAG ζην παξάξηεκα πνπ αθνινπζεί. 2.5 Οη ζπλδϋζεηο ηεο θαηαζθεπάο 47

48 Αξρηθά θηηάρηεθε ε βάζε ζηήξημεο ηνπ θσηνβνιηατθνύ ζπιιέθηε, ζηε ζπλέρεηα πξαγκαηνπνηήζεθαλ νη δηάθνξεο ζπλδέζεηο ζην breadboard, ζπλδέζεθε ν κηθξνειεγθηήο θαη θνξηώζεθε ην πξόγξακκα. Αθνινπζεί θαη ε θσηνγξαθία: ρήκα 2.5 Καηαζθεπή δηάηαμεο 48

49 ΚΔΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΜΗΚΡΟΔΛΔΓΚΣΖ MSP430 49

50 3.1 ΜηθξνειεγθηΫο Έλαο κηθξνειεγθηήο είλαη νπζηαζηηθά έλαο ππνινγηζηήο ζε πην ζπκπαγή κνξθή ν νπνίνο κπνξεί λα ιεηηνπξγήζεη κε ειάρηζηα εμσηεξηθά εμαξηήκαηα ιόγσ ησλ πνιιώλ ελζσκαησκέλσλ πνπ δηαζέηεη. Απνηειείηαη από ηε Κεληξηθή Μνλάδα Δπεμεξγαζίαο (CPU) ζηελ νπνία εθηεινύληαη ηα πξνγξάκκαηα, ηε κλήκε όπνπ απνζεθεύνληαη νη εληνιέο θαη ηα δεδνκέλα, θαζώο θαη ηηο κνλάδεο εηζόδνπ/εμόδνπ (I/O ports) κε ηηο νπνίεο κπνξεί λα επηθνηλσλήζεη δηαδξαζηηθά θαη ακθίδξνκα κε ηνπο ρξήζηεο. Οη κηθξνειεγθηέο ζρεδηάδνληαη θαηά θύξην ιόγν γηα κηθξέο ή εμεηδηθεπκέλεο εθαξκνγέο θαη γη απηό δίλεηαη έκθαζε ζηελ απιόηεηα. Ζ κλήκε ηνπο είλαη πεξηνξηζκέλε (ηεο ηάμεο ησλ KBytes), ην ίδην θαη ε επειημία, δελ δηαζέηνπλ ζθιεξό δίζθν ελώ θαη ε ηαρύηεηα επεμεξγαζίαο δεδνκέλσλ είλαη πνιύ κηθξή. Παξόια ηα κεηνλεθηήκαηά ηνπο, ε δηείζδπζή ηνπο ζηελ αγνξά είλαη εληππσζηαθή θαη νθείιεηαη θαηά θύξην ιόγν ζην πνιύ ρακειό θόζηνο ηνπο θαη ζηνλ κηθξό αξηζκό νινθιεξσκέλσλ θπθισκάησλ πνπ απαηηείηαη γηα ηε ιεηηνπξγία κηαο ζπζθεπήο. πγθεθξηκέλα, ε ελζσκάησζε πεξηθεξεηαθώλ ππνζπζηεκάησλ νδεγεί ζε απηνλνκία, επθνιόηεξε πινπνίεζε εθαξκνγώλ ιόγσ ησλ απινύζηεξσλ δηαζπλδέζεσλ θαη ρακειόηεξε θαηαλάισζε ηζρύνο, ελώ απμάλεη ηε θνξεηόηεηα. Δπηπιένλ ε δπλαηόηεηά ηνπο λα ιεηηνπξγνύλ ζε έλα επξύ πεδίν πεξηβαιινληνινγηθώλ ζπλζεθώλ θαη ε απόθξηζή ηνπο ζε πξαγκαηηθό ρξόλν ηνπο θαζηζηά ηδαληθνύο γηα κηα πιεζώξα εθαξκνγώλ. Έλαο κηθξνειεγθηήο ελζσκαηώλεη ζπλήζσο ηα παξαθάησ ραξαθηεξηζηηθά: Κεληξηθή Μνλάδα Δπεμεξγαζίαο (CPU) Δηζόδνπο- Δμόδνπο, ζεηξηαθέο ζύξεο Άιιεο ζεηξηαθέο επηθνηλσλίεο (I 2 C, SPI, CAN) Υξνληζηέο/κεηξεηέο θαη watchdog Μλήκε RAM γηα ηελ απνζήθεπζε δεδνκέλσλ Μλήκε γηα ηελ απνζήθεπζε ηνπ πξνγξάκκαηνο (ROM, EPROM, EEPROM, FLASH MEMORY) Γελλήηξηα ξνινγηνύ A/D D/A converter Άιια εμεηδηθεπκέλα πεξηθεξεηαθά όπσο γελλήηξηα PWM ηε παξνύζα εξγαζία ρξεζηκνπνηείηαη ν κηθξνειεγθηήο msp430f169 ηεο texas instruments ηνπ νπνίνπ θαη ζα εμεηάζνπκε ηα ραξαθηεξηζηηθά. ε γεληθέο γξακκέο, ν κηθξνειεγθηήο δέρεηαη ηελ ηάζε από ην θσηνβνιηατθό πιαίζην ζηε ζύξα εηζόδνπ ηνπ αλαινγηθνύ πξνο ςεθηαθνύ κεηαηξνπέα, ν νπνίνο αθνύ ηελ ςεθηνπνηήζεη, κέζσ κηαο ζύξαο εμόδνπ δίλεη εληνιή ζηνλ θηλεηήξα λα ζηξαθεί πξνο ηελ απαηηνύκελε θαηεύζπλζε. 50

51 Ζ επηινγή ηνπ ζπγθεθξηκέλνπ κηθξνειεγθηή έγηλε κε βάζε ηελ ηθαλνπνίεζε θάπνησλ πξνδηαγξαθώλ. Απηέο πεξηιακβάλνπλ έλαλ γξήγνξν κεηαηξνπέα αλαινγηθνύ ζε ςεθηαθό (A/D converter) κε εκθάληζε δηαθνπήο κε ηελ νινθιήξσζε ηεο εθάζηνηε δεηγκαηνιεςίαο. Άιια επηζπκεηά ραξαθηεξηζηηθά είλαη ε δηάζεζε εζσηεξηθήο ηάζεο αλαθνξάο, ιεηηνπξγίεο ρακειήο θαηαλάισζεο θαη ηθαλνπνηεηηθή κλήκε πξνγξάκκαηνο. 3.2 Αξρηηεθηνληθά msp430f169 Ο κηθξνειεγθηήο msp430f169 ελζσκαηώλεη κηα 16-bit CPU αξρηηεθηνληθήο RISC (reduced instruction set computers), πεξηθεξεηαθά θαη έλα επέιηθην ζύζηεκα ξνινγηνύ ηα νπνία δηαζπλδένληαη ρξεζηκνπνηώληαο έλα θνηλό (von-neumann) δίαπιν δηεπζύλζεσλ κλήκεο (MAB) θαη δεδνκέλσλ κλήκεο (MDB). Ο ζπλδπαζκόο κηαο ζύγρξνλεο CPU κε αλαινγηθά θαη ςεθηαθά πεξηθεξεηαθά πνπ ρξεζηκνπνηνύλ ηελ ηερληθή απεηθόληζεο ζηε κλήκε, θάλνπλ ηνλ MSP430 λα πξνζθέξεη ιύζεηο γηα απαηηεηηθέο εθαξκνγέο. Σα θύξηα ραξαθηεξηζηηθά ηεο νηθνγέλεηαο MSP430x1xx πεξηιακβάλνπλ: Αξρηηεθηνληθή πνιύ ρακειήο θαηαλάισζεο ηζρύνο πνπ επεθηείλεη ηε δηάξθεηα δσήο ηεο κπαηαξίαο 0.2-κΑ RAM retention 0.8-κΑ ηξόπν ιεηηνπξγίαο ξνινγηνύ ζε πξαγκαηηθό ρξόλν 250-κΑ/ MIPS ελεξγό Τςειή επίδνζε, ηδαληθή γηα αθξηβείο κεηξήζεηο αλαινγηθώλ ζεκάησλ 12-bit ή 10-bit ADC (αλαινγηθό πξνο ςεθηαθό κεηαηξνπέα) 200ksps, αηζζεηήξα ζεξκνθξαζίαο, Vref 12-bit δηπιό DAC (ςεθηαθό πξνο αλαινγηθό κεηαηξνπέα) Διεγθηή ηάζεο ηξνθνδνζίαο πγθξηηέο/ρξνληζηέο 16-bit RISC ΚΜΔ πνπ επηηξέπεη λέεο εθαξκνγέο κε κείσζε ηνπ κεγέζνπο ηνπ θώδηθα. Ο ζπκπαγήο ζρεδηαζκόο ηνπ ππξήλα κεηώλεη ηελ θαηαλάισζε ηζρύνο θαη ην θόζηνο Γηαζέηεη κόλν 27 εληνιέο θαη 7 ηξόπνπο δηεπζπλζηνδόηεζεο Οη κεγάινη θαηαρσξεηέο αξρείσλ ειαρηζηνπνηνύλ ηηο θαζπζηεξήζεηο επεμεξγαζίαο ησλ αξρείσλ Δίλαη θαηάιιεινο γηα ζύγρξνλν πξνγξακκαηηζκό ζε γιώζζεο πςεινύ επηπέδνπ Γηαζέηεη κεγάιε ηθαλόηεηα ρεηξηζκνύ δηαθνπώλ 51

52 ρήκα 3.1 Αξρηηεθηνληθή MSP ΓεληθΪ ραξαθηεξηζηηθϊ msp430f169 Ο κηθξνειεγθηήο MSP430F169 είλαη έλα νινθιεξσκέλν ζηνηρείν ησλ 64 αθξνδεθηώλ (pins) ζε ζπζθεπαζία QFP (Quad Flat Pack), όπσο θαίλεηαη ζηελ εηθόλα πνπ αθνινπζεί (ρήκα 3.2). Γηαζέηεη 6 ζύξεο εηζόδνπ/εμόδνπ (48 pins) νη νπνίεο κπνξνύλ λα νδεγεζνύλ ζε πςειό ή ρακειό δπλακηθό, λα αλαβνζβήλνπλ, λα ζηέιλνπλ ζήκαηα θαη ελ γέλεη ό,ηη κπνξεί λα νδεγεζεί από έλα θαιώδην. πρλά απηνί νη αθξνδέθηεο είλαη δηθαηεπζπληήξηνη θαη κπνξνύλ αθόκε λα ξπζκηζηνύλ σο είζνδνη, επηηξέπνληαο ζην πξόγξακκα λα απαληά ζε έλα εμσηεξηθό δηαθόπηε, αηζζεηήξα ή λα επηθνηλσλεί κε κεξηθέο εμσηεξηθέο ζπζθεπέο. Αθόκα, απνηειείηαη από δύν ρξνληζηέο/κεηξεηέο (Timer_A, Timer_B) ησλ 16 bit κε ηθαλόηεηα PWM θαη έλαλ πξνγξακκαηηδόκελν ρξνληζηή watchdog. Οη ρξνληζηέο έρνπλ ηελ ηθαλόηεηα λα κεηξνύλ κε αθξίβεηα ζήκαηα, λα δεκηνπξγνύλ θαη λα ζπιιακβάλνπλ ζήκαηα επηθνηλσλίαο, λα παξάγνπλ αθξηβείο θπκαηνκνξθέο, ελώ δύλαληαη αθόκε θαη λα επαλεθθηλήζνπλ ηνλ κηθξνειεγθηή αλ απηόο δηαθόςεη ηελ επηθνηλσλία εμαηηίαο κηαο δηαηαξαρήο ξεύκαηνο ή θπθισκαηηθήο δπζιεηηνπξγίαο. Δπηπιένλ, έρεη 6 θαλάιηα κεηαηξνπήο από αλαινγηθή ζε ςεθηαθή κνξθή (ADC) κε αλάιπζε 12-bit θαη 2 θαλάιηα κεηαηξνπήο από ςεθηαθή ζε αλαινγηθή κνξθή (DAC) κε αλάιπζε 12-bit επίζεο. Σα πεξηθεξεηαθά απηά επηηξέπνπλ ζηνλ κηθξνειεγθηή λα ζπλδέεηαη κε αηζζεηήξεο θαη λα δηαβάδεη θπκαηλόκελα επίπεδα ηάζεο. Γηαζέηεη επίζεο ην θύθισκα USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) γηα ζεηξηαθή επηθνηλσλία (UART/I2C/SPI) πνπ ηνπ επηηξέπεη ηε κεηάδνζε δεδνκέλσλ κέζσ θαισδίσλ ζε έλα άιινλ κηθξνειεγθηή, ζε έλα ηνπηθό 52

53 δίθηπν ή ζην internet. Σέινο, ππάξρνπλ θαη 3 θαλάιηα γηα ηνλ ειεγθηή άκεζεο πξνζπέιαζεο κλήκεο (DMA). ρήκα 3.2 Pin diagram- Ζ αληηζηνίρηζε ησλ αθξνδεθηώλ ηνπ κηθξνειεγθηή Σν είδνο θαη ε ιεηηνπξγία πνπ κπνξεί λα επηηειέζεη θαζέλαο από ηνπο 64 αθξνδέθηεο (pins) ηνπ κηθξνειεγθηή παξνπζηάδνληαη ζε πίλαθεο ηνπ παξαξηήκαηνο πνπ αθνινπζεί. Σν εύξνο ηεο ηάζεο ιεηηνπξγίαο ηνπ κηθξνειεγθηή είλαη από 1.8V κέρξη 3.6V ελώ ε ζπρλόηεηα ιεηηνπξγίαο ηνπ ζηα 0-8MHz. Γηαζέηεη πέληε δηαθνξεηηθνύο ηξόπνπο ιεηηνπξγίαο γηα ηελ εμνηθνλόκεζε ελέξγεηαο θαη δπλαηόηεηα πξνγξακκαηηζκνύ πάλσ ζην θύθισκα (serial onboard programming). 3.4 ύζηεκα ξνινγηνύ Σν ζύζηεκα ξνινγηνύ είλαη εηδηθά ζρεδηαζκέλν γηα εθαξκνγέο πνπ ρξεζηκνπνηνύλ κπαηαξίεο γηα ηελ ηξνθνδνζία. Έλα ρακειήο ζπρλόηεηαο βνεζεηηθό ξνιόη (ACLK) νδεγείηαη θαηεπζείαλ από έλα θξύζηαιιν 32-kHz. Έλαο ελζσκαησκέλνο, πςειήο ηαρύηεηαο θαη ειεγρόκελνο ςεθηαθά ηαιαλησηήο (DCO) 53

54 κπνξεί λα είλαη ε πεγή γηα ην θπξίσο ξνιόη (master clock, MCLK) πνπ ρξεζηκνπνηείηαη από ηελ CPU θαη ηα πεξηθεξεηαθά πςειήο ηαρύηεηαο. Από ζρεδηαζκνύ, ην DCO ελεξγνπνηείηαη ζε ιηγόηεξν από 6κs. Σν ρακειήο ζπρλόηεηαο βνεζεηηθό ξνιόη ρξεζηκνπνηείηαη γηα εμνηθνλόκεζε ελέξγεηαο, ελώ ην πςειήο ηαρύηεηαο θύξην ξνιόη γηα ηελ επεμεξγαζία ζεκάησλ πςειήο απόδνζεο. Ζ κέγηζηε ηαρύηεηα ρξνληζκνύ απηνύ ηνπ ηαιαλησηή κπνξεί λα θηάζεη ηα 8 MHz. 3.5 Υώξνο δηεπζύλζεσλ ρήκα 3.3 ύζηεκα ξνινγηνύ Ο MSP430 αξρηηεθηνληθήο Von-Neumann έρεη έλα ρώξν δηεπζύλζεσλ ηνλ νπνίν κνηξάδνληαη νη θαηαρσξεηέο εηδηθνύ ζθνπνύ (SFRs), ηα πεξηθεξεηαθά, ε κλήκε RAM θαη ε κλήκε Flash/ROM όπσο θαίλεηαη θαη ζην παξαθάησ ζρήκα. Ζ πξνζπέιαζε ηνπ θώδηθα γίλεηαη κέζσ δπγώλ δηεπζύλζεσλ. Ο ζπλνιηθόο ρώξνο κλήκεο πνπ κπνξεί λα δηεπζπλζηνδνηεζεί είλαη 64ΚΒ Flash/ROM ρήκα 3.3 Υάξηεο κλήκεο 54

55 Ζ αξρηθή δηεύζπλζε ηεο Flash/ROM δηαθέξεη ζε θάζε ζπζθεπή. Ζ ηειεπηαία ηεο δηεύζπλζε είλαη ε 0FFFFh. Ζ κλήκε Flash κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί εμίζνπ γηα θώδηθα θαη δεδνκέλα. Λέμεηο ή πίλαθεο byte κπνξνύλ λα απνζεθεπηνύλ ζε απηή θαη λα ρξεζηκνπνηεζνύλ ρσξίο ηελ αλάγθε λα αληηγξαθνύλ πξώηα ζηε RAM. Ο πίλαθαο ησλ δηαλπζκάησλ δηαθνπώλ απεηθνλίδεηαη ζηηο αλώηεξεο ζέζεηο ηνπ ρώξνπ δηεπζύλζεσλ κε ην δηάλπζκα δηαθνπήο πςειόηεξεο πξνηεξαηόηεηαο ζηελ πςειόηεξε ζέζε (0EEEEh) RAM Ζ RAM αξρίδεη από ηε δηεύζπλζε 0200h. Ζ ηειεπηαία ηεο δηεύζπλζε δηαθέξεη ζε θάζε ζπζθεπή. Καη ε RAM κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί ηόζν γηα θώδηθα όζν θαη γηα δεδνκέλα ΠεξηθεξεηαθΪ Ο ρώξνο δηεπζύλζεσλ από ηε ζέζε 0100h κέρξη 01FFh πξννξίδεηαη γηα ηηο 16- bit πεξηθεξεηαθέο κνλάδεο, δειαδή γηα ηνπο θαηαρσξεηέο πνπ ειέγρνπλ ηα πεξηθεξεηαθά πνπ είλαη ελζσκαησκέλα ζηνλ κηθξνειεγθηή. Απηέο κπνξνύλ λα πξνζπειαζνύλ κε εληνιέο ιέμεσλ. Άκα ρξεζηκνπνηεζνύλ εληνιέο byte, κόλν νη δπγέο δηεπζύλζεηο επηηξέπνληαη, θαη ην πςειόηεξν byte ηνπ απνηειέζκαηνο είλαη πάληνηε 0. Ο ρώξνο δηεπζύλζεσλ κεηαμύ ησλ ζέζεσλ 010h θαη 0FFh πξννξίδεηαη γηα ηηο 8-bit πεξηθεξεηαθέο κνλάδεο, νη νπνίεο κπνξνύλ λα πξνζπειαζηνύλ κε εληνιέο byte ΚαηαρσξεηΫο εηδηθνύ ζθνπνύ Οη θαηαρσξεηέο εηδηθνύ ζθνπνύ ηνπνζεηνύληαη ζηα ρακειόηεξα 16 bytes ηνπ ρώξνπ δηεπζύλζεσλ θαη είλαη νξγαλσκέλνη αλά byte. Ζ πξνζπέιαζή ηνπο γίλεηαη ρξεζηκνπνηώληαο κόλν εληνιέο byte ΟξγΪλσζε κλάκεο Σα bytes ηνπνζεηνύληαη ζε δπγέο ή κνλέο δηεπζύλζεηο. Οη ιέμεηο ηνπνζεηνύληαη κόλν ζε δπγέο δηεπζύλζεηο, θαη όηαλ ρξεζηκνπνηνύληαη εληνιέο ιέμεσλ κόλν νη δπγέο δηεπζύλζεηο κπνξνύλ λα ρξεζηκνπνηεζνύλ. Σν ρακειόηεξν byte ηεο ιέμεο είλαη πάληα κηα δπγή δηεύζπλζε, ελώ ην πςειόηεξν byte αληηζηνηρεί ζηελ ακέζσο επόκελε κνλή δηεύζπλζε. 3.6 πζηάκαηα επαλεθθέλεζεο Σα ζήκαηα επαλεθθίλεζεο ζην ζπγθεθξηκέλν κηθξνειεγθηή είλαη δύν: ην power-on reset (POR), θαη ην power-up clear (PUC). Γηαθνξεηηθά γεγνλόηα 55

56 πξνθαινύλ απηά ηα ζήκαηα επαλεθθίλεζεο θαη δηαθνξεηηθέο αξρηθέο ζπλζήθεο επηθξαηνύλ αλάινγα κε ην πνην ζήκα παξάγεηαη. πγθεθξηκέλα ην POR είλαη έλα ζήκα επαλεθθίλεζεο πνπ πξνθαιείηαη από ζπζθεπή θαη παξάγεηαη ζε κηα από ηηο αθόινπζεο πεξηπηώζεηο: i) Όηαλ ελεξγνπνηείηαη ε ζπζθεπή ii) Όηαλ εκθαληζηεί έλα ρακειό ζήκα ζηνλ αθξνδέθηε RST / NMI ελώ βξίζθεηαη ζε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο επαλεθθίλεζεο (reset mode). iii) Όηαλ ππάξρεη κηα ζπλζήθε ρακειήο ηζρύνο θαη ην PORON=1 Σν ζήκα PUC παξάγεηαη πάληα όηαλ έρεη παξαρζεί ην ζήκα POR, αιιά ην αληίζεην δελ ζπκβαίλεη. Σν ζήκα PUC πξνθαιείηαη από ηα αθόινπζα γεγνλόηα: i) Από ην ζήκα POR ii) Όηαλ ν ρξόλνο ηνπ watchdog timer εθπλεύζεη θαη βξηζθόκαζηε ζην watchdog mode iii) Από κηα παξαβίαζε ηνπ θσδηθνύ αζθαιείαο ηνπ watchdog timer iv) Από κηα παξαβίαζε ηνπ θσδηθνύ αζθαιείαο ηεο flash memory 3.7 πζηάκαηα δηαθνπώλ ηνλ κηθξνειεγθηή ππάξρνπλ ηξία είδε δηαθνπώλ: i) Σνπ ζπζηήκαηνο επαλεθθίλεζεο ii) Οη κε παξεκπνδηδόκελεο δηαθνπέο ΝΜΗ iii) Οη παξεκπνδηδόκελεο δηαθνπέο Δπεηδή νη πεξηθεξεηαθέο ζπζθεπέο ηνπ κδ είλαη πεξηζζόηεξεο από κία είλαη πνιύ πηζαλό δύν ή πεξηζζόηεξεο ζπζθεπέο λα δεηήζνπλ εμππεξέηεζε ηαπηόρξνλα. Γη απηό ην ιόγν έρεη θαζνξηζηεί πξνηεξαηόηεηα ζύκθσλα κε ηελ νπνία όζν πην θνληά βξίζθεηαη κηα ζπζθεπή ζηελ CPU/NMIRS ηόζν πςειόηεξε πξνηεξαηόηεηα έρεη Με παξεκπνδηδόκελεο δηαθνπϋο (ΝΜΙ) Οη κε παξεκπνδηδόκελεο δηαθνπέο δελ επηδέρνληαη κάζθα από ην bit γεληθήο ελεξγνπνίεζεο δηαθνπώλ (GIE), αιιά ελεξγνπνηνύληαη από μερσξηζηά bits ελεξγνπνίεζεο δηαθνπώλ (NMIIE, ACCVIE, OFIE). Όηαλ κηα NMΗ δηαθνπή γίλεηαη απνδεθηή, ηόηε όια ηα bits ελεξγνπνίεζεο δηαθνπώλ γίλνληαη απηόκαηα reset. Ζ εθηέιεζε ηνπ πξνγξάκκαηνο μεθηλά από ηε δηεύζπλζε κλήκεο όπνπ αληηζηνηρεί ε ζπγθεθξηκέλε δηαθνπή, ηελ 0FFFCh. Ο πξνγξακκαηηζηήο πξέπεη λα ζέζεη ηα απαηηνύκελα bits ελεξγνπνίεζεο δηαθνπώλ έηζη ώζηε λα μαλα-ελεξγνπνηεζνύλ. 56

57 Μία κε παξεκπνδηδόκελε δηαθνπή κπνξεί λα πξνθιεζεί: i) Όηαλ ζπκβεί έλα ζθάικα ζηνλ ηαιαλησηή ii) Όηαλ ππάξρεη παξαβίαζε πξόζβαζεο ζηελ κλήκε flash iii) Από κηα παξπθή ηνπ αθξνδέθηε RST NMI Παξεκπνδηδόκελεο δηαθνπϋο Οη παξεκπνδηδόκελεο δηαθνπέο πξνθαινύληαη από πεξηθεξεηαθά πνπ έρνπλ απηή ηε δπλαηόηεηα ζπκπεξηιακβαλνκέλνπ ηνπ watchdog timer. Κάζε ηέηνηα δηαθνπή κπνξεί λα παξεκπνδηζηεί επηιεθηηθά από έλα ζπγθεθξηκέλν bit, αιιά θαη όιεο καδί κπνξνύλ λα παξεκπνδηζηνύλ από ην GIE bit ηνπ θαηαρσξεηή θαηάζηαζεο. 3.8 Παξνπζέαζε ηεο ΚΜΔ (CPU) Ζ ΚΜΔ πεξηιακβάλεη ραξαθηεξηζηηθά εηδηθά ζρεδηαζκέλα γηα ζύγρξνλεο ηερληθέο πξνγξακκαηηζκνύ όπσο ε επεμεξγαζία πηλάθσλ, ην calculated branching, θαη ε ρξήζε γισζζώλ πςεινύ επηπέδνπ όπσο ε C. Ζ ΚΜΔ κπνξεί λα δηεπζπλζηνδνηήζεη νιόθιεξν ην εύξνο δηεπζύλζεσλ ρσξίο ζειηδνπνίεζε. Σα ραξαθηεξηζηηθά ηεο ΚΜΔ πεξηιακβάλνπλ: Αξρηηεθηνληθή RISC κε 27 εληνιέο θαη 7 ηξόπνπο δηεπζπλζηνδόηεζεο Οξζνγώληα αξρηηεθηνληθή όπνπ θάζε εληνιή κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί κε όινπο ηνπο ηξόπνπο δηεπζπλζηνδόηεζεο Πιήξε πξόζβαζε ζηνπο θαηαρσξεηέο ζπκπεξηιακβαλνκέλσλ ηνπ κεηξεηή πξνγξάκκαηνο, ησλ θαηαρσξεηώλ θαηάζηαζεο θαη ηνπ δείθηε ζηνίβαο. Απεπζείαο κεηαθνξέο από κλήκε ζε κλήκε ρσξίο ηε δηακεζνιάβεζε θαηαρσξεηώλ 16-bit δηάδξνκν δηεπζύλζεσλ πνπ επηηξέπεη ηελ απεπζείαο πξόζβαζε ζε νιόθιεξν ην εύξνο κλήκεο 16-bit δηάδξνκν δεδνκέλσλ πνπ επηηξέπεη ηελ απεπζείαο δηαρείξηζε δεδνκέλσλ Λεηηνπξγίεο θαηαρσξεηώλ ελόο θύθινπ κεραλήο Μεγάιν 16-bit θαηαρσξεηή αξρείσλ ν νπνίνο κεηώλεη ηηο αλαθιήζεηο ζηε κλήκε Γελλήηξηα ζηαζεξώλ πνπ παξέρεη έμη ζπρλά ρξεζηκνπνηνύκελεο άκεζεο ηηκέο κεηώλνληαο ην κέγεζνο ηνπ θώδηθα Γηεπζπλζηνδόηεζε ιέμεσλ θαη bytes 57

58 ρήκα 3.4 Μπινθ δηάγξακκα ΚΜΔ Οη θαηαρσξεηϋο ηεο ΚΜΔ Ζ ΚΜΔ πεξηιακβάλεη δεθαέμη 16-bit θαηαρσξεηέο. Ο R0, ν R1, ν R2 θαη ν R3 έρνπλ εηδηθέο ιεηηνπξγίεο. Ο R4 κέρξη ηνλ R15 πξννξίδνληαη γηα γεληθή ρξήζε. Μεηξεηήο πξνγξάκκαηνο (R0) Ο 16-bit κεηξεηήο πξνγξάκκαηνο (PC/R0) πεξηιακβάλεη ηε δηεύζπλζε ηεο επόκελεο πξνο εθηέιεζε εληνιήο. Ζ δηεύζπλζε απηή είλαη πάληα πνιιαπιάζηα ηνπ δύν θαη απηό γηαηί ε κλήκε είλαη νξγαλσκέλε από ηελ ΚΜΔ ζε ιέμεηο (θαηαρσξεηέο) ησλ δύν bytes. Έηζη όηαλ εθηειείηαη κηα γξακκηθή αθνινπζία εληνιώλ, ν PC απηόκαηα κεηαθηλείηαη ζηελ επόκελε εληνιή. Δείθηεο ζηνίβαο (R1) Ο δείθηεο ζηνίβαο (SP/R1) πεξηέρεη ηελ εθάζηνηε δηεύζπλζε ηνπ ζηνηρείνπ θνξπθήο ηεο ζηνίβαο, όπνπ έρεη απνζεθεπηεί ην πην πξόζθαην δεδνκέλν. Υξεζηκνπνηείηαη από ηελ ΚΜΔ γηα λα απνζεθεύεη ηηο επηζηξεθόκελεο δηεπζύλζεηο κεηά από θιήζεηο ππνξνπηηλώλ θαη δηαθνπώλ. Ο δείθηεο ζηνίβαο αξρηθνπνηείηαη από ην ρξήζηε θαη πεξηέρεη δηεπζύλζεηο δπγνύ αξηζκνύ. 58

59 Καηαρωξεηήο θαηάζηαζεο (R2) Ο θαηαρσξεηήο θαηάζηαζεο (SR/R2), ρξεζηκνπνηείηαη γηα λα δίλεη πιεξνθνξίεο ζρεηηθά κε ηα απνηειέζκαηα ηεο ηειεπηαίαο εληνιήο πνπ εθηειέζηεθε από ηελ ΚΜΔ βνεζώληαο θαη ζηνλ έιεγρν ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ επεμεξγαζηή. Ο θαηαρσξεηήο θαηάζηαζεο κπνξεί λα ζεσξεζεί σο κηα ζπιινγή κεκνλσκέλσλ bit θαζέλα από ηα νπνία έρεη κηα ζπγθεθξηκέλε ζεκαζία. Σα ςεθία ηνπ SR απεηθνλίδνληαη ζην παξαθάησ ζρήκα: ρήκα 3.5 Bits ηνπ θαηαρσξεηή θαηάζηαζεο V (overflow bit): Απηό ην bit γίλεηαη 1 όηαλ ππάξρεη ππεξρείιηζε N (negative bit): Γειώλεη όηη ην απνηέιεζκα πνπ πξνθύπηεη από κηα αξηζκεηηθή πξάμε είλαη αξλεηηθόο αξηζκόο Z (zero bit): Γειώλεη όηη ην απνηέιεζκα κηαο πξάμεο είλαη κεδέλ C (carry bit): Όηαλ από ην απνηέιεζκα κηαο αξηζκεηηθήο ή ινγηθήο πξάμεο πξνθύςεη θξαηνύκελν ηόηε απηό ην bit γίλεηαη 1 SCG1 (system clock generator 1): Όηαλ ην bit γίλεηαη 1, απελεξγνπνηείηαη ην SMCLK (sub-main clock) SCG0 (system clock generator 0): Οηαλ ην bit γίλεηαη 1 απελεξγνπνηείηαη ην DCO, άκα ην DCOCLK δε ρξεζηκνπνηείηαη γηα ην master ή ην sub-main clock OSCOFF (oscillator off): Όηαλ ην bit γίλεηαη 1 απελεξγνπνηείηαη ν LFXT1 θξπζηαιιηθόο ηαιαλησηήο, άκα ην LFXTCLK δελ ρξεζηκνπνηείηαη γηα ην master ή ην sub-main clock. CPUOFF (CPU off): Απελεξγνπνηεί ηελ ΚΜΔ GIE (general interrupt enable): Δλεξγνπνηεί ην κεραληζκό ησλ παξεκπνδηδόκελσλ δηαθνπώλ Καηαρωξεηέο δεκηνπξγίαο/παξαγωγήο ζηαζεξώλ CG1 θαη CG2 Έμη πνιύ ζπρλά ρξεζηκνπνηνύκελεο ζηαζεξέο δεκηνπξγνύληαη από ηνπο θαηαρσξεηέο R2 θαη R3, ρσξίο λα απαηηείηαη επηπιένλ κηα 16-bit ιέμε θσδηθνύ πξνγξάκκαηνο. 59

60 ρήκα 3.6 Καηαρσξεηέο δεκηνπξγίαο ζηαζεξώλ Σα πιενλεθηήκαηα απηώλ ησλ θαηαρσξεηώλ είλαη όηη δελ απαηηνύληαη εηδηθέο εληνιέο, δε ρξεηάδεηαη επηπιένλ θώδηθαο γηα ηηο 6 ζηαζεξέο ελώ πξνθεηκέλνπ λα ρξεζηκνπνηήζνπκε ηηο ζηαζεξέο δελ απαηηείηαη πξνζπέιαζε ηεο κλήκεο κέζσ θώδηθα. Γεληθνύ ζθνπνύ θαηαρωξεηέο (R4-R15) Οη δώδεθα θαηαρσξεηέο, R4-R15, είλαη γεληθνύ ζθνπνύ. Μπνξνύλ λα ρξεζηκνπνηεζνύλ σο θαηαρσξεηέο δεδνκέλσλ ή σο δείθηεο δηεπζύλζεσλ. Ζ πξνζπέιαζή ηνπο γίλεηαη κε εληνιέο ησλ 8 ή 16 bit. Ζ ύπαξμε ελόο ηέηνηνπ κεγάινπ αξηζκνύ θαηαρσξεηώλ επηηξέπεη ηελ ειαρηζηνπνίεζε ηνπ ρξόλνπ πξνζπέιαζεο ηεο κλήκεο θαζώο θαη ηνπ κεγέζνπο ηνπ θώδηθα Τπνζηεξηδόκελνη ηξόπνη δηεπζπλζηνδόηεζεο Οη ηξόπνη κε ηνπο νπνίνπο κπνξεί λα δηεπζπλζηνδνηεζεί νιόθιεξνο ν ρώξνο δηεπζύλζεσλ ρσξίο εμαηξέζεηο είλαη επηά. Άκεζε αλαθνξά κε θαηαρσξεηή (register mode), όπνπ θαη ηα δύν νξίζκαηα ηεο εληνιήο πεξηέρνληαη ζε δύν εζσηεξηθνύο θαηαρσξεηέο ηνπ επεμεξγαζηή. Όηαλ δύν ηέηνηνη θαηαρσξεηέο πξνζδηνξίδνληαη, ζπλήζσο ν έλαο από ηνπο δύν είλαη ε πεγή, ελώ ν άιινο είλαη έλαο θαηαρσξεηήο πξννξηζκνύ Γεηθηνδνηεκέλε αλαθνξά ζηε κλήκε (indexed mode) πκβνιηθόο ηξόπνο αλαθνξάο (symbolic mode) Απόιπηνο ηξόπνο (absolute mode) Έκκεζνο θαηαρσξεηή (indirect register) Έκκεζνο κε απηόκαηε αύμεζε ηνπ θαηαρσξεηή (indirect autoincrement) Άκεζνο ηξόπνο αλαθνξάο ζηε κλήκε (immediate mode), όπνπ ε ηηκή ηνπ νξίζκαηνο είλαη απνζεθεπκέλε ζε θάπνην ηκήκα ηεο εληνιήο εη εληνιώλ Σν ζεη εληνιώλ απνηειείηαη από 27 θύξηεο εληνιέο θαη 24 ςεπδνεληνιέο. Οη ςεπδνεληνιέο ζπληάζζνληαη όπσο θαη νη εληνιέο αιιά έρνπλ ζεκαληηθέο δηαθνξέο από απηέο. Πξώηνλ δελ αλήθνπλ ζην ζύλνιν εληνιώλ ηνπ κδ (κηθξνειεγθηή) θαη 60

61 δεύηεξνλ δε κεηαθξάδνληαη ζε θώδηθα. Ζ ρξεζηκόηεηά ηνπο έγθεηηαη ζην λα δίλνπλ θάπνηεο πιεξνθνξίεο πξνο ηνλ assembler όηαλ απηόο δεκηνπξγεί ηνλ θώδηθα. Τπάξρνπλ ηξηώλ εηδώλ εληνιέο: α) εληνιέο κε δύν ηειεζηέο (12 ζε αξηζκό) β) εληνιέο κε έλαλ ηειεζηή (7 ζε αξηζκό) γ) εληνιέο άικαηνο (8 ζε αξηζκό) Όιεο νη εληνιέο κε κνλό ή δηπιό ηειεζηή κπνξνύλ λα είλαη εληνιέο byte ή εληνιέο ιέμεο ρξεζηκνπνηώληαο ηελ επέθηαζε.β ή.w αληίζηνηρα. Παξαθάησ παξνπζηάδνληαη νη πίλαθεο κε απηέο ηηο εληνιέο: ρήκα 3.7 Δληνιέο κε δύν ηειεζηέο ρήκα 3.8 Δληνιέο κνλνύ ηειεζηή 61

62 ρήκα 3.9 Δληνιέο άικαηνο 3.9 ΦεθηαθΫο ζύξεο εηζόδνπ/εμόδνπ (I/O) Ο ζπγθεθξηκέλνο κηθξνειεγθηήο έρεη 6 ςεθηαθέο ζύξεο εηζόδνπ/εμόδνπ ηηο P1-P6. Κάζε ζύξα έρεη 8 αθξνδέθηεο E/E (pins I/O). Οη ζύξεο P1 θαη P2 ρξεζηκνπνηνύλ επηά θαηαρσξεηέο ειέγρνπ, ελώ νη ζύξεο P3, P4, P5 θαη P6 ρξεζηκνπνηνύλ κόλν ηέζζεξεηο από ηνπο θαηαρσξεηέο ειέγρνπ πξνθεηκέλνπ λα επηηεπρζεί κέγηζηε επειημία ζηελ εθαξκνγή. Σα ραξαθηεξηζηηθά ησλ ςεθηαθώλ ζπξώλ εηζόδνπ/ εμόδνπ είλαη: Όια ηα bits κπνξνύλ λα πξνγξακκαηηζηνύλ κεκνλσκέλα Κάζε ζπλδπαζκόο εηζόδνπ, εμόδνπ θαη θαηάζηαζεο δηαθνπήο είλαη πηζαλόο Ζ πξόζβαζε αλάγλσζεο/γξαθήο δεδνκέλσλ ζε όινπο ηνπο θαηαρσξεηέο ρξεζηκνπνηώληαο όιεο ηηο εληνιέο είλαη δπλαηή Κάζε αθξνδέθηεο ζηηο ζύξεο P1 θαη P2 έρεη ηθαλόηεηα δηαθνπήο ΚαηαρσξεηΫο εηζόδνπ PxIN Κάζε bit ζε θάζε PxIN θαηαρσξεηή αληηπξνζσπεύεη ηελ ηηκή ηνπ ζήκαηνο εηζόδνπ ηνπ αληίζηνηρνπ αθξνδέθηε Δ/Δ όηαλ ν αθξνδέθηεο έρεη θαζνξηζηεί λα εθηειεί ιεηηνπξγία Δ/Δ. Bit=0: ε είζνδνο είλαη ρακειή Bit=1: ε είζνδνο είλαη πςειή ΚαηαρσξεηΫο εμόδνπ PxOUT Κάζε bit ζε θάζε PxOUT θαηαρσξεηή αληηπξνζσπεύεη ηελ ηηκή ηνπ ζήκαηνο εμόδνπ ηνπ αληίζηνηρνπ αθξνδέθηε Δ/Δ όηαλ ν αθξνδέθηεο έρεη θαζνξηζηεί λα εθηειεί ιεηηνπξγία Δ/Δ θαηεύζπλζεο εμόδνπ. Bit=0: ε έμνδνο είλαη ρακειή Bit=1: ε έμνδνο είλαη πςειή ΚαηαρσξεηΫο θαηεύζπλζεο (direction) PxDIR Κάζε bit ζε θάζε PxDIR θαηαρσξεηή θαζνξίδεη ηελ θαηεύζπλζε ηνπ αληίζηνηρνπ αθξνδέθηε Δ/Δ, αλεμαξηήησο ηεο επηιεγκέλεο ιεηηνπξγίαο ηνπ αθξνδέθηε. Bit=0: Ο αθξνδέθηεο ηεο ζύξαο θαζνξίδεηαη λα ιεηηνπξγεί σο είζνδνο 62

63 Bit=1: Ο αθξνδέθηεο ηεο ζύξαο θαζνξίδεηαη αλ ιεηηνπξγεί σο έμνδνο ΚαηαρσξεηΫο επηινγάο ιεηηνπξγέαο PxSEL Οη αθξνδέθηεο (pins) ησλ ζπξώλ είλαη ζπρλά πνιππιεγκέλνη κε άιιεο πεξηθεξεηαθέο κνλάδεο. Κάζε PxSEL bit ρξεζηκνπνηείηαη γηα λα επηιέμεη ηε ιεηηνπξγία ηνπ αθξνδέθηε- είηε σο πόξηαο Δ/Δ είηε γηα ιεηηνπξγίεο πεξηθεξεηαθώλ κνλάδσλ. Bit=0: ιεηηνπξγία Δ/Δ επηιέγεηαη γηα ηνλ αθξνδέθηε Bit=1: ιεηηνπξγία γηα πεξηθεξεηαθή κνλάδα επηιέγεηαη γηα ηνλ αθξνδέθηε Θέηνληαο PxSEL=1 δελ θαζνξίδεηαη απηόκαηα θαη ε θαηεύζπλζε ηνπ αθξνδέθηε αιιά απαηηείηαη θαη ν θαζνξηζκόο ησλ bits PxDIR όπσο είδακε παξαπάλσ Αλαινγηθόο πξνο ςεθηαθόο κεηαηξνπϋαο (A/D converter), ADC12 Ο 12-bit κεηαηξνπέαο ζήκαηνο αλαιακβάλεη ηε κεηαηξνπή ελόο αλαινγηθνύ ζήκαηνο ζε έλα 12-bit ςεθηαθό ζήκα. Σα θύξηα ραξαθηεξηζηηθά ηνπ πεξηιακβάλνπλ: Μέγηζην ξπζκό κεηαηξνπήο κεγαιύηεξν ησλ 200ksps Πξνγξακκαηηδόκελεο πεξηόδνπο δεηγκαηνιεςίαο πνπ ειέγρνληαη είηε από ηνπο ρξνληζηέο είηε από ην πξόγξακκα Καζνξηζκό έλαξμεο κεηαηξνπήο από ην πξόγξακκα, ηνλ Timer_A ή ηνλ Timer_B Δζσηεξηθή ή εμσηεξηθή αλαθνξά επηιεγόκελε από ην πξόγξακκα Δπηιεγόκελε από ην πξόγξακκα ηάζε αλαθνξάο 1.5V ή 2.5V Οθηώ εμσηεξηθά θαλάιηα εηζόδνπ Καλάιηα κεηαηξνπήο γηα ηνλ εζσηεξηθό αηζζεηήξα ζεξκνθξαζίαο, AV cc, θαη εμσηεξηθέο αλαθνξέο 16 θαηαρσξεηέο απνζήθεπζεο ησλ απνηειεζκάησλ κεηαηξνπήο Καηαρσξεηή δηαλύζκαηνο δηαθνπήο γηα ηε γξήγνξε απνθσδηθνπνίεζε ησλ 18 δηαθνπώλ ADC Γπλαηόηεηα κεηαηξνπήο γηα κνλό θαλάιη, Σν κπινθ δηάγξακκα ηνπ κεηαηξνπέα θαίλεηαη παξαθάησ 63

64 ρήκα 3.10 Μπινθ δηάγξακκα αλαινγηθνύ πξνο ςεθηαθό κεηαηξνπέα Όπσο είπακε θαη πξνεγνπκέλσο, ν ADC κεηαηξέπεη έλα αλαινγηθό ζήκα ζηε 12- bit ςεθηαθή αλαπαξάζηαζή ηνπ θαη απνζεθεύεη ην απνηέιεζκα ζην ρώξν κλήκεο πνπ ηνπ δηαηίζεηαη. Πξνθεηκέλνπ λα θαζνξηζηνύλ ην αλώηεξν θαη ην θαηώηεξν όξην ηεο κεηαηξνπήο επηιέγνληαη δύν επίπεδα ηάζεο (V R+ θαη V R- ). Όηαλ ην ζήκα εηζόδνπ είλαη ίζν ή κεγαιύηεξν από ηελ V R+ ε ςεθηαθή έμνδνο (N ADC ) ιακβάλεηαη σο «ινγηθό 1», ελώ όηαλ είλαη ίζν ή κηθξόηεξν από ηελ V R- ιακβάλεηαη σο «ινγηθό 0». Ο ηύπνο Vin VR κεηαηξνπήο γηα ηελ ςεθηαθή έμνδν είλαη: N ADC V V Ο πνιππιέθηεο αλαινγηθήο εηζόδνπ είλαη απηόο πνπ επηιέγεη ηα νθηώ εμσηεξηθά θαη ηα ηέζζεξα εζσηεξηθά αλαινγηθά ζήκαηα σο θαλάιηα γηα κεηαηξνπή. Με ηνλ πνιππιέθηε κεηώλεηαη ν ζόξπβνο πνπ πξνθύπηεη από ην switching ησλ θαλαιηώλ, ελώ έρεη ζρήκα Σ γηα λα ειαηηώλεη ηε κεηαμύ ηνπο ζύδεπμε. Σα θαλάιηα πνπ δελ επηιέγνληαη απνκνλώλνληαη από ηνλ A/D θαη ν ελδηάκεζνο θόκβνο ηνπο ζπλδέεηαη κε ην AV SS. Οη είζνδνη ηνπ ADC12 πνιππιέθνληαη κε ηηο αθίδεο ηεο πόξηαο P6, νη νπνίεο είλαη CMOS πύιεο. Όηαλ αλαινγηθά ζήκαηα εθαξκόδνληαη ζε ςεθηαθέο CMOS πύιεο, ηα παξαζηηηθό ξεύκα ξέεη από ην V CC ζην GND. Απηό ην παξαζηηηθό ξεύκα εκθαλίδεηαη αλ ε ηάζε εηζόδνπ είλαη θνληά ζην επίπεδν κεηάβαζεο ηεο πύιεο. R R 64

65 Απελεξγνπνηώληαο ηηο αθίδεο ηεο πόξηαο ηνπ buffer, ειαηηώλεηαη ην παξαζηηηθό ξεύκα θαη έηζη κεηώλεηαη ε ζπλνιηθή θαηαλάισζε ξεύκαηνο. Σα P6SELx bits παξέρνπλ ηε δπλαηόηεηα απελεξγνπνίεζεο ησλ αθίδσλ ηεο πόξηαο εηζόδνπ θαη εμόδνπ ησλ buffers. Οη θαηαρσξεηέο ηνπ κεηαηξνπέα πνπ ξπζκίδνπλ ηε ιεηηνπξγία ηνπ είλαη νη εμήο: Καηαρσξεηήο ειέγρνπ ADC12CTL0 Καηαρσξεηήο ειέγρνπ ADC12CTL1 Καηαρσξεηήο ελεξγνπνίεζεο δηαθνπώλ ADC12IE Καηαρσξεηήο ζεκαίαο δηαθνπώλ ADC12IFG Καηαρσξεηήο δηαλύζκαηνο δηαθνπώλ ADC12IV 16 θαηαρσξεηέο ADC12MEMx απνζήθεπζεο απνηειεζκάησλ 16 θαηαρσξεηέο ADC12MCTLx ειέγρνπ απνζήθεπζεο απνηειεζκάησλ Οη θαηαρσξεηέο ADC12CTL0, ADC12CTL1 θαη ADC12MCTLx ειέγρνπλ ζε κεγάιν βαζκό ηε ιεηηνπξγία ηνπ κεηαηξνπέα. Ο ADC12MEMx απνζεθεύεη ηα απνηειέζκαηα ηεο κεηαηξνπήο, ελώ νη θαηαρσξεηέο ADC12IE, ADC12IFG θαη ADC12IV ζρεηίδνληαη κε ηελ εμππεξέηεζε ησλ δηαθνπώλ. Κάζε ςεθίν (bit) ησλ θαηαρσξεηώλ απηώλ επηηειεί θαη κηα ζπγθεθξηκέλε ιεηηνπξγία. πγθεθξηκέλα: ADC12CTL0 Control Register 0 ρήκα 3.11 bits θαηαρσξεηή ADC12CTL0 Αξρηθά, ν κεηαηξνπέαο ADC ελεξγνπνηείηαη κε ην bit ADC12ON ( ζέζε 4). ηελ πεξίπησζε πνπ δελ ρξεζηκνπνηείηαη, απελεξγνπνηείηαη απηόκαηα γηα λα εμνηθνλνκεζεί ελέξγεηα. Με ειάρηζηεο εμαηξέζεηο, όια ηα bit ειέγρνπ ηνπ ADC κπνξνύλ λα αιιαρζνύλ όηαλ ην bit ENC=0 (ζέζε 1). Σν bit απηό ελεξγνπνηεί ηε κεηαηξνπή όηαλ ηίζεηαη ίζν κε 1. Όπσο έρεη ήδε αλαθεξζεί, ν ADC12 παξέρεη ηε δπλαηόηεηα επηινγήο δύν επηπέδσλ ηάζεο αλαθνξάο. Θέηνληαο ην bit REFON=1 (ζέζε 5) ελεξγνπνηείηαη ε εζσηεξηθή αλαθνξά θαη κε ην REF2_5=1 (ζέζε 6) σο εζσηεξηθή αλαθνξά ηάζεο επηιέγεηαη ε 2.5V, ελώ κε REF2_5=0 επηιέγεηαη ε 1.5V. Σν MSC bit (multiple sample and convert, ζέζε 7) επηηξέπεη ζηνλ ADC λα θάλεη ζσζηέο κεηαηξνπέο, απηόκαηα θαη γξήγνξα κε ηελ πνιιαπιή δεηγκαηνιεςία θαη κεηαηξνπή. Σα SHT0x θαη SHT1x bits (ζέζεηο θαη αληίζηνηρα) 65

66 ζηνλ ADC12CTL0 ειέγρνπλ ην δηάζηεκα ηνπ ρξνληζηή δεηγκαηνιεςίαο πνπ θαζνξίδεη ηε SAMPCON πεξίνδν δεηγκαηνιεςίαο t sample. ADC12CTL1 Control Register 1 ρήκα 3.12 bits θαηαρσξεηή ADC12CTL1 Μία αλαινγηθή πξνο ςεθηαθή κεηαηξνπή αξρίδεη κε ηελ αλεξρόκελε παξπθή ηνπ ζήκαηνο εηζόδνπ δεηγκαηνιεςίαο SHI. Ζ πεγή ηνπ SHI επηιέγεηαη κε ηα SHSx bits θαη πεξηιακβάλεη ηα αθόινπζα: α) ην bit ADC12SC (ζέζε 0 ζηνλ ADC12CTL0), β) ηε κνλάδα εμόδνπ 1 ηνπ Timer_A γ) ηε κνλάδα εμόδνπ 0 ηνπ Timer_B θαη δ) ηε κνλάδα εμόδνπ 1 ηνπ Timer_B. Ζ πνιηθόηεηα ηνπ SHI ζήκαηνο κπνξεί λα αληηζηξαθεί κε ην bit ISSH (ζέζε 8). Σν SAMPCON ζήκα ειέγρεη ηε ζπρλόηεηα δεηγκαηνιεςίαο θαη ηελ έλαξμε ηεο κεηαηξνπήο. Όηαλ ην SAMPCON είλαη ζην «ινγηθό 1», ε δεηγκαηνιεςία είλαη ελεξγή. Ζ κεηάβαζε ηνπ SAMPCON από ην «πςειό» ζην «ρακειό» μεθηλά ηελ αλαινγηθή πξνο ςεθηαθή κεηαηξνπή, ε νπνία απαηηεί 13 ADC12CLK θύθινπο. Γύν δηαθνξεηηθέο κέζνδνη δεηγκαηνιεςίαο θαζνξίδνληαη από ην bit ειέγρνπ SHP (ζέζε 9),ν extended sample mode θαη ν pulse mode. Ο extended sample mode επηιέγεηαη όηαλ SHP=0. Σν ζήκα SHI ειέγρεη απ επζείαο ην SAMPCON θαη θαζνξίδεη ην κήθνο ηεο πεξηόδνπ δεηγκαηνιεςίαο t sample. Σν ADC12CLK ρξεζηκνπνηείηαη ηόζν σο ξνιόη κεηαηξνπήο όζν θαη γηα λα παξάγεη ηελ πεξίνδν δεηγκαηνιεςίαο. Ζ πεγή γηα ην ADC12 ξνιόη επηιέγεηαη ρξεζηκνπνηώληαο ηα ADC12SSELx bits (ζέζεηο 3-4) θαη ε ζπρλόηεηά ηνπ κπνξεί λα δηαηξεζεί από 1 έσο 8 θνξέο ρξεζηκνπνηώληαο ηα bits ADC12DIVx (ζέζεηο 5-6-7). Πηζαλέο πεγέο γηα ην ξνιόη ADC12CLK είλαη ην SMCLK, MCLK, ACLK θαη έλαο εζσηεξηθόο ηαιαλησηήο ADC12OSC. Ο ρξήζηεο πξέπεη λα επηβεβαηώζεη όηη ην επηιεγκέλν ξνιόη γηα ηνλ ADC12CLK παξακέλεη ελεξγό κέρξη ην ηέινο ηεο κεηαηξνπήο. ε δηαθνξεηηθή πεξίπησζε, ε ιεηηνπξγία δε ζα νινθιεξσζεί θαη θαλέλα απνηέιεζκα δελ ζα είλαη αμηόπηζην. Σα bits CSTARTADDx (ζέζεηο ) θαζνξίδνπλ ηνλ πξώην θαηαρσξεηή ADC12MCTLx πνπ ζα ρξεζηκνπνηεζεί γηα ηε κεηαηξνπή. Δάλ ν ηξόπνο κεηαηξνπήο είλαη κνλνύ θαλαιηνύ ή επαλαιακβαλόκελνπ κνλνύ θαλαιηνύ ην CSTARTADDx δείρλεη ηνλ κνλαδηθό ADC12MCTLx πνπ ζα ρξεζηκνπνηεζεί. Δάλ πάιη ν ηξόπνο κεηαηξνπήο είλαη κηα αθνινπζία θαλαιηώλ ή επαλαιακβαλόκελε αθνινπζία θαλαιηώλ, ην CSTARTADDx δείρλεη ζηνλ πξώην ADC12MCTLx πνπ ζα ρξεζηκνπνηεζεί ζηελ αθνινπζία. Έλα δείθηεο, κε νξαηόο από ην ινγηζκηθό, 66

67 απμάλεηαη απηόκαηα ζηνλ επόκελν ADC12MCTLx, κε κηα ζεηξά θάζε θνξά πνπ νινθιεξώλεηαη κηα κεηαηξνπή. Ζ αθνινπζία ζπλερίδεη κέρξη ην bit EOS ηνπ ADC12MCTLx λα ηεζεί ίζν κε ινγηθό 1. Όηαλ ηα απνηειέζκαηα ηεο κεηαηξνπήο γξάθνληαη ζηνλ επηιεγκέλν ADC12MEMx, ε αληίζηνηρε ζεκαία ηνπ θαηαρσξεηή ADC12IFGx γίλεηαη ίζε κε 1. Σέινο ηα bits CONSEQx θαζνξίδνπλ ηνπο ηέζζεξεηο ηξόπνπο κε ηνπο νπνίνπο ιεηηνπξγεί ην ADC12 θαη είλαη νη εμήο: α) κνλνύ θαλαιηνύ (00), β) αθνινπζίαο θαλαιηώλ (01), γ) επαλαιακβαλόκελνπ κνλνύ θαλαιηνύ (10) θαη δ) επαλαιακβαλόκελεο αθνινπζίαο θαλαιηώλ (11). ADC12MCTLx Conversion Memory Control Registers ρήκα 3.13 bits θαηαρσξεηή ADC12MCTLx Με ηα bits SREFx (ζέζεηο 4-5-6) επηιέγνληαη νη ηάζεηο πνπ ζα ρξεζηκνπνηεζνύλ σο ηάζεηο αλαθνξάο, ελώ κε ηα bits INCHx (ζέζεηο ) γίλεηαη ε επηινγή ηνπ θαλαιηνύ εηζόδνπ. πγθεθξηκέλα όηαλ επηιεγεί ην αλαινγηθό θαλάιη εηζόδνπ INCHx=1010 ηόηε ρξεζηκνπνηείηαη ν ελζσκαησκέλνο αηζζεηήξαο ζεξκνθξαζίαο. ε απηή ηελ πεξίπησζε, ε πεξίνδνο δεηγκαηνιεςίαο πξέπεη λα είλαη κεγαιύηεξε από 30κs. Με ηελ επηινγή ηνπ αηζζεηήξα ζεξκνθξαζίαο απηνκάησο ελεξγνπνηείηαη ε reference generator ζαλ πεγή ηάζεο, ελώ νη επηινγέο αλαθνξάο παξακέλνπλ νη ίδηεο όπσο θαη κε ηα ππόινηπα θαλάιηα. ADC12IE Interrupt Enable Register ρήκα 3.14 bits θαηαρσξεηή ADC12IE Όηαλ ηα ADC12IEx bits θαη ην bit GIE ηνπ θαηαρσξεηή θαηάζηαζεο είλαη ελεξγνπνηεκέλα, ηόηε παξάγεηαη κηα αίηεζε δηαθνπήο. 67

68 ADC12IFG Interrupt Flag Register ρήκα 3.15 bits θαηαρσξεηή ADC12IFG Σα ADC12IFGx bits ηίζεληαη όηαλ ν αληίζηνηρνο ADC12MEMx θαηαρσξεηήο κλήκεο είλαη θνξησκέλνο κε έλα απνηέιεζκα κεηαηξνπήο. ADC12IV Interrupt Vector Register ρήκα 3.16 bits θαηαρσξεηή ADC12IV 3.11 Υξνληζηάο_Α (Timer_A) O msp430f169 έρεη δύν ρξνληζηέο/κεηξεηέο (timers/counters). Καη νη δύν είλαη 16-bit θαη κπνξνύλ λα ρξεζηκνπνηήζνπλ είηε εζσηεξηθό ξνιόη νπόηε ιεηηνπξγνύλ σο ρξνληζηέο ή λα ρξεζηκνπνηήζνπλ θάπνηα εμσηεξηθή πεγή παικώλ ησλ νπνίσλ ην πιήζνο λα κεηξάλε, νπόηε ιεηηνπξγνύλ σο κεηξεηέο. ηε ζπλέρεηα ζα εμεηάζνπκε ηνλ Timer_A. Σα ραξαθηεξηζηηθά ηνπ πεξηιακβάλνπλ: Έλαλ αζύγρξνλν 16-bit ρξνληζηή/κεηξεηή κε ηέζζεξεηο ηξόπνπο ιεηηνπξγίαο Δπηιεγόκελε πεγή ξνινγηνύ Σξεηο θαηαρσξεηέο capture/compare Δμόδνπο κε ηθαλόηεηα PWM (δηακόξθσζεο εύξνπο παικώλ) Καηαρσξεηή δηαλύζκαηνο δηαθνπώλ γηα γξήγνξε απνθσδηθνπνίεζε ησλ δηαθνπώλ ηνπ Timer_A 68

69 Αζύγρξνλν latching εηζόδσλ θαη εμόδσλ Σν κπινθ δηάγξακκα ηνπ timer_a θαίλεηαη παξαθάησ ρήκα 3.17 Μπινθ δηάγξακκα ηνπ Σimer_A Ο timer_a έρεη ελληά βαζηθνύο θαηαρσξεηέο νη νπνίνη ξπζκίδνπλ ηε ιεηηνπξγία ηνπ, θαη παξνπζηάδνληαη ζηνλ πίλαθα πνπ αθνινπζεί. 16-Bit Timer Counter (TAR) ρήκα 3.18 Καηαρσξεηέο Timer_A Ο 16-bit θαηαρσξεηήο TAR, απμάλεηαη ή κεηώλεηαη (αλάινγα κε ηνλ ηξόπν ιεηηνπξγίαο) κε θάζε αλεξρόκελε παξπθή ηνπ ζήκαηνο ξνινγηνύ. Ο TAR κπνξεί λα 69

70 δηαβαζηεί θαη λα γξαθηεί από ην πξόγξακκα. Αθόκα κπνξεί λα παξάγεη κηα δηαθνπή ζε πεξίπησζε ππεξρείιηζεο. TACTL Timer_A Control Register Ο ζπγθεθξηκέλνο είλαη έλαο θαηαρσξεηήο ειέγρνπ. Με ηα bit TASSELx επηιέγεηαη ε πεγή ξνινγηνύ πνπ κπνξεί λα είλαη είηε εζσηεξηθή (ACLK, SMCLK) είηε εμσηεξηθή (TACLK, INCLK). Δπηπιένλ, κε ηα bits IDx θαζνξίδεηαη αλ ε ζπρλόηεηα ξνινγηνύ ζα παξακείλεη σο έρεη ή ζα δηαηξεζεί δηα ηνπ 2, 4 ή 8. Σν bit TACLR θαζαξίδεη ηνλ θαηαρσξεηή TAR θαη θάλεη reset ηνλ δηαηξέηε ηνπ ξνινγηνύ, ελώ κε ηα MCx επηιέγεηαη ν ηξόπνο ιεηηνπξγίαο ηνπ timer_a δειαδή i) αλ ζα ιεηηνπξγεί, ii) αλ ζα κεηξάεη δηαξθώο από ην 0 κέρξη ηελ ηηκή 0FFFh, iii) αλ ζα κεηξάεη δηαξθώο από ην 0 κέρξη ηελ ηηκή ηνπ θαηαρσξεηή TACCR0, ή iv) αλ ζα κεηξάεη δηαξθώο από ην 0 κέρξη ηελ ηηκή ηνπ θαηαρσξεηή TACCR0 θαη πάιη πίζσ. Σέινο, ηα TAIE θαη TAIFG αθνξνύλ ζηελ ελεξγνπνίεζε δηαθνπώλ θαη ζηελ ζεκαία δηαθνπήο αληίζηνηρα. ρήκα 3.19 Σξόπνη ιεηηνπξγίαο ηνπ timer_a TACCTLx, Capture/Compare Control Register 70

71 Σα πεξηζζόηεξα bit απηνύ ηνπ θαηαρσξεηή ειέγρνπ αλαθέξνληαη ζηε ιεηηνπξγία ηνπ σο capture register. Με ηα OUTMODx bits επηιέγεηαη ε κνξθή ησλ παικώλ πνπ ζα παξαρζoύλ ζηελ επηιεγκέλε έμνδν. Σν CCIE ελεξγνπνηεί ηελ ηθαλόηεηα αίηεζεο δηαθνπήο ε νπνία ζπκβαίλεη όηαλ ε ζεκαία CCIFG έρεη ηηκή ίζε κε 1. TACCR0, TACCR1, TACCR2 Ζ ηηκή ηνπ θαηαρσξεηή TACCR0 εθθξάδεη ηελ επηζπκεηή πεξίνδν ησλ παικώλ πνπ ζα παξαρζνύλ (PWM), ελώ νη TACCR1 θαη TACCR2 έρνπλ απνζεθεπκέλε ηελ ηηκή εθείλε πνπ δηακνξθώλεη ην duty cycle ησλ παικώλ. 71

72 72

73 ΚΔΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΣΗΕΟΝΣΑ ΣΟΝ κδ 73

74 4.1 Γηαδηθαζέεο θαη ηξόπνη παξαθνινύζεζεο ηεο πνξεέαο ηνπ άιηνπ Όπσο έρεη αλαθεξζεί θαη ζε πξνεγνύκελα θεθάιαηα επηδίσμε ηεο παξνύζαο εξγαζίαο είλαη ε θαηαζθεπή ελόο ζπζηήκαηνο πνπ παξαθνινπζεί ζπλερώο ηε ζέζε ηνπ ήιηνπ ζηνλ νπξαλό θαη ζηξέθεη αληίζηνηρα έλα θσηνβνιηατθό πάλει θαηά ηέηνην ηξόπν ώζηε λα κεγηζηνπνηείηαη ε έληαζε ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο πνπ πξνζπίπηεη ζε απηό. Σν ζύζηεκα πξέπεη λα έρεη ζεηηθή ελεξγεηαθή απόδνζε (απνζεθεπκέλε ειηαθή ελέξγεηα/ελέξγεηα πνπ θαηαλαιώλεηαη) θαη κάιηζηα κεγαιύηεξε από απηήλ πνπ κπνξνύκε λα έρνπκε από έλα θσηνβνιηατθό πάλει κε ζηαζεξό πξνζαλαηνιηζκό. Πξνθεηκέλνπ λα πξαγκαηνπνηεζεί ε εθαξκνγή, κπνξνύλ λα ρξεζηκνπνηεζνύλ δηάθνξνη ηξόπνη όπσο ν ζεσξεηηθόο πξνζδηνξηζκόο ηεο ζέζεο ηνπ ήιηνπ θάζε ρξνληθή ζηηγκή κε βάζε ηε γεσκεηξία ηνπ. ύκθσλα κε απηόλ, αθνύ αληινύληαη πιεξνθνξίεο ζρεηηθά κε ηνλ ηξέρνληα ρξόλν, ζηε ζπλέρεηα αμηνπνηνύληαη γηα ηελ επίιπζε καζεκαηηθώλ εμηζώζεσλ πνπ δηέπνπλ ηελ θίλεζε ηεο ηξνρηάο ηνπ ήιηνπ αλά ρξνληθά δηαζηήκαηα πνπ νξίδεη ν ρξήζηεο, θαη βξίζθεηαη γηα απηέο ηηο ρξνληθέο ζηηγκέο ε αθξηβήο ζέζε ηνπ ήιηνπ. Με βάζε απηέο ηηο ζπληεηαγκέλεο δίλνληαη ηα αληίζηνηρα ζήκαηα ζην ζύζηεκα νδήγεζεο ελόο βεκαηηθνύ θηλεηήξα. Γηα ηελ απνθπγή απνθιίζεσλ ιόγσ εμσηεξηθώλ παξαγόλησλ όπσο γήξαλζε ησλ ειεθηξηθώλ θαη κεραληθώλ κεξώλ ηνπ θηλεηήξα απαηηνύληαη αηζζεηήξεο ζέζεο. Έλαο δεύηεξνο ηξόπνο είλαη κε βάζε θσηναηζζεηήξεο πνπ κπνξεί λα είλαη είηε θσηναληηζηάζεηο νη νπνίεο αλάινγα κε ηελ έληαζε ηνπ ειηαθνύ θσηόο πνπ βξίζθνληαη νη θσηνεπαίζζεηεο επηθάλεηέο ηνπο παξνπζηάδνπλ ζηα άθξα ηνπο κία ζπγθεθξηκέλε σκηθή αληίζηαζε, είηε δηαηάμεηο από LED ηα νπνία αλαπηύζζνπλ κηα ηάζε ζηα άθξα ηνπο πνπ γίλεηαη κέγηζηε όηαλ είλαη επζπγξακκηζκέλα κε ηε δέζκε θσηόο πνπ πξνζπίπηεη ζε απηά. Δπηπιένλ, αληί γηα ηνλ κηθξνειεγθηή είλαη δπλαηό λα ρξεζηκνπνηεζνύλ ηειεζηηθνί εληζρπηέο σο ζπγθξηηέο ηεο ηάζεο θαη αλάινγα κε ηελ έμνδό ηνπο λα ζέηνπλ ζε ιεηηνπξγία ηνλ θηλεηήξα. ύκθσλα κε ηηο παξαπάλσ κεζόδνπο νη νπνίεο κπνξνύλ λα εθαξκνζηνύλ κεκνλσκέλα ή θαη ζε ζπλδπαζκό, είλαη απαξαίηεηε ε αγνξά ή ε θαηαζθεπή αηζζεηήξσλ, γεγνλόο πνπ απμάλεη ην ζπλνιηθό θόζηνο ηεο εγθαηάζηαζεο. ηελ πινπνίεζε ηνπ ζπγθεθξηκέλνπ ζπζηήκαηνο αλίρλεπζεο ηεο ζέζεο ηνπ ήιηνπ (solar tracking system) ην ίδην ην θσηνβνιηατθό πάλει ζα ρξεζηκνπνηεζεί γηα ηελ παξαθνινύζεζε ηνπ ήιηνπ αθνύ κε δηαδνρηθέο «ζαξώζεηο» ζηνλ νπξαλό ζα εληνπίδεη ην ζεκείν όπνπ ε αθηηλνβνιία πνπ πξνζπίπηεη ζε απηό γίλεηαη κέγηζηε. 4.2 Δύξεζε ηνπ κεγέζηνπ ηεο Ϋληαζεο ηεο ειηαθάο αθηηλνβνιέαο Σν ζύζηεκα πνπ θαηαζθεπάζακε πεξηιακβάλεη θίλεζε γύξσ από έλαλ άμνλα. πγθεθξηκέλα παξαθνινπζεί ηελ αδηκνπζηαθή θίλεζε ηνπ ήιηνπ μεθηλώληαο από ηελ αλαηνιή (Earth) θαη θαηαιήγνληαο ζηε δύζε (West). Γηα ηελ εύξεζε ηνπ ζεκείνπ εθείλνπ πνπ κεγηζηνπνηεί ηελ θσηεηλή έληαζε πνπ πέθηεη πάλσ ζηε θσηνβνιηατθή γελλήηξηα θαη επνκέλσο θαη ηελ ηζρύ πνπ απηή παξάγεη, ρξεζηκνπνηήζεθε έλαο αιγόξηζκνο πνπ εμεηάδεη επαλαιακβαλόκελα ηελ έληαζε γηα ηηο δηάθνξεο γσλίεο 74

75 ζηξέςεο ηνπ θηλεηήξα. Ζ δηαδηθαζία απηή ηεξκαηίδεη όηαλ ν αιγόξηζκνο έρεη ζπγθιίλεη ζε θάπνην ηνπηθό κέγηζην πνπ ζηελ πεξίπησζε καο είλαη θαη ζπλνιηθό κέγηζην, αθνύ έρνπκε ζεσξήζεη όηη ν ρξόλνο όπνπ γίλεηαη ε δεηγκαηνιεςία είλαη ηόζν κηθξόο ώζηε δελ έρνπλ επεξεαζηεί νη επηθξαηνύζεο ζπλζήθεο ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο. 4.3 Αιγόξηζκνο Γηα θάζε κηα ζηηγκή θαηά ηε δηάξθεηα ηεο εκέξαο όπνπ ν ήιηνο θσηίδεη κηα θσηνβνιηατθή επηθάλεηα, ππάξρεη κία αδηκνπζηαθή γσλία ππό ηελ νπνία ε αθηηλνβνιία πέθηεη πάλσ ηεο ζρεδόλ θάζεηα κεγηζηνπνηώληαο έηζη ηελ θσηεηλή ηζρύ πνπ δέρεηαη. Γηα λα βξνύκε ηε ζπγθεθξηκέλε γσλία εθηεινύκε θάπνηα δηαδνρηθά βήκαηα: Αξρίδνπκε λα δεηγκαηνιεπηνύκε ηελ ηζρύ πνπ δέρεηαη ην θσηνβνιηατθό πάλει ζε ηπραία ζέζε θαη απνζεθεύνπκε ζηε κλήκε ηνπ κηθξνειεγθηή καο ηελ ηηκή. ηε ζπλέρεηα θαη ελώ έρνπκε θάλεη ηε ζύκβαζε (ηπραία) όηη ν θηλεηήξαο ηελ πξώηε θνξά ζα θηλήζεη ην πάλει πξνο ηα δπηηθά, ιακβάλνπκε κηα λέα ηηκή ηελ νπνία αθνύ πξώηα απνζεθεύζνπκε, ηε ζπγθξίλνπκε κε ηελ πξνεγνύκελε. ηελ πεξίπησζε πνπ ε λέα ηηκή είλαη κεγαιύηεξε από ηελ παιηά [Value(i+1) Value(i)] ηόηε ζεκαίλεη όηη θηλνύκαζηε πξνο ηελ θαηεύζπλζε απμαλόκελεο ηζρύνο θαη ε δηαδηθαζία επαλαιακβάλεηαη. ηελ αληίζεηε πεξίπησζε [Value(i+1)< Value(i)], ε θαηεύζπλζε θίλεζήο καο είλαη πξνο ηελ ειαηηνύκελε ηζρύ θαη ρξεηάδεηαη λα αληηζηξέςνπκε ηε θνξά πεξηζηξνθήο ηνπ θηλεηήξα. H ζπρλόηεηα δεηγκαηνιεςίαο είλαη πεξίπνπ 1sec. Πξνθεηκέλνπ λα πεηύρνπκε κεγαιύηεξε αθξίβεηα ζηε ζέζε όπνπ ε αθηηλνβνιία γίλεηαη κέγηζηε, αλάινγα κε ηνλ αξηζκό ησλ αληηζηξνθώλ κεηώλνπκε αληίζηνηρα θαη ηε ρξνληθή δηάξθεηα θίλεζεο ηνπ θηλεηήξα θαη επνκέλσο γηα θάζε δεδνκέλν δηάζηεκα έρνπκε πεξηζζόηεξεο δεηγκαηνιεςίεο. Απηό επαλαιακβάλεηαη ην πνιύ γηα 3 θνξέο θαζώο γηα ην ζπγθεθξηκέλν πάλει απνδείρηεθε ηθαλνπνηεηηθό. Σν δηάγξακκα ξνήο πνπ ζπλνςίδεη ηε ινγηθή ηνπ πξνγξάκκαηόο καο αθνινπζεί: 75

76 4.4 Σν πξόγξακκα IAR Embedded Workbench Kickstart for msp430 εκαληηθό εξγαιείν γηα ηελ αλάπηπμε εθαξκνγώλ ζηνλ κηθξνειεγθηή msp430f169 απνηειεί ην ινγηζκηθό αλαπηπμηαθώλ εξγαιείσλ IAR Embedded Workbench Kickstart. Σν ινγηζκηθό απηό «ηξέρεη» ζε πεξηβάιινλ Windows, είλαη εύθνιν ζηε ρξήζε θαη πεξηιακβάλεη βηβιηνζήθεο κε έηνηκεο ξνπηίλεο γηα γξήγνξε αλάπηπμε εθαξκνγώλ θαη ηαρύηαηε εύξεζε ζθαικάησλ (debugging). Αθόκα είλαη έλα πξόγξακκα πνπ ζπληάζζεη όια ηα εξγαιεία από κηα απιή γξαθηθή δηεπαθή ρξήζηε ζπλήζσο απηόκαηα. Όηαλ γξάθεηαη ν θώδηθαο ειέγρεηαη γηα ηπρόλ ζθάικαηα, θαη ζηε ζπλέρεηα κπνξεί λα «θνξησζεί» ζηνλ κηθξνειεγθηή θαη λα «ηξέμεη» ε εθαξκνγή. Δλζσκαηώλεη ηνλ IAR C/C++ compiler (κεηαγισηηηζηή) ή assembler γηα ηε κεηαηξνπή ηνπ πεγαίνπ θώδηθα ζε γιώζζα κεραλήο θαη ηελ παξαγσγή ηνπ αξρείνπ πνπ πεξηέρεη ηνλ αληηθεηκεληθό θώδηθα (object code). Δπηπιένλ ππάξρεη ν linker (ην πξόγξακκα ζύλδεζεο) πνπ πξνζζέηεη ζηνλ αληηθεηκεληθό θώδηθα ηνλ θώδηθα ησλ 76

77 ζπλαξηήζεσλ βηβιηνζήθεο πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ κε απνηέιεζκα λα δεκηνπξγείηαη έλα απηόλνκν εθηειέζηκν αξρείν (.exe). O text editor ρξεζηκεύεη γηα ηε ζπγγξαθή ηνπ πξνγξάκκαηνο, ελώ ν project manager παξέρεη ηελ νινθιήξσζε θαη επηθνηλσλία αλάκεζα ζην IAR Embedded Workbench kickstart θαη ζηα εξγαιεία ηεο γιώζζαο πξνγξακκαηηζκνύ. Πξνθεηκέλνπ λα αλαπηπρζεί κηα εθαξκνγή ζε έλα κηθξνεπεμεξγαζηή αθνινπζείηαη ε παξαθάησ δηαδηθαζία. Γξάθεηαη ν θώδηθαο, ειέγρεηαη θαη κεηά ηξνπνπνηείηαη ώζηε λα δεκηνπξγεζεί κηα εθαξκνγή πνπ λα ιεηηνπξγεί ζσζηά. Ζ δηαδηθαζία απηή παξνπζηάδεηαη ζην παξαθάησ δηάγξακκα. ρήκα 4.1 Γηαδηθαζία αλάπηπμεο εθαξκνγήο ζε κε Γηα ηε ζπγθεθξηκέλε εθαξκνγή αθνινπζήζακε ηα εμήο βήκαηα ζην πεξηβάιινλ ηνπ IAR Kickstart. Γεκηνπξγήζακε έλα λέν παξάζπξν εξγαζίαο (workspace window) επηιέγνληαο από ην κελνύ File->New->Workspace θαη θαηόπηλ παηώληαο Project->Create New Project δεκηνπξγήζακε έλα project πνπ πεξηέρεη όια ηα ζρεηηθά κε ηελ εθαξκνγή καο αξρεία. Δλαιιαθηηθά κπνξνύκε λα επηιέμνπκε ην «create new project in current workspace» ζην παξάζπξν πνπ εκθαλίδεηαη. 77

78 ρήκα 4.2 Παξάζπξν πνπ εκθαλίδεηαη θαηά ηελ έλαξμε ηνπ prg ηε ζπλέρεηα ζηνλ text editor γξάςακε ηνλ θώδηθα πνπ ρξεζηκνπνηήζακε. Τπήξρε ε δπλαηόηεηα λα γξαθηεί ηόζν ζε γιώζζα C όζν θαη ζε assembly αιιά επηιέρζεθε ε C θαζόηη ππήξρε κεγαιύηεξε εμνηθείσζε κε απηή. Αθνύ απνζεθεύηεθε ην αξρείν θαη ν ρώξνο εξγαζίαο πξνρσξήζακε ζηηο απαξαίηεηεο ξπζκίζεηο από ην κελνύ Project>Options έηζη ώζηε λα επηιερζεί ν ηύπνο ηνπ αεξνειεγθηή ηεο εθαξκνγήο καο (map430f169) από κία ιίζηα. ρήκα 4.3 Project Options Setup: General Options Ζ κεηαγιώηηηζε ηνπ αξρείνπ γίλεηαη κε ηελ εληνιή Project>Compile θαη ζηελ πεξίπησζε πνπ έρνπλ γίλεη ιάζε ζηνλ θώδηθα εκθαλίδεηαη ζην παξάζπξν messages ν αξηζκόο ηνπο θαη ε αθξηβήο ηνπο ζέζε. Γηα λα «πεξάζνπκε» ην 78

79 πξόγξακκα ζηνλ κηθξνειεγθηή ρξεζηκνπνηνύκε όπσο έρνπκε δεη θαη παξαπάλσ ην νινθιεξσκέλν αλαπηπμηαθό εξγαιείν msp430-jtag-tiny. πλδεόπκε ην κδ κε απηό θαη ζηε ζπλέρεηα ε ζεηξηαθή ζύξα ειέγρνπ ηνπ ζπλδέεηαη κε ηε ζεηξηαθή ζύξα ηνπ ππνινγηζηή. Από ην κελνύ Project>Options επηιέγσ σο driver ζηελ θαηεγνξία Debugger ην FET Debugger, ελώ σο ζύλδεζε (connection) ηελ Olimex USB. ρήκα 4.4 Project Options Setup: Debugger ρήκα 4.5 Project Options Setup: FET Debugger Σέινο, παηώληαο Project>Dowload and Debug γίλεηαη ην debugging θαη εκθαλίδνληαη ζηελ νζόλε καο ηα παξαθάησ παξάζπξα: 79

80 ρήκα 4.6 Γηαδηθαζία debbuging ε απηό ην ζηάδην καο δίλεηαη ε δπλαηόηεηα λα παξαθνινπζήζνπκε αλαιπηηθά θαη θαζ όιε ηε δηάξθεηα ηνπ πξνγξάκκαηνο ηηο κεηαβιεηέο, ηνπο θαηαρσξεηέο, ηε κλήκε θ.α, λα εθηειέζνπκε βεκαηηθά ηνλ θώδηθά καο έηζη ώζηε λα έρνπκε πιήξε θαη απόιπην έιεγρν όζνλ αθνξά ζην πξνγξακκαηηζηηθό κέξνο ηεο εθαξκνγήο καο. 4.5 Ο θώδηθαο Έρνληαο αλαιύζεη ζεσξεηηθά ηνλ αιγόξηζκν γηα ηελ θίλεζε ηνπ θσηνβνιηατθνύ πάλει θαη αθνύ εμεηάζηεθε ε δνκή ηνπ όινπ ζπζηήκαηνο, ηα επηκέξνπο ηκήκαηά ηνπ θαη ην πξνγξακκαηηζηηθό πεξηβάιινλ πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε, ην επόκελν ζηάδην είλαη ε παξνπζίαζε ηνπ θώδηθα πνπ δεκηνπξγήζεθε γηα ηε ζπγθεθξηκέλε εθαξκνγή. Πξνθεηκέλνπ λα απινπζηεπηεί ε δηαδηθαζία αλάγλσζεο θαη εθηέιεζεο ηνπ θώδηθα νξίζηεθαλ εθηόο από ην θπξίσο πξόγξακκα ηξία αθόκα αξρεία θαζέλα από ηα νπνία πεξηιακβάλεη δεδνκέλα ή ζπλαξηήζεηο πνπ ζα ρξεζηκνπνηεζνύλ από ην θπξίσο πξόγξακκα. Απηά είλαη: config.h, periph.h, periph.c. Σν αξρεέν config.h Σν αξρείν config.h είλαη αξρείν επηθεθαιίδαο θαη ρξεζηκνπνηείηαη από ην θπξίσο πξόγξακκα (main.c) θαη ηηο δηάθνξεο ζπλαξηήζεηο. Όπσο παξαηεξνύκε ζε απηό, ρξεζηκνπνηώληαο ηε ιέμε θιεηδί typedef νξίζακε ηα δηθά καο νλόκαηα γηα ηνπο βαζηθνύο ηύπνπο δεδνκέλσλ. Σν λέν όλνκα δελ θαηαξγεί ην παιηό αιιά ρξεζηκνπνηείηαη επηπξόζζεηα. Έηζη επηηπγράλεηαη απινπνίεζε ηεο δηαδηθαζίαο ηεο ζπγγξαθήο ηνπ. πγθεθξηκέλα νξίζηεθαλ νη ηύπνη δεδνκέλσλ ραξαθηήξα θαη αθεξαίνπ κε πξόζεκν θαη ρσξίο θαζώο θαη ν long πνπ εμαζθαιίδεη αθέξαην κε εύξνο 80

81 ηηκώλ πνπ αληηζηνηρεί ζε 32 bits απνζεθεπηηθό ρώξν. Δπηπιένλ νξίδνληαη θαη θάπνηεο ζπρλά ρξεζηκνπνηνύκελεο ζηαζεξέο, Ο θώδηθαο είλαη ν εμήο: #ifndef CONFIG_H #define CONFIG_H #include "msp430x16x.h" // Explicit types for the MSP430 typedef unsigned char uint8; typedef unsigned int uint16; typedef unsigned long uint32; typedef char int8; typedef int int16; typedef long int32; // Common constants: #define NULL 0 #define TRUE 1 #define FALSE 0 #endif Σν αξρεέν periph.h ην ζπγθεθξηκέλν αξρείν επηθεθαιίδαο δειώλνληαη νη ζπλαξηήζεηο πνπ ζα ρξεζηκνπνηεζνύλ θαη ζρεηίδνληαη κε ηα πεξηθεξεηαθά ηνπ κηθξνειεγθηή όπσο ν ADC. Ο θώδηθαο ηνπ αξρείνπ αθνινπζεί: #ifndef PERIPH_H #define PERIPH_H #include "config.h" /*************************************** ADC FUNCTIONS ***************************************/ /************************************************************** ***************** Func: adcinit Desc: Configures the analog to digital converter. Must call adcstart to begin conversions. The number of ADC channels as well as the sampling rate is specified here. *************************************************************** *****************/ void adcinit( void ); /************************************************************** ***************** Func: adcstart Desc: Starts the analog to digital converter sequence. 81

82 *************************************************************** ****************/ void adcstart( void ); /************************************************************** ***************** Func: adcstop Desc: Will halt the analog to digital converter after the current conversion sequence. *************************************************************** ****************/ void adcstop( void ); /************************************************************** ***************** #end if To αξρεέν periph.c Σν αξρείν απηό πεξηέρεη ηνπο νξηζκνύο ησλ ζπλαξηήζεσλ πνπ θαινύληαη από ηνλ θπξίσο θώδηθα θαη ζρεηίδνληαη κε ηα πεξηθεξεηαθά ηνπ κηθξνειεγθηή. #include "periph.h" /*************************************** ADC FUNCTIONS ***************************************/ void adcinit( void ) { ADC12CTL0=SHT0_2 + REF2_5V +REFON +ADC12ON; //set sampling time, turn on ADC12 ADC12CTL1 = SHP; ADC12MCTL0 = INCH_2; ADC12IE= 0x01; //Enable interrupt /************************************************************** ***************** Func: adcstart Desc: Starts the analog to digital converter sequence. *************************************************************** ****************/ void adcstart( void ) { ADC12CTL0 = ADC12SC + ENC; // Begin sampling } /************************************************************** ***************** Func: adcstop Desc: Will halt the analog to digital converter after the current conversion sequence. *************************************************************** ****************/ void adcstop( void ) { ADC12CTL0 &= ~(ENC + ADC12SC); // Stop sampling 82

83 } πγθεθξηκέλα ζηε ζπλάξηεζε adcinit γίλνληαη νη αξρηθνπνηήζεηο ηνπ ADC. Αλαιπηηθά, κε ηελ εληνιή ADC12CTL0=SHT0_2+REF2_5V+REFON +ADC12ON; θαζνξίδνληαη ηα bits ηνπ θαηαρσξεηή ADC12CTL0. Με ην SHT0_2 επηιέγνληαη 16 θύθινη ADC12CLK θαηά ηελ πεξίνδν δεηγκαηνιεςίαο γηα ηνλ θαηαρσξεηή ADC12MEM0, ελώ κε ην REF_2,5V επηιέγεηαη σο ηάζε αλαθνξάο ηα 2.5V. ηνλ θαηαρσξεηή ADC12CTL1 ηo bit SHP δείρλεη όηη ε πεγή ηνπ ζήκαηνο δεηγκαηνιεςίαο ζα είλαη o sampling timer. Με ηελ εληνιή ADC12MCTL0= INCH_2; θαζνξίδεηαη ην θαλάιη εηζόδνπ από όπνπ ν ADC ζα δέρεηαη ηηο αλαινγηθέο ηηκέο ηηο νπνίεο ζηε ζπλέρεηα ζα ςεθηνπνηεί. Σέινο, κε ηε ADC12IE= 0x01; επηηξέπεηαη ε δπλαηόηεηα αίηεζεο δηαθνπήο. ηε ζπλάξηεζε adcstart δίλεηαη ε εληνιή γηα λα μεθηλήζεη ε δηαδηθαζία δεηγκαηνιεςίαο θαη κεηαηξνπήο, ελώ ζηελ adcstop δίλεηαη ε εληνιή πξνθεηκέλνπ λα ζηακαηήζεη ε παξαπάλσ δηαδηθαζία. Σν αξρεέν main.c Σν αξρείν main.c είλαη ην θπξίσο αξρείν όπνπ βξίζθεηαη ν θώδηθαο πνπ εθηειεί ν κηθξνειεγθηήο, θαη ν νπνίνο ρξεζηκνπνηεί ηηο ζπλαξηήζεηο θαη ηα δεδνκέλα ησλ αξρείσλ πνπ νξίζηεθαλ παξαπάλσ. Αλαιπηηθά: #include config.h #include periph.h #define VOLT_ERROR 15 #define INTIME uint16 value2; uint16 value1=0; unint16 counter=1; uint16 TIME; enum state{ WEST=1, EAST, STILL} state; /******************************************** MAIN *********************************************/ void main(void) { uint16 i; adcinit(); adcstart(); systeminit(); state= WEST; for (;;) { delay(300); 83

84 ADC12CTL0 = ADC12SC; _BIS_SR(CPUOFF + GIE); // Sampling open // LPM0, ADC12_ISR will force exit switch (state) { case WEST: if (value2>=value1+volt_error) { TIME=(INTIME/counter); for(i=0; i<time; i++) { P6OUT =(0x01); // Set P6.0-motor on,go west } P6OUT &=~(0x01); value1=value2; state=west; } else { counter++; if (counter<4) { TIME=(INTIME/counter); for(i=0; i<time; i++) { P6OUT =0x02; } P6OUT&=~(0x02); value1=value2; state=east; } else { state=still; } } break; case EAST: if (value2>=value1+volt_error) { TIME=(INTIME/counter); for(i=0; i<time; i++) { P6OUT =(0x02); // Set P6.1-motor on,east } P6OUT &=~(0x02); value1=value2; state=east; } else { counter++; if (counter<4) 84

85 { TIME=(INTIME/counter); for(i=0; i<time; i++) { P6OUT =0x01; // Set P6.1 motor on,west } P6OUT&=~(0x01); value1=value2; state=west; } else { state=still; } } break; case STILL: { adcstop(); } default: break; } } } /************************************************* END OF MAIN ************************************************/ /***************************************** DELAY *****************************************/ uint16 delay ( uint16 x) { uint16 i,j; for (i = 0; i<= x; i++) { for(j=0;j<=1000; j++) ; } return 0; } /*************************************************** SYSTEM INIT ****************************************************/ void systeminit(void) { WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; // Configure ALL I/O directions and functions: // PxDIR: 0:input, 1:output // PxSEL: 0:GPIO, 1:peripheral // Port6: //Disable the watchdog //timer so we don t have to deal with it 85

86 // P6.2: PV input // P6.0-P6.1: outputs P6SEL = 0x04; P6DIR = 0x03; } // ADC12 interrupt service routine #pragma vector=adc12_vector interrupt void ADC12_ISR (void) { value2=adc12mem0; } _BIC_SR_IRQ(CPUOFF); // Clear CPUOFF bit from 0(SR) Αλάιπζε ηνπ θώδηθα ηελ αξρή ηνπ πξνγξάκκαηνο δίλεηαη ε νδεγία #include ε νπνία αλαγθάδεη ην κεηαγισηηηζηή λα ζπκπεξηιάβεη θαηά ηε δηαδηθαζία ηεο κεηαγιώηηηζεο ηα αξρεία config.h, θαη periph.h πνπ παξνπζηάζηεθαλ παξαπάλσ. ηε ζπλέρεηα κε ηελ νδεγία #define νξίδεηαη ην αλαγλσξηζηηθό VOLT_ERROR όπνπ θαηά ηε δηαδηθαζία ηεο κεηαγιώηηηζεο ζα αληηθαηαζηαζεί από ηνλ ραξαθηήξα 15 πνπ θαζνξίδεη ηελ επαηζζεζία ηεο ζύγθξηζεο ζε απμνκεηώζεηο ηεο ηάζεο. Σν αλαγλσξηζηηθό INTIME αληηθαζίζηαηαη από ηνλ ραξαθηήξα 1200 ν νπνίνο θαζνξίδεη ηελ δηάξθεηα ηεο θίλεζεο ηνπ θηλεηήξα, κε άιια ιόγηα ην βήκα ηνπ ζηα πξώηα ζηάδηα ιεηηνπξγίαο ηνπ αιγνξίζκνπ πξηλ ππνζηεί ππνδηπιαζηαζκό. Αθνινπζνύλ νη δειώζεηο ησλ κεηαβιεηώλ value1, value2, (ζηηο νπνίεο απνζεθεύνληαη νη ηηκέο πνπ πξνθύπηνπλ από ηε δεηγκαηνιεςία πξνθεηκέλνπ λα γίλεη ε κεηαμύ ηνπο ζύγθξηζε) θαη ε αλάζεζε αξρηθώλ ηηκώλ ζε απηέο. Σν ίδην γίλεηαη θαη κε ηε κεηαβιεηή counter ε νπνία κεηξάεη ηνλ αξηζκό ησλ αληηζηξνθώλ πνπ ζα πξαγκαηνπνηεζνύλ κέρξη λα βξεζεί ην ζεκείν κέγηζηεο ηάζεο, θαη κε ηε κεηαβιεηή TIME πνπ εθθξάδεη θάζε θνξά ην ρξόλν θίλεζεο ηνπ θηλεηήξα θαη πνπ δελ έρεη ζηαζεξή ηηκή θαζ όιε ηε δηάξθεηα εθηέιεζεο ηνπ αιγνξίζκνπ. Με ηνλ ηύπν ηνπ απαξηζκεηηθνύ enum νξίδνπκε έλα λέν ηύπν δεδνκέλσλ κε πεδίν ηηκώλ απζηεξά θαζνξηζκέλν θαη επνκέλσο νη κεηαβιεηέο WEST, EAST θαη STILL παίξλνπλ ηηο ηηκέο από ην ζπγθεθξηκέλν πεδίν. Αξρίδεη λα εθηειείηαη ε ζπλάξηεζε main ε νπνία θαιεί ηηο ζπλαξηήζεηο adcinit, adcstart θαη SystemInit. Ζ SystemInit απελεξγνπνηεί ηνλ watchdog timer ελώ αξρηθνπνηεί ηηο ςεθηαθέο ζύξεο εηζόδνπ θαη εμόδνπ. πγθεθξηκέλα ε ζύξα P6.0 πξννξίδεηαη γηα έμνδν πνπ δίλεη ζήκα γηα αξηζηεξή θίλεζε ηνπ θηλεηήξα, ελώ ε P6.1 γηα έμνδν πξνθεηκέλνπ λα θηλεζεί ν θηλεηήξαο πξνο ηα δεμηά. Ζ ζύξα P6.2 απνηειεί ηελ είζνδν γηα ην θσηνβνιηατθό πάλει. Αθνύ δεισζεί ε θαηεύζπλζε πξνο ηελ νπνία ζα θηλεζεί αξρηθά ην πάλει (WEST ηπραία ζύκβαζε), ην πξόγξακκα κπαίλεη ζε θαηάζηαζε loop. Μεηά από κηα θαζπζηέξεζε πεξίπνπ 1sec δίλεηαη εληνιή γηα λα γίλεη ε πξώηε δεηγκαηνιεςία ADC12CTL0 = ADC12SC; _BIS_SR(CPUOFF + GIE); 86

87 Αλάινγα κε ηελ θαηάζηαζε ζηελ νπνία βξίζθεηαη ην πξόγξακκα (WEST, EAST ή STILL) εθηειείηαη θαη ε αληίζηνηρε δηαδηθαζία. Αξρηθά βξίζθεηαη ζηελ θαηάζηαζε WEST. πγθξίλεηαη ε ηειεπηαία ηηκή πνπ πξνέθπςε από ηε δεηγκαηνιεςία κε ηελ πξνεγνύκελε θαη αλ βξεζεί κεγαιύηεξε, ε θίλεζε ζπλερίδεηαη πξνο ηελ ίδηα θαηεύζπλζε κε ην αξρηθό βήκα θίλεζεο. Γηαθνξεηηθά απμάλεηαη ε ηηκή ηνπ κεηξεηή αληηζηξνθώλ, έιεγρεηαη ε ηηκή ηνπ θη αλ είλαη κηθξόηεξε ηνπ αξηζκνύ 4 (δειαδή έρεη θάλεη κέρξη 3 αληηζηξνθέο) δίλεη εληνιή γηα θίλεζε ζηελ αληίζεηε θαηεύζπλζε (κε ππνδηπιαζηαζκέλν βήκα) αιιάδνληαο παξάιιεια θαη ηελ θαηάζηαζε ηνπ πξνγξάκκαηνο ζε EAST. Άκα ν αξηζκόο ησλ αληηζηξνθώλ είλαη κεγαιύηεξνο ηνπ 4 ηόηε ην πξόγξακκα κεηαπίπηεη ζηελ θαηάζηαζε STILL θαη ε δεηγκαηνιεςία ζηακαηά. Κάηη αληίζηνηρν κε ηελ θαηάζηαζε WEST ζπκβαίλεη θαη όηαλ ην πξόγξακκα βξίζθεηαη ζε θαηάζηαζε EAST. Αθνινπζεί ε ζπλάξηεζε delay ε νπνία δελ επηζηξέθεη θακία ηηκή. Γελ εθηειεί θακία ιεηηνπξγία απιά ρξεζηκνπνηείηαη γηα λα πξνζδώζεη ρξνληθή θαζπζηέξεζε ζην ζεκείν ηνπ πξνγξάκκαηνο πνπ ηελ θαινύκε. Σέινο ε ξνπηίλα εμππεξέηεζεο δηαθνπήο ηνπ ADC12 απνζεθεύεη ζηε κεηαβιεηή value2 ηελ ηηκή ηνπ θαηαρσξεηή ADC12MEM Άιια πξνγξακκαηηζηηθϊ πεξηβϊιινληα Τπάξρεη έλαο κεγάινο αξηζκόο πξνγξακκάησλ εθηόο από ην IAR Kickstart πνπ ζα κπνξνύζαλ λα ρξεζηκνπνηεζνύλ. Μεξηθά από απηά θαη ηα πην δηαδεδνκέλα είλαη ηα MSPGCC, CCS θαη CrossWorks. MSPGCC: Ζ GCC toolchain for the MSP430 Microcontrollers ρξεζηκνπνηείηαη γηα ηελ παξαγσγή πξνγξακκάησλ ζε γιώζζα C θαη assembly. Δίλαη ζπκβαηή κε ηα ιεηηνπξγηθά ζπζηήκαηα Windows, Linux θαη BSD Unix, ππνζηεξίδεη όιεο ηηο κεηαβιεηέο ηνπ msp430 επεμεξγαζηή, θαη ζπκπεξηιακβάλεη έλα πιήξεο ζύλνιν αξρείσλ επηθεθαιίδαο (header files) θαη ηε βαζηθή libc βηβιηνζήθε. Απηό ην παθέην πεξηιακβάλεη ηνλ GNU C compiler (GCC), ηνλ assembler θαη ηνλ linker (binutils), ηνλ debugger (GDB) θαη θάπνηα άιια εξγαιεία πνπ ρξεηάδνληαη ώζηε λα θηηαρηεί έλα νινθιεξσκέλν αλαπηπμηαθό πεξηβάιινλ γηα ηνλ MSP430. CCS: Σν Code Composer Studio πεξηιακβάλεη έλα ζύλνιν εξγαιείσλ γηα ηελ αλάπηπμε θαη ην debugging ελζσκαησκέλσλ εθαξκνγώλ. Γηαζέηεη compilers γηα θάζε νηθνγέλεηα ζπζθεπώλ ηεο ΣΗ, editor γηα ηε ζπγγξαθή ηνπ πεγαίνπ θώδηθα, project build environment, debugger, profiler, simulators θαη πνιιά αθόκα ραξαθηεξηζηηθά. Σν CCS IDE παξέρεη ηε δπλαηόηεηα γηα ηνλ βήκα-πξνο-βήκα έιεγρν ηεο αλάπηπμεο ηεο εθαξκνγήο. Οηθεία εξγαιεία θαη δηεπαθέο επηηξέπνπλ ζην ρξήζηε λα μεθηλά πνιύ γξήγνξα θαη πξνζζέηνπλ ιεηηνπξγηθόηεηα ζηηο εθαξκνγέο ηνπ ράξε ζηα εμειηγκέλα εξγαιεία παξαγσγήο. CrossWorks: Σν πεξηβάιινλ απηό πεξηιακβάλεη όια ηα αλαπηπμηαθά εξγαιεία πνπ απαηηνύληαη από ηνλ κηθξνειεγθηή msp430. Παξέρεη κία νινθιεξσκέλε θαη 87

88 απνηειεζκαηηθή όζνλ αθνξά ζην θόζηνο ιύζε γηα ηνλ πξνγξακκαηηζκό ηεο νηθνγέλεηαο ησλ msp430 κηθξνειεγθηώλ ρακειήο θαηαλάισζεο. Τπνζηεξίδεη όιεο ηηο κεηαβιεηέο από ηε κηθξόηεξε έσο ηε κεγαιύηεξε, ελώ δηαζέηεη ANSI C compiler, macro assembler, linker/locator, βηβιηνζήθεο, core simulator, flash downloader, JTAG debugger θαη ην αλαπηπμηαθό πεξηβάιινλ CrossStudio. Σν IAR Embedded Workbench Kickstart πνπ επηιέμακε γηα ηελ εθαξκνγή καο, ην TI Code Composer Studio θαη ην MSPGCC toolchain κπνξνύλ λα ρξεζηκνπνηεζνύλ είηε ζηηο δσξεάλ εθδόζεηο ηνπο (πνπ παξνπζηάδνπλ πεξηνξηζκνύο όζνλ αθνξά ζην κέγεζνο ηνπ θώδηθα), είηε ζηελ πιήξε έθδνζή ηνπο αγνξάδνληαο ην ζπγθεθξηκέλν παθέην ινγηζκηθνύ. Αληηζέησο, ην CrossWorks δηαηίζεηαη κόλν κε ηελ αγνξά ηνπ. 88

89 ΠξνηΪζεηο γηα βειηέσζε Πξνθεηκέλνπ λα βγάινπκε αζθαιέζηεξα ζπκπεξάζκαηα γηα ηε ιεηηνπξγία ηνπ solar tracker ζα κπνξνύζαλ λα γίλνπλ πνιιέο παξαιιαγέο θαη βειηηώζεηο. Σν πείξακά καο ζα κπνξνύζε λα γίλεη θάησ από πξαγκαηηθέο ζπλζήθεο, δειαδή ζπλζήθεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο θαη όρη ζε ζπλζήθεο εξγαζηεξίνπ θαη λα ζπγθξίλεηαη ε ηζρύο ηνπ θηλνύκελνπ ζπιιέθηε κε ηηο ηηκέο ελόο ζηαζεξνύ πάλει. Οη κεηξήζεηο ηόηε γηα λα είλαη αθξηβείο ζα έπξεπε λα ιεθζνύλ ζηε δηάξθεηα ελόο έηνπο θαη λα απνζεθεύνληαη ζηνλ ππνινγηζηή γηα λα γίλεη ε επεμεξγαζία ηνπο. Δπηπιένλ, κε θίλεζε ηνπ πάλει ζε δύν άμνλεο αληί γηα έλαλ ζα ππήξρε κεγαιύηεξε αμηνπηζηία ζην ζύζηεκα όζνλ αθνξά ζηε ζσζηή εύξεζε ηνπ κέγηζηνπ. Σα πιηθά πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ ειαρηζηνπνίεζαλ ην θόζηνο θαηαζθεπήο θαζώο δελ ρξεηάζηεθε λα αγνξαζηεί ζρεδόλ ηίπνηα, γεγνλόο πνπ καο πεξηόξηζε θαζ όζνλ δελ είλαη αληηπξνζσπεπηηθά ηνπ κεγέζνπο ηνπ ειηαθώλ πάλει θαη ησλ θηλεηήξσλ πνπ ρξεζηκνπνηνύληαη ζε κηα πξαγκαηηθή εθαξκνγή. Γειαδή θάλνληαο κηα έξεπλα αγνξάο θαη επηιέγνληαο ηα θαηάιιεια πιηθά ζα κπνξνύζε λα επηηεπρζεί θαιύηεξε ζρέζε αθξίβ Σέινο, ε έξεπλα αγνξάο θαη ε επηινγή πιηθώλ ηα νπνία ρξεζηκνπνηνύληαη ζην εκπόξην ζα ήηαλ πην αληηπξνζσπεπηηθά ηνπ κεγέζνπο ησλ ειηαθώλ πάλει θαη ησλ θηλεηήξσλ πνπ ρξεζηκνπνηνύληαη ζε κηα πξαγκαηηθή εθαξκνγή. Παξ όια απηά ν ζθνπόο ηεο ζπγθεθξηκέλεο εξγαζίαο ήηαλ λα δείμεη ηε ινγηθή κε ηελ νπνία κπνξεί λα θαηαζθεπαζηεί έλαο ζύζηεκα παξαθνινύζεζεο ηνπ ήιηνπ,θαη όρη λα θαηαζθεπαζηεί έλα ζύζηεκα γηα εκπνξηθνύο ζθνπνύο. Απηό ζπλέβε ρσξίο ηελ αγνξά θαλελόο εμαξηήκαηνο κεδελίδνληαο νπζηαζηηθά ην θόζηνο ηεο ζπγθεθεξηκέλεο εθαξκνγήο. 89

90 Βηβιηνγξαθέα [1] Ήπηεο κνξθέο ελέξγεηαο Η, Εαραξίαο Θσκάο, Δθδόζεηο Παλεπηζηεκίνπ Παηξώλ, 2004 [2] Ήπηεο κνξθέο ελέξγεηαο ΗΗ, Εαραξίαο Θσκάο, Δθδόζεηο Παλεπηζηεκίνπ Παηξώλ, 2007 [3] Φπζηθή ησλ θσηνβνιηατθώλ ζηνηρείσλ, Πεξξάθε Βαζηιηθή, Δθδόζεηο Παλεπηζηεκίνπ Παηξώλ, 2006 [4] Αλάιπζε, έιεγρνο θαη επζηάζεηα ζπζηεκάησλ ειεθηξηθήο ελέξγεηαο, Βνβόο Νηθόιανο, Δθδόζεηο Εήηε, 2004 [ 5] Μηθξνειεθηξνληθά θπθιώκαηα, Sedra/Smith [6] Φσηνβνιηατθά ζπζηήκαηα, Η.Δ. Φξαγθηαδάθεο, Δθδόζεηο Εήηε, 2007 [7] Γηπισκαηηθή εξγαζία, Καηαζθεπή Φσηνβνιηατθνύ Ζιηνζηάηε, Γεώξγηνο Παπαληθνιάνπ, ΔΜΠ Ηνύληνο 2008 [8] Γηπισκαηηθή εξγαζία, Γέδεο Γεώξγηνο Γηθηπαθνέ ηόπνη [1] [2] [3] [4] [5] 90

91 ΠΑΡΑΡΣΗΜΑ Φύιια δεδνκϋλσλ (datasheets) 91

92 1) BC Amplifier transistors NPN Silicon 92

93 93

94 94

95 95

96 96

97 2) BC 328~16 97

98 98

99 99

100 2) Λεηηνπξγέα αθξνδεθηώλ (pins) ηνπ κηθξνειεγθηά msp430f

101 101