ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Ανδρέας Κ. Κοκκοφίτης. Επιβλέπων: Λεκτ. ηµουλιάς Χάρης.

Ανάλυση, σχεδίαση και έλεγχος των ηλεκτρονικών ισχύος µιας αυτόνοµης φωτοβολταϊκής (Φ/Β) εγκατάστασης µε µέγιστη ισχύ εξόδου 2.5kW. ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Ανδρέας Κ. Κοκκοφίτης Επιβλέπων: Λεκτ. ηµουλιάς Χάρης. Θεσσαλονίκη, Ιούνιος 2006

Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερµά τον επιβλέποντα καθηγητή µου κύριο Χάρη ηµουλιά για την εµπιστοσύνη που µου έδειξε, αναθέτοντας µου τη συγκεκριµένη εργασία αλλά και για τη δυνατότητα που µου προσέφερε να ασχοληθώ µε το ενδιαφέρον αυτό θέµα. Ακόµη, τον ευχαριστώ για την πολύτιµη εποπτεία, βοήθεια και καθοδήγηση κατά τη διάρκεια της εκπόνησης της παρούσας διπλωµατικής. Να ευχαριστήσω τέλος την οικογένεια και τους καθηγητές µου, που µε στήριξαν και µε βοήθησαν, ο καθένας µε τον τρόπο του, κατά τη διάρκεια των φοιτητικών µου σπουδών.

Πρόλογος _ Πρόλογος Αντικείµενο αυτής της εργασίας είναι η ανάλυση, η σχεδίαση και ο έλεγχος των ηλεκτρονικών ισχύος µιας αυτόνοµης φωτοβολταϊκής (Φ/Β) εγκατάστασης µε µέγιστη ισχύ εξόδου 2.5kW. Τα κύρια στοιχεία της διάταξης φαίνονται στο παρακάτω σχήµα. Η εργασία αυτή χωρίζεται σε τρία µέρη, την εισαγωγή, έξι κεφάλαια και το παράρτηµα. Στην εισαγωγή γίνεται ιστορική αναδροµή της εξέλιξης και αξιοποίησης των φωτοβολταϊκών. Επίσης γίνεται αναφορά στην ηλιακή ενέργεια και στη βέλτιστη αξιοποίηση της ηλιακής ακτινοβολίας. Στο κεφάλαιο 1 γίνεται ανάλυση και σχεδίαση των ηλεκτρονικών ισχύος ενός DC-DC µετατροπέα ( Α1 ) Υποβιβασµού Τάσης. Στο αρχικό στάδιο η τάση διατηρείται στα 29 dc, και στο δεύτερο (όταν έχει ολοκληρωθεί η φόρτιση) η τάση διατηρείται στα 27 dc. Κατά την διάρκεια του αρχικού σταδίου φόρτισης, το µέγιστο ρεύµα φόρτισης είναι 60 Α. Κατά την διάρκεια του δεύτερου σταδίου φόρτισης το ρεύµα είναι 1 Α. Επίσης γίνονται υπολογισµοί για αποφυγή µεγάλης κυµάτωσης στην τάση της µπαταρίας και µεγάλες απώλειες στο µετατροπέα (Α1). Στο κεφάλαιο 2, αφού έγινε ανάλυση και σχεδίαση στο κεφάλαιο 1, γίνεται σχεδιασµός ελέγχου του DC-DC µετατροπέα ( Α2 ) Υποβιβασµού Τάσης για φόρτιση µπαταρίας στα 60Α ή στο 1Α όταν η µπαταρία µας έχει φορτίσει, είτε µεταβάλλεται η τάση εισόδου είτε όχι. Αυτό γίνεται λαµβάνοντας όλες τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος. Επίσης, σ αυτό το κεφάλαιο γίνεται επιλογή Μπαταρίας και Φωτοβολταϊκού συλλέκτη, µε πραγµατικά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά. 1

Πρόλογος _ Στο κεφάλαιο 3 γίνεται ανάλυση και σχεδίαση των ηλεκτρονικών ισχύος ενός DC-DC µετατροπέα ( Β1 ) Ανύψωσης Τάσης. Ο µετατροπέας πρέπει να διατηρεί την τάση εξόδου του σταθερή 350, ώστε η επόµενη βαθµίδα (αντιστροφέας dc-ac) να µπορεί να δίνει ac τάση 230 rms, 50Hz δουλεύοντας στην γραµµική περιοχή διαµόρφωσης. Επίσης γίνονται υπολογισµοί για αποφυγή µεγάλης κυµάτωσης στην τάση της µπαταρίας και για µεγάλες απώλειες στο µετατροπέα (B1). Στο κεφάλαιο 4, αφού έγινε ανάλυση και σχεδίαση στο κεφάλαιο 3, γίνεται σχεδιασµός ελέγχου του DC-DC µετατροπέα ( Β2 ) Ανύψωσης Τάσης να διατηρεί την τάση εξόδου του σταθερή 350, είτε µεταβάλλεται η τάση εισόδου ( εκφόρτιση µπαταρίας) είτε όχι, λαµβάνοντας όλες τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος. Στο κεφάλαιο 5 γίνεται ανάλυση και σχεδιασµός των ηλεκτρονικών ισχύος ενός µονοφασικού αντιστροφέα ( µετατροπέας Γ ) πλήρους γέφυρας µε ηµιτονοειδή διαµόρφωση PWM µε τάση εξόδου 230, 50Hz και µέγιστη ισχύ 2.5 kw. Η ανάλυση γίνεται δυο φορές µε µονοπολική και διπολική διαµόρφωση της τάσης εξόδου αντίστοιχα. Επίσης γίνεται σχεδιασµός φίλτρου της τάσης εξόδου και σύγκριση για τις δυο περιπτώσεις, όταν έχουµε ωµικό ή επαγωγικό φορτίο. Στο κεφάλαιο 6 που είναι και το κυριότερο συνδέσαµε τον DC-DC µετατροπέα ( Β2 ) Ανύψωσης Τάσης µε τον µονοφασικό αντιστροφέα ( µετατροπέας Γ ) πλήρους γέφυρας µε ηµιτονοειδή µονοπολική διαµόρφωση PWM µε τάση εξόδου 230, 50Hz και µέγιστη ισχύ 2.5 ka. Η ανάλυση γίνεται δυο φορές όταν η µπαταρία µας είναι στο αρχικό και στο τελικό στάδιο εκφόρτισης. Επίσης γίνεται σύγκριση όταν έχουµε ωµικό φορτίο µέγιστης ισχύς 2kW και επαγωγικό φορτίο 2.5kA µε συντελεστή ισχύος 0.8. Στο παράρτηµα δίνονται τα τεχνικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των διακοπτών, της µπαταρίας, του Φωτοβολταϊκού συλλέκτη, των πηνίων, των πυκνωτών και των διόδων που χρησιµοποιήθηκαν. 2

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Εισαγωγή στη ιστορία και εξέλιξη των φωτοβολταϊκών και στην Ηλιακή Ενέργεια. 1. Εισαγωγή στη ιστορία και εξέλιξη των φωτοβολταϊκών...6 1. Εισαγωγή στην Ηλιακή Ενέργεια...7 Κεφάλαιο 1: DC-DC µετατροπέας ( Α1 ) Υποβιβασµού Τάσης: 1.1 Επιλογή διακόπτη και συχνότητας διαµόρφωσης 13 1.2 Εύρεση αυτεπαγωγής του πηνίου ( L ) και χωρητικότητας του πυκνωτή ( C ) 16 1.3 Θεωρητική ανάλυση ρεύµατος και τάσης πηνίου, πυκνωτή και διόδου...19 1.4 Σύγκριση θεωρητικών αποτελεσµάτων µε το προσοµοιωτή κυκλωµάτων PSIM.25 1.5 Κυµατοµορφές της τάσης και του ρεύµατος...29 Κεφάλαιο 2: DC-DC µετατροπέας ( Α2 ) Υποβιβασµού Τάσης και έλεγχος φόρτισης µπαταρίας (24,600Αh), λαµβάνοντας τις απώλειες του διακόπτη: 2.1 Θεωρητική ανάλυση και επιλογή Μπαταρίας...31 2.2 Θεωρητική ανάλυση και επιλογή Φωτοβολταϊκού συλλέκτη...36 2.3 Εύρεση πραγµατικών στοιχείων (πηνίο, δίοδος και πυκνωτή ) του Μετατροπέα Υποβιβασµού Τάσης και υπολογισµός των απωλειών τους...41 2.4 Έλεγχος φόρτισης µπαταρίας για ρεύµα εισόδου στο σηµείο µέγιστης ισχύος 48Α (ρεύµα που µας δίνουν τα 16 Φ/Β πάνελ ) και τάση στο σηµείο µέγιστης ισχύος 35. Με εκποµπή ακτινοβολίας 25 o C 1000 W / m και θερµοκρασία κυττάρου 46 2.5 Έλεγχος φόρτισης µπαταρίας για µεταβλητή τάση εισόδου µεταξύ input =(35,50)...48 2.6 Έλεγχος φόρτισης µπαταρίας για µεταβαλλόµενο ρεύµα εισόδου,από το σηµείο της µέγιστης ισχύος 48Α στα 24Α (ρεύµα που µας δίνουν τα 16 Φ/Β πάνελ ) και τάση να παραµένει στα 35.. 49 2.7 Αποτελέσµατα και κυµατοµορφές ρεύµατος και τάσης όταν η µπαταρία µας βρίσκεται στο αρχικό και τελικό στάδιο φόρτισης µε ρεύµα φόρτισης 60Α.(Σε πραγµατικό χρόνο). 51 2.8 Αποτελέσµατα και κυµατοµορφές ρεύµατος και τάσης όταν η µπαταρία µας έχει φορτίσει και την διατηρούµε φορτισµένη µε ρεύµα φόρτισης 1Α 58 2 3

Κεφάλαιο 3: Σχεδίαση DC-DC Μετατροπέα ( Β1 ) Ανύψωσης Τάσης : 1.1 Επιλογή διακόπτη και συχνότητας διαµόρφωσης.64 1.2 Εύρεση αυτεπαγωγής του πηνίου ( L ) και χωρητικότητας του πυκνωτή ( C ).68 1.3 Θεωρητική ανάλυση ρεύµατος και τάσης πηνίου, πυκνωτή και διόδου...70 1.4 Σύγκριση θεωρητικών αποτελεσµάτων µε το προσοµοιωτή κυκλωµάτων PSIM.74 1.5 Κυµατοµορφές της τάσης και του ρεύµατος...78 Κεφάλαιο 4: DC-DC Μετατροπέας ( B2 ) Ανύψωσης Τάσης και έλεγχος τάσης εξόδου 350 όταν η µπαταρία εκφορτίζεται, λαµβάνοντας τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος: 4.1 Έλεγχος τάσης εξόδου 350 όταν η µπαταρία εκφορτίζεται, λαµβάνοντας τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος...80 4.2 Αποτελέσµατα και κυµατοµορφές ρεύµατος και τάσης όταν η µπαταρία µας εκφορτίζεται, για τάση εξόδου 350...85 Κεφάλαιο 5: Μονοφασικός Αντιστροφέας πλήρους γέφυρας µε ηµιτονοειδή διαµόρφωση PWM (Μετατροπέας Γ).: ιαµόρφωση PWM µε µονοπολική τάση εξόδου. 5.1 Υπολογισµός συντελεστή διαµόρφωσης πλάτους και συχνότητας...94 5.2 Εύρεση αντίστασης και αυτεπαγωγής του πηνίου για επαγωγικό φορτίο.95 5.3 Επιλογή διακόπτη... 95 5.4 Κυµατοµορφές τάσης και ρεύµατος µε ωµικό φορτίο...100 5.5 Κυµατοµορφές τάσης και ρεύµατος µε επαγωγικό φορτίο...102 5.6 Υπολογισµός αρµονικών τάσης και ρεύµατος για επαγωγικό φορτίο...104 5.7 Υπολογισµός αρµονικών τάσης και ρεύµατος για επαγωγικό φορτίο και µε απώλειες του διακόπτη...107 5.8 Σχεδίαση φίλτρου στη τάση εξόδου και αποτελέσµατα...108 ιαµόρφωση PWM µε διπολική τάση εξόδου. 5.9 Υπολογισµός συντελεστή διαµόρφωσης πλάτους και συχνότητας...114 5.10 Κυµατοµορφές τάσης και ρεύµατος µε ωµικό φορτίο...114 5.11 Κυµατοµορφές τάσης και ρεύµατος µε επαγωγικό φορτίο...116 5.12 Υπολογισµός αρµονικών τάσης και ρεύµατος για επαγωγικό φορτίο...118 4

5.13 Υπολογισµός αρµονικών τάσης και ρεύµατος για επαγωγικό φορτίο µε απώλειες του διακόπτη...121 5.14 Σχεδίαση φίλτρου στη τάση εξόδου και αποτελέσµατα...124 Κεφάλαιο 6: Αντιστροφέας πλήρους γέφυρας µε ηµιτονοειδή διαµόρφωση PWM µε µονοπολική τάση εξόδου µαζί µε DC-DC Μετατροπέα ( Β2 ) Ανύψωσης, λαµβάνοντας όλες τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος: 6.1 Εύρεση πηνίου και πυκνωτή για φίλτρο στη µονοπολική τάση εξόδου του αντιστροφέα 6.2 Ανάλυση αντιστροφέα για επαγωγικό φορτίο µε συντελεστή ισχύος (cosφ=0.8), στο αρχικό στάδιο εκφόρτισης της µπαταρίας battery =27 6.3 Ανάλυση αντιστροφέα για επαγωγικό φορτίο µε συντελεστή ισχύος (cosφ=0.8), στο τελικό στάδιο εκφόρτισης της µπαταρίας battery =21.6... 6.4 Ανάλυση αντιστροφέα για φορτίο (2 kw), στο αρχικό στάδιο εκφόρτισης της µπαταρίας battery =27...140 6.5 Ανάλυση αντιστροφέα για ωµικό φορτίο (2 kw), στο τελικό στάδιο εκφόρτισης της µπαταρίας battery =21.6...145 Παρατηρήσεις-Συµπεράσµατα...149 Παράρτηµα...150 Βιβλιογραφία...217 5

Εισαγωγή στη ιστορία και εξέλιξη των φωτοβολταϊκών και στην Ηλιακή Ενέργεια. 1. Εισαγωγή στη ιστορία και εξέλιξη των φωτοβολταϊκών. Σήµερα ο ηλεκτρισµός παράγεται µέσω πηγών ενέργειας όπως το πετρέλαιο, που ρυπαίνουν το περιβάλλον. Κι όµως, θα µπορούσε να γίνεται διαφορετικά. Η τεχνολογία σήµερα προσφέρει εναλλακτικούς τρόπους παραγωγής ενέργειας, οι οποίες περιορίζουν τη χρήση του καυσίµου. Αυτό µπορεί να γίνει µε την χρήση ανανεώσιµων πηγών ενέργειας ( αιολική, ηλιακή, ενέργεια κυµάτων, παλιρροιακή, υδραυλική, γεωθερµική, βιοµάζας ). Αρκεί να σκεφτούµε ότι µια φωτοβολταϊκή εγκατάσταση στη στέγη ενός σπιτιού στην Ελλάδα θα αρκούσε για να καλύψει τις ανάγκες σε ενέργεια µιας µέσης οικογένειας. Ιστορία των Φωτοβολταϊκών. Οι πρώτες συµβατικές φωτοβολταϊκές κυψέλες κατασκευάστηκαν στα τέλη της δεκαετίας του 50 και µέσα στην επόµενη δεκαετία χρησιµοποιήθηκαν στους δορυφόρους τροχιάς. Στη δεκαετία του 70, βελτιώσεις στην κατασκευή, απόδοση και ποιότητα των φωτοβολταϊκών βοήθησαν να µειωθούν τα κόστη και άνοιξαν το δρόµο για τη χρήση τους σε επίγειες εφαρµογές όπως η φόρτιση µπαταριών συστηµάτων πλοήγησης, τηλεπικοινωνιακού εξοπλισµού και άλλων συστηµάτων µε χαµηλές ανάγκες σε ενέργεια. Στη δεκαετία του 80, τα φωτοβολταϊκά έγιναν µια δηµοφιλής ενεργειακή πηγή για ηλεκτρονικές συσκευές του εµπορίου όπως οι υπολογιστές τσέπης, τα ρολόγια, τα ραδιόφωνα και άλλες µικροσυσκευές. Μετά την ενεργειακή κρίση του 70, αυξήθηκαν διεθνώς οι εφαρµογές των φωτοβολταϊκών για την ηλεκτροδότηση επαρχιακών κλινικών, ψυγείων, αντλιών νερού, τηλεπικοινωνιών και κατοικιών εκτός δικτύου ηλεκτροδότησης. Αυτές οι εφαρµογές παραµένουν ένα µεγάλο κοµµάτι της σηµερινής αγοράς φωτοβολταϊκών. Σήµερα η βιοµηχανία φωτοβολταϊκών αυξάνεται κατά 25% το χρόνο και υιοθετείται µε γρήγορους ρυθµούς η υλοποίηση φωτοβολταϊκών συστηµάτων σε κτίρια. Κάθε κιλοβάτ κοστίζει γύρω στις 5000 ευρώ και η ζωή ενός συστήµατος φωτοβολταϊκών είναι γύρω στα 25 χρόνια. Κατά την Οδηγία 2001/77 της ΕΕ, η Ελλάδα µέχρι το 2010 πρέπει να παράγει: 20.1% της ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ. 14% της ηλεκτρικής ενέργειας από τεχνολογίες ΑΠΕ πλην των µεγάλων Υ/Η. Αυτό σηµαίνει 3,000 MW ΑΠΕ µέχρι το 2010. 6

Εισαγωγή στη ιστορία και εξέλιξη των φωτοβολταϊκών και στην Ηλιακή Ενέργεια. Επίσης η Κύπρος µέχρι το 2010 πρέπει να παράγει 6% της ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ. Φωτοβολταικές εγκαταστάσεις στην Ελλάδα 40 Ισχύς ( ΜW ) 35 30 25 20 15 10 5 0 1994 1998 2002 2006 2010 Έτος Εγκατεστηµένα Φ/Β στην Ελλάδα Προβλεπόµενη εγκατάσταση Φ/Β στην Ελλάδα Σχήµα 1 Πηγή: [8]. 2. Εισαγωγή στην Ηλιακή Ενέργεια. Ηλιακή Ακτινοβολία. Η ηλιακή ακτινοβολία που δέχεται ένα κεκλιµένο επίπεδο στην επιφάνεια του εδάφους αποτελείται από τρεις συνιστώσες όπως φαίνεται στο σχήµα 2 : 1. την άµεση που προέρχεται από τον ηλιακό δίσκο. 2. τη διάχυτη που προέρχεται από τον ουράνιο θόλο. 3. την ανακλώµενη που προέρχεται από το έδαφος της γύρω περιοχής. Σχήµα 2. Η ηλιακή ακτινοβολία που δέχεται ένα κεκλιµένο επίπεδο. 7

Εισαγωγή στη ιστορία και εξέλιξη των φωτοβολταϊκών και στην Ηλιακή Ενέργεια. Κίνηση του Ήλιου. Σε ότι αφορά στην θέση µίας επιφάνειας µελέτης όπως φαίνεται στο σχήµα 3 και 4 ορίζουµε: Κλίση β: την κλίση της επιφάνειας ως προς το οριζόντιο επίπεδο. Αζιµούθιο γ: η γωνία που σχηµατίζει η προβολή του κάθετου διανύσµατος της επιφάνειας στο οριζόντιο επίπεδο µε τον άξονα Βορράς-Νότος. 1. Για νότιο προσανατολισµό γ=0 2. Για γωνίες δυτικά γ (+) 3. Για γωνίες ανατολικά γ (-) Απόκλιση δ του ήλιου: η γωνία ανάµεσα στην ευθεία ήλιου-γης και την προβολή της στο επίπεδο του ισηµερινού 1. Η µέγιστη τιµή της, κατά το θερινό ηλιοστάσιο, είναι: 23.45 ο. 2. Η ελάχιστη τιµή της, κατά το χειµερινό ηλιοστάσιο, είναι: -23.45 ο. Σχήµα 3 Κλίση επιφάνειας ( γωνία β ) και αζιµούθιο ( γωνία γ). Σχήµα 4 Κίνηση και απόκλιση του ήλιου (γωνία δ) κατά την διάρκεια του έτους. 8

Εισαγωγή στη ιστορία και εξέλιξη των φωτοβολταϊκών και στην Ηλιακή Ενέργεια. Πρακτικοί κανόνες για την συλλογή της µέγιστης ηλιακής ακτινοβολία. Η βέλτιστη γωνία κλίσης (β) θα πρέπει να είναι περίπου ίση µε το γεωγραφικό πλάτος του τόπου (φ). Κατά την διάρκεια της θερινής περιόδου: Η βέλτιστη γωνία κλίσης (β) πρέπει να είναι περίπου 10 ο -15 ο µικρότερη από το γεωγραφικό πλάτος του τόπου (φ). Κατά την διάρκεια της χειµερινής περιόδου: Η βέλτιστη γωνία κλίσης (β) πρέπει να είναι περίπου 10 ο -15 ο µεγαλύτερη από το γεωγραφικό πλάτος του τόπου (φ). Αν στο έδαφος υπάρχει επιφάνεια µε µεγάλο συντελεστή ανάκλασης (π.χ. χιόνι) απαιτείται µεγαλύτερη κλίση. Ο βέλτιστος προσανατολισµός (αζιµούθιο γ) είναι νότιος (γ=0 o ), ενώ απόκλιση κατά 20 ο -30 ο από νότο έχει µικρή επίδραση στην ετήσια συλλεγόµενη ενέργεια. Στο πιο κάτω σχήµα 5 παρουσιάζεται η µέση ηµερήσια ηλιακή ακτινοβολία ανά µήνα, που θα δεχθεί µία επιφάνεια νότιου προσανατολισµού για διάφορες γωνίες κλίσεις. Οι τιµές αυτές αναφέρονται για βόρειο γεωγραφικό πλάτος 38 ο, ρ = 0.2 και είναι προσεγγιστικές. Παρ όλα αυτά όµως δίνουν µία πλήρη εικόνα της επίδρασης που έχει η κλίση στην ηλιακή ακτινοβολία που θα δεχθεί η επιφάνεια. Απ το σχήµα αυτό επιβεβαιώνεται ο εµπειρικός κανόνας που αναφέρθηκε προηγουµένως. Ένα άλλο µέγεθος από το οποίο εξαρτάται η ηλιακή ακτινοβολία που θα δεχθεί µία επιφάνεια, είναι ο προσανατολισµός της. Θεωρώντας ότι η ηλιακή ακτινοβολία είναι συµµετρική ως προς το ηλιακό µεσηµέρι, τότε ο καλύτερος προσανατολισµός για ένα επίπεδο ηλιακό συλλέκτη είναι ο νότιος (γ = 0 o ). Αποκλίσεις κατά 10 ο µέχρι 20 ο ανατολικά ή δυτικά του νότου έχουν µικρή επίδραση στην ετήσια συλλεγόµενη ηλιακή ενέργεια. Ο προσανατολισµός σ ένα επίπεδο ηλιακό συλλέκτη θα έχει επίδραση και στο χρόνο που θα δεχθεί την ηλιακή ακτινοβολία. Έτσι ένας συλλέκτης τοποθετηµένος νοτιοανατολικά, θα δεχθεί το µεγαλύτερο ποσό της ηλιακής ακτινοβολίας τις πρωινές ώρες. 9

Εισαγωγή στη ιστορία και εξέλιξη των φωτοβολταϊκών και στην Ηλιακή Ενέργεια. Σχήµα 5 Επίδραση της κλίσης στην µέση ηµερήσια ηλιακή ακτινοβολία ανά µήνα, που δέχεται επιφάνεια νότιου προσανατολισµού (γ = 0 ο ) για βόρειο γεωγραφικό πλάτος του τόπου φ = 38 ο και συντελεστή ανάκλασης ρ=0.2. Στο σχήµα 6 παρουσιάζεται η µέση ηµερήσια ολική ηλιακή ακτινοβολία ανά µήνα, που δέχεται οριζόντια επιφάνεια και τέσσερις κάθετες επιφάνειες, µε προσανατολισµό νότιο, ανατολικό, βόρειο και δυτικό. Ένα χαρακτηριστικό που παρουσιάζει το σχήµα αυτό είναι ότι όλες οι καµπύλες εκτός εκείνης της νότιας επιφάνειας έχουν ένα µέγιστο που αντιστοιχεί στο θερινό ηλιοστάσιο, ενώ της νότιας έχει δυο µέγιστα που αντιστοιχούν στην εαρινή και την φθινοπωρινή ισηµερία. Επίσης από το διάγραµµα παρατηρείται ότι τους χειµερινούς µήνες η νότια επιφάνεια θα δεχθεί τα µεγαλύτερα ποσά ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ τους καλοκαιρινούς µήνες η οριζόντια επιφάνεια υπερτερεί όλων. Οι µεγάλες τιµές του ύψους του ήλιου κατά την θερινή περίοδο δικαιολογούν τη µορφή της καµπύλης που αναφέρεται στην οριζόντια επιφάνεια ενώ ο συνδυασµός του µικρού ύψους του ήλιου µε την µεγάλη διάρκεια του ηµερήσιου τόξου του, δίνουν τα δύο µέγιστα στις ισηµερίες. Επίσης το πολύ µικρό ύψος του ήλιου σε συνδυασµό µε το µικρό ηµερήσιο τόξο του, έχουν σαν αποτέλεσµα η νότια επιφάνεια να υπερτερεί έναντι όλων των άλλων κατά την χειµερινή περίοδο. 10

Εισαγωγή στη ιστορία και εξέλιξη των φωτοβολταϊκών και στην Ηλιακή Ενέργεια. Ο εµπειρικός κανόνας που αναφέρθηκε παραπάνω για την κλίση των ηλιακών συλλεκτών, δίνει ικανοποιητικά αποτελέσµατα όταν εφαρµοσθεί σε µικρές ηλιακές εγκαταστάσεις. Επίσης στα φωτοβολταϊκά συστήµατα που το κόστος των φωτοβολταϊκών πλαισίων είναι υψηλό, θα πρέπει να µελετηθεί η βέλτιστη κλίση τους για την συγκεκριµένη εφαρµογή. Σχήµα 6 Μέση ηµερήσια ηλιακή ακτινοβολία ανα µήνα, που δέχεται οριζόντια επιφάνεια και τέσσερις κάθετες επιφάνειες διαφορετικού προσανατολισµού για βόρειο γεωγραφικό πλάτος του τόπου φ = 38 ο και συντελεστή ανάκλασης ρ=0.2. 11

Κεφάλαιο 1 Σχεδίαση DC DC Μετατροπέα (Α1) Υποβιβασµού Τάσης Κεφάλαιο 1: Σχεδίαση DC-DC Μετατροπέα ( Α1 ) Υποβιβασµού Τάσης Σχήµα 1.1 DC-DC Μετατροπέας υποβιβασµού τάσης Τα δεδοµένα-παραδοχές σχεδίασης είναι τα ακόλουθα: Τάση της Φ/Β γεννήτριας d =35 50 dc Η φόρτιση της µπαταρίας από τον µετατροπέα Α (DC-DC υποβιβασµού) γίνεται σε δύο στάδια: Στο αρχικό στάδιο η τάση διατηρείται στα 29. dc, και στο δεύτερο (όταν έχει ολοκληρωθεί η φόρτιση) η τάση διατηρείται στα 27. dc Κατά την διάρκεια του αρχικού σταδίου φόρτισης, το µέγιστο ρεύµα φόρτισης είναι 60 Α. Κατά την διάρκεια του δεύτερου σταδίου φόρτισης το ρεύµα είναι 1 Α. Ο µετατροπέας Α1 (φορτιστής) θα πρέπει να διατηρεί συνεχή αγωγή του ρεύµατος της µπαταρίας ακόµη και όταν το ρεύµα φόρτισης είναι 1 Α. Η κυµάτωση στην τάση της µπαταρίας θα πρέπει να είναι µικρότερη του 1. %. Οι απώλειες του διακόπτη του µετατροπέα Α1 θα πρέπει να είναι µικρότερες του 2.5 % της µέγιστης ισχύος του. Για τον µετατροπέα Α1 θα υπολογισθούν: Το είδος του διακόπτη και συγκεκριµένα εάν θα χρησιµοποιηθεί MOSFET ή IGBT. Η µέγιστη επιτρεπτή συχνότητα διαµόρφωσης (θα χρησιµοποιηθεί διαµόρφωση PWM). 12

Κεφάλαιο 1 Σχεδίαση DC DC Μετατροπέα (Α1) Υποβιβασµού Τάσης Το µέγεθος του πυκνωτή (χωρητικότητα, µέση, µέγιστη, ελάχιστη τάση, µέσο, µέγιστο, ελάχιστο ρεύµα, rms τάση, και rms ρεύµα). Το µέγεθος του πηνίου (αυτεπαγωγή, µέσο ρεύµα πηνίου για ρεύµα φόρτισης 60 Α, µέγιστη και ελάχιστη στιγµιαία τιµή του ρεύµατος πηνίου, προσεγγιστικό rms ρεύµα πηνίου, µέση τάση στο πηνίο, µέγιστη και ελάχιστη στιγµιαία τιµή τάσης πηνίου και rms τάση στο πηνίο) Το µέγεθος της διόδου (µέγιστη στιγµιαία και ελάχιστη στιγµιαία τιµή τάσης, rms τάση, µέγιστη και ελάχιστη στιγµιαία τιµή ρεύµατος, rms ρεύµα). 1.1 Επιλογή διακόπτη και συχνότητας διαµόρφωσης. Κατά την διάρκεια του αρχικού σταδίου φόρτισης, το µέγιστο ρεύµα φόρτισης είναι Io max = 60A Α. Οι απώλειες του µετατροπέα Α θα πρέπει να είναι µικρότερες του 2.5% της µέγιστης ισχύος του ( P max ). PT = Ps + Po n (Η ολική µέση απώλεια ισχύος σ ένα διακόπτη) 1 Ps = did fs( tr( on) + tf ( off )) (Η µέση απώλεια ισχύος κατά τη διάρκεια της µετάβασης 2 t r( on) t f ( off ) έναυσης ( ) και σβέσης ( ) σ ένα διακόπτη) 1 Ps = ( d, o ) max ( Id, Io ) max fs ( tr( on) + tf ( off ) ) (Η µέγιστη στιγµιαία απώλεια ισχύος κατά τη 2 t r( on) t f ( off ) διάρκεια της µετάβασης έναυσης ( ) και σβέσης ( ) σ ένα διακόπτη) P t on on = on Id (Η µέση απώλεια ισχύος κατά τη διάρκεια αγωγιµότητας σ ένα Ts διακόπτη) ton Pon = on ( Id, Io) max (Η µέγιστη στιγµιαία απώλεια ισχύος κατά τη διάρκεια T αγωγιµότητας σ ένα διακόπτη) s 13

Κεφάλαιο 1 Σχεδίαση DC DC Μετατροπέα (Α1) Υποβιβασµού Τάσης ton ton sw = sw = L = L = o T 0 s I I dt I DI DI ton 1 2 sw = ( sw) o max T = s 0 max I rms I dt I D P = P + P < 0.025P T s on max 1 t (, ) ( I, I ) f ( t + t ) + ( I, I ) < 0.025 I max 2 on d o max d o max s r( on) f ( off ) on d o max o o Ts Αγνοώντας τις απώλειες ισχύος που σχετίζονται µε όλα τα στοιχεία του κυκλώµατος η ισχύς εισόδου P ισούται µε την ισχύ εξόδου P. P d = P o I = I d d o o d o t I D = = = T I on o d s d o Για τη επιλογή του διακόπτη όπως φαίνεται και στο σχήµα 1.2 πρέπει: (α) Ο διακόπτης να δέχεται τάση µέχρι και την µέγιστη τάση εισόδου ( = 50 ) του µετατροπέα Α. (β) Ο διακόπτης όταν βρίσκεται σε κατάσταση αγωγιµότητας να αντέχει ρεύµα µέχρι και το µέγιστο ρεύµα εξόδου του µετατροπέα Α, αφού είναι και το ρεύµα που θα διαρρέει από το διακόπτη ( I max = 60A ). Αυτό το µέγιστο ρεύµα φόρτισης αναπτύσσεται κατά τη o στιγµιαία χρονική στιγµή µετάβασης έναυσης του διακόπτη. Ουσιαστικά πρέπει τα χαρακτηριστικά τάσης εισόδου και ρεύµατος αγωγιµότητας του διακόπτη να ικανοποιούν τα πιο πάνω. d Σχήµα 1.2 Καταστάσεις του κυκλώµατος του dc-dc µετατροπέα υποβιβασµού τάσης. 14

Κεφάλαιο 1 Σχεδίαση DC DC Μετατροπέα (Α1) Υποβιβασµού Τάσης Κύρια χαρακτηριστικά του διακόπτη τύπου MOSFET (IRF 1312): Τ άσηφραγής : = 80 DSS Ρ ε ύµαεκροής : I = 95A D Μ έσηαντίστασηαγωγιµ ότητας : R = 6.6mΩ Χ ρνοςανψωσης ό ύ : tr( on) = 130ns Χ f ( off ) = DS( on ) για DD = 40, ID = 57 A, RG = 4.5 Ω, GS = 10 ρόνος σβ έσης : t 51ns Για περισσότερες πληροφορίες για τα τεχνικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του διακόπτη τύπου MOSFET (IRF 1312) δείτε στο παράρτηµα. Εύρεση της µέγιστης επιτρεπτής συχνότητα διαµόρφωσης (PWM) για τον διακόπτη τύπου MOSFET (IRF 1312).: P = P + P < 0.025P T s on max 1 I f( t + t ) + I rms< 0.025I max όπου = I rmsr = I max DR 2 1 2 I d o fs( tr( on) + tf ( off )) + ( Io max) RDS D< 0.025I max ( on) o o 2 3 για d = 35 0,19 10 fs + 19.687 < 43.5W fs < 125.33kHz f 110.03 3 s khz < για d = 50 0, 27 10 fs + 13.791 < 43.5W fs < 110.03kHz d o s r( on) f ( off ) on sw o o on sw DS( on) o DS( on ) Κύρια χαρακτηριστικά του διακόπτη τύπου IGBT (IRF 4PC60F): Τάσησυλλέκτη εκποµπού: = 600 Ρ ε ύµασυλλέκτη: I = 60A Τ άση στον κόρο : = 1.5 CE( SAT ) Χ ρνοςανψωσης ό ύ : t = 66ns r( on) Χ ρόνος σβ έσης : t = 170ns C f ( off ) CES Για περισσότερες πληροφορίες για τα τεχνικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του διακόπτη IGBT (IRF 4PC60F) δείτε στο παράρτηµα. 15

Κεφάλαιο 1 Σχεδίαση DC DC Μετατροπέα (Α1) Υποβιβασµού Τάσης Εύρεση της µέγιστης επιτρεπτής συχνότητα διαµόρφωσης (PWM) για το διακόπτη τύπου IGBT (IRF 4PC60F).: P = P + P < 0.025P T s on max 1 t I f( t + t ) + I < 0.025I max όπου = 2 on d d s r ( on) f ( off ) on d o o on CE( SAT ) Ts για d = 35 Pon = 74.57W > 43.5W απορίπτεταιο διακόπτης IGBT για d = 50 Pon = 52.2W > 43.5W Έπειτα από την πιο πάνω µελέτη χρησιµοποιούµε διακόπτη τύπου MOSFET, για να έχουµε απώλειες µικρότερες του 2.5% της µέγιστης ισχύος ( ) του µετατροπέα Α1 και να ανταποκρίνονται τα χαρακτηριστικά του διακόπτη. Επίσης συχνότητα διαµόρφωσης επιλέγεται P max f = 100kHz, όπου θα γίνουν και οι ακόλουθοι υπολογισµοί. s 1.2 Εύρεση αυτεπαγωγής του πηνίου (L) και χωρητικότητας του πυκνωτή (C) Εύρεση αυτεπαγωγής ( L ) Εύρεση αυτεπαγωγής ( L ) ώστε να διατηρείται συνεχή αγωγή του ρεύµατος της µπαταρίας ακόµη και όταν το ρεύµα φόρτισης είναι I = 1 A LB DTs( d o) = I 2L LB o T o s(1 ) DTs( d o) d L = = 2I 2I LB LB 27 27 35 L 50 2 2 5 5 27 10 (1 ) 27 10 (1 ) 30.8571µ H L 62.1µ H όµως 35 50 d 16

Κεφάλαιο 1 Σχεδίαση DC DC Μετατροπέα (Α1) Υποβιβασµού Τάσης Για να έχουµε οριακό ρεύµα IoB < I LB παίρνουµε στη χειρότερη περίπτωση L= 63µ H 0.4898A IoB 0.9857A IoB < I LB Σχήµα 1.3 Σύγκριση σε δύο ίδια κυκλώµατα dc-dc µετατροπέα υποβιβασµού τάσης µε τη οριακή τιµή του L= 62.1µ H και τη τιµή L= 63µ H για τυχαία τιµή του πυκνωτή ( C = 500µ F ). Επειδή η γραφική παράσταση δεν είναι ευδιάκριτη, δίνουµε τη ελάχιστη τιµή: I I LB ob min = 0.03392A I < ob min = 0.01992A I LB (διατήρηση συνεχής αγωγής του ρεύµατος) Εύρεση χωρητικότητας ( C ) Εύρεση χωρητικότητας ( C ) ώστε µικρότερη του 1 %. η κυµάτωση στην τάση της µπαταρίας να είναι 2 o 1 ( Ts) (1 D) = < 0.01 8 LC o 17

Κεφάλαιο 1 Σχεδίαση DC DC Μετατροπέα (Α1) Υποβιβασµού Τάσης 27 για D= C > 4.535µ F 35 C > 9.127µ F 27 για D= C > 9.127µ F 50 παίρνουµε C = 10µ F o o = 0.00913= 0.913% <1% f c 1 = = 6.341kH z fs = 100kH 2π LC z f s = 15.77 f c Για έλεγχο του υπολογισµού προσοµοιώνουµε στο PSIM τα πιο κάτω κυκλώµατα όπως φαίνεται στο σχήµα 1.6 µε C = 9.127µ F και C = 10µ F αντίστοιχα και παίρνουµε τα ακόλουθα αποτελέσµατα. Σχήµα 1.4 Σύγκριση σε δύο ίδια κυκλώµατα dc-dc µετατροπέα υποβιβασµού τάσης µε τη οριακή τιµή του C = 9.127µ F και τη τιµή C = 10µ F. 18

Κεφάλαιο 1 Σχεδίαση DC DC Μετατροπέα (Α1) Υποβιβασµού Τάσης Αποτελέσµατα προσοµοίωσης για εύρεση της κυµάτωσης: R R R max = 27.1269 min = 26.8796 = 27 Κυµάτωση για C = 10µ F : o R max R min = = 0.00916 = 0.916% o R R R R max = 27.1391 min = 26.8681 = 27 Κυµάτωση για C = 9.127µ F : o R max R min = = 0.01004 = 1.004% o R Οι ακόλουθοι υπολογισµοί θα γίνουν για συχνότητα διαµόρφωσης (d, ο )=(35, 30) f = 100kHz s και για 1.3 Θεωρητική ανάλυση ρεύµατος και τάσης πηνίου, πυκνωτή και διόδου. Θεωρητική ανάλυση ρεύµατος πηνίου dil() t vl() t = L dt ton on 1 di () t = v () t dt L L 0 0 1 I Lmax ILmin = tond L ILmax ILmin = IL = I 2 I L t 1 ton( d o ) max = Io + 2 L L o I L 1 ton( d o ) min = Io 2 L 19

Κεφάλαιο 1 Σχεδίαση DC DC Μετατροπέα (Α1) Υποβιβασµού Τάσης ILmax ILmin IL min + t,,0 t t ton il() t = ILmax ILmin I max ( t t ), t t T toff L on on s on ton Ts ILmax ILmin ILmax ILmin L = L + + L on Ts t 0 on t t off 1 I { ( I min t ) dt [ I max ( )] } t t dt on ton Ts 1 I max min 2 max min { ( min L IL I ) [ max L IL ( )] 2 L = L L on } T + + s t 0 on t t off I rms I t dt I t t dt on Θεωρητική ανάλυση τάσης πηνίου L ( t) ( ),0 t t = d o on o, ton t T s t on s 1 L = { ( d o ) dt+ ( o ) } T dt s 0 T ton ton Ts 1 { ( ) 2 [( ) 2 L = d o } T + o s 0 ton rms dt dt Θεωρητική ανάλυση ρεύµατος πυκνωτή I c max = I max I L o I c min = I min I L o 20

Κεφάλαιο 1 Σχεδίαση DC DC Μετατροπέα (Α1) Υποβιβασµού Τάσης Icmax Icmin Icmin + t,,0 t to ton ic () t = Icmax Icmin Icmax ( t ton), ton t T toff n s ton Ts Icmax Icmin Icmax Icmin c = c + + + c on Ts t 0 on t t off 1 I { ( I min t ) dt [ I max ( )] } t t dt on ton Ts 1 I max min 2 max min { ( min c Ic I ) [ max c Ic ( )] 2 c = c c on } T + + s t 0 on t t off I rms I t dt I t t dt on Θεωρητική ανάλυση τάσης πυκνωτή c = R = o rms c c Λόγω πολύ µικρής κυµάτωσης o cmax = o + 2 o cmin = o 2 Κυµάτωση : Κυµάτωση προσοµοίωσης : R R R max = 30.0493 min = 29.9679 = 29.9994 o o = 0.00283 2 o 1 ( Ts) (1 D) = = 0.00283 = 0.283% 8 LC o o R max R min = = 0.00271 = 0.271% o R 21

Κεφάλαιο 1 Σχεδίαση DC DC Μετατροπέα (Α1) Υποβιβασµού Τάσης Σχήµα 1.5 Σχέση ρεύµατος και τάσης του πυκνωτή για κύκλωµα dc-dc µετατροπέα υποβιβασµού τάσης. Παρατηρούµε ότι τη στιγµή που µηδενίζεται το ρεύµα του πυκνωτή έχουµε µέγιστη και ελάχιστη τάση. Επιβεβαιώνεται άλλωστε στις πιο κάτω εξισώσεις : Icmax Icmin Icmin + t,,0 t to ton ic () t = Icmax Ic min Icmax ( t ton), ton t T toff n s d C dt c = i () t c d dt c = 0 min όταν c t t = on και ξανά πάλι c max όταν 2 toff t = ton + 2 22

Κεφάλαιο 1 Σχεδίαση DC DC Μετατροπέα (Α1) Υποβιβασµού Τάσης Θεωρητική ανάλυση ρεύµατος διόδου T s 1 ton Idi = Ididt (1 ) IL (1 D) T = = I T s ton s L Ts 1 2 di = [ di ] = L 1 Ts ton I rms I dt I D 0,0 t ton Idi () t = IL max IL min I max ( t t ), t t T toff L on on s Idi = 0 κλειστ ός διακόπτης I I di di max = IL max min = IL min ανοιχτός διακόπτης Το Idirms πιο πάνω υπολογίζεται µε βάση την µέση τιµή. Στην πραγµατικότητα υπολογίζεται πιο σωστά µε την πιο κάτω σχέση: Ts 1 ILmax ILmin 2 Idirms = [ IL max ( t ton )] dt T s t ton off 23

Κεφάλαιο 1 Σχεδίαση DC DC Μετατροπέα (Α1) Υποβιβασµού Τάσης Θεωρητική ανάλυση τάσης διόδου t 1 on ton di = di d d T = = s T 0 s dt D di o = = αν άστροφα πολωµ ένη o t 1 on 2 di = ( d ) d T = s 0 rms dt D di d,0 t t () t = 0, ton t T on s max = 0 ανοιχτός διακόπτης di min = κλειστ ός διακόπτης di d 24

Κεφάλαιο 1 Σχεδίαση DC DC Μετατροπέα (Α1) Υποβιβασµού Τάσης 1.4 Σύγκριση θεωρητικών αποτελεσµάτων µε το προσοµοιωτή κυκλωµάτων PSIM. Αφού σχεδιάσαµε το πιο κάτω κύκλωµα όπως φαίνεται στο σχήµα 1.6 µε το Psim για ( d, 0 )= (35, 30) παραθέτουµε πιο κάτω τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης εν συγκρίσει µε τα θεωρητικά αποτελέσµατα. Σχήµα 1.6 DC-DC Μετατροπέας υποβιβασµού τάσης (Α1) για ( d, 0 )= (35, 30) 25

Κεφάλαιο 1 Σχεδίαση DC DC Μετατροπέα (Α1) Υποβιβασµού Τάσης DC-DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΥΠΟΒΙΒΑΣΜΟΥ ΤΑΣΗΣ (Α1) Πηνίο L=33µΗ Θεωρητικά Αποτελέσµατα Αποτελέσµατα Προσοµοίωσης (Psim) I L ILrms I L I L max min L rms L L L max min 60 Α 59.9986 A 60 Α 59.9989 A 60.3401 A 60.3323 A 59.6599 A 59.6645 A 0-0.25002 12.2474 12.5187 5 5.03146-30 -30.0499 26

Κεφάλαιο 1 Σχεδίαση DC DC Μετατροπέα (Α1) Υποβιβασµού Τάσης DC-DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΥΠΟΒΙΒΑΣΜΟΥ ΤΑΣΗΣ (Α1) Πυκνωτής C= 10µF Θεωρητικά Αποτελέσµατα Αποτελέσµατα Προσοµοίωσης (Psim) I c Icrms I c I c max min c rms c c c max min 0 A 0.0146 ma 0.2935 A 0.1894 A 0.3401 A 0.2506 A -0.3401 A -0.3967 A 30 29.9994 30 29.9994 30.0425 30.0493 29.9575 29.9679 27

Κεφάλαιο 1 Σχεδίαση DC DC Μετατροπέα (Α1) Υποβιβασµού Τάσης DC-DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΥΠΟΒΙΒΑΣΜΟΥ ΤΑΣΗΣ (Α) ίοδος Θεωρητικά Αποτελέσµατα Αποτελέσµατα Προσοµοίωσης (Psim) I di max I di Idirms αν. διακπτη ό 8.5714 A 8.9997 A 22.6779 A 23.2374 A 60.3401 A 60.3322 A I di min I di αν. διακπτη ό κλ. διακ όπτη 59.6599 A 59.6645 Α 0 A -0.0035 ma di di max min di rms di αν. διακπτη ό κλ. διακ όπτη -30-29.7485 32.4037 32.2679 0 0.6637 m -35-34.9994 28

Κεφάλαιο 1 Σχεδίαση DC DC Μετατροπέα (Α1) Υποβιβασµού Τάσης 1.5 Κυµατοµορφές της τάσης και του ρεύµατος. Στα πιο σχήµατα 1.7 και 1.8 σχεδιάζουµε για δύο περιόδους, τις κυµατοµορφές της τάσης και του ρεύµατος στην έξοδο του φορτιστή, στο πηνίο του, στον πυκνωτή και στην δίοδο όταν η τάση εισόδου είναι 35 και η τάση εξόδου είναι 30. Επίσης δίνεται και η κυµατοµορφή του ρεύµατος εισόδου. Σχήµα 1.7 Κυµατοµορφές για δύο περιόδους του ρεύµατος στην είσοδο και έξοδο του µετατροπέα Α1, στο πηνίο του, στον πυκνωτή και στην δίοδο όταν η τάση εισόδου είναι 35 και η τάση εξόδου είναι 30. 29

Κεφάλαιο 1 Σχεδίαση DC DC Μετατροπέα (Α1) Υποβιβασµού Τάσης Σχήµα 1.8 Κυµατοµορφές για δύο περιόδους της τάσης στην έξοδο του µετατροπέα A1, στο πηνίο του, στον πυκνωτή και στην δίοδο όταν η τάση εισόδου είναι 35 και η τάση εξόδου είναι 30. 30

Κεφάλαιο 2 DC-DC Mετατροπέας Yποβιβασµού Tάσης και έλεγχος φόρτισης µπαταρίας (24, 600Ah), λαµβάνοντας τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος. Κεφάλαιο 2: DC-DC Mετατροπέας ( A2 ) Υποβιβασµού Τάσης και έλεγχος φόρτισης µπαταρίας (24,600Ah), λαµβάνοντας τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος. Τα δεδοµένα-παραδοχές σχεδίασης είναι τα ακόλουθα. Κατά την διάρκεια του αρχικού σταδίου φόρτισης, το µέγιστο ρεύµα φόρτισης είναι 60 Α. Κατά την διάρκεια του δεύτερου σταδίου φόρτισης το ρεύµα είναι 1 Α. H µπαταρία να έχει ονοµαστική τάση 24, συγκεκριµένα να αποτελείται από 12 συστοιχίες των 2 εν σειρά (12x2). Ο µετατροπέας Α2 (φορτιστής) θα πρέπει να διατηρεί συνεχή αγωγή του ρεύµατος της µπαταρίας ακόµη και όταν το ρεύµα φόρτισης είναι 1 Α. Η κυµάτωση στην τάση της µπαταρίας θα πρέπει να είναι µικρότερη του 1 %. Οι συνολικές απώλειες του µετατροπέα Α2 θα πρέπει να είναι µικρότερες του 6 %. της µέγιστης ισχύος του. Ο φωτοβολταικός συλλέκτης να δίνει συνολική ισχύ εισόδου µεγαλύτερη και ίση από την ισχύ εξόδου του µετατροπέα Α2 (φορτιστής). 2.1 Θεωρητική ανάλυση και επιλογή Μπαταρίας. Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από ένα αυτόνοµο φωτοβολταϊκό ή αιολικό σύστηµα, θα πρέπει να αποθηκευτεί πριν καταναλωθεί. Συνήθως η αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται µε τη µετατροπή της σε χηµική ενέργεια σε κατάλληλους ηλεκτρικούς συσσωρευτές. Οι µπαταρίες διαρκούν περίπου από 10 µε 20 έτη, ενώ τα ΦΒ πάνελ διαρκούν πάνω από 20 έτη. Οι µπαταρίες µε λάθος χρήση καταστρέφονται εύκολα και γι αυτό χρειάζονται προσεκτική συντήρηση. Υπάρχουν διάφοροι τύποι ηλεκτρικών συσσωρευτών, ανάλογα µε τον τύπο των ηλεκτροδίων τους. Στα Φ/Β συστήµατα χρησιµοποιούνται µπαταρίες νικελίου-καδµίου και µολύβδου οξέως. Οι νικελίουκαδµίου µπαταρίες είναι αξιόπιστες, αλλά ακριβές. Γι αυτό η χρήση lead-acid µπαταρίες είναι προτιµότερες λόγω κόστους. 31

Κεφάλαιο 2 DC-DC Mετατροπέας Yποβιβασµού Tάσης και έλεγχος φόρτισης µπαταρίας (24, 600Ah), λαµβάνοντας τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος. Τα ηλεκτρόδιά στις lead-acid µπαταρίες είναι σωληνωτές πλάκες από κράµατα µολύβδου (Pb) χαµηλής περιεκτικότητας σε αντιµόνιο (Sb<3%), τα οποία είναι βυθισµένα σε διάλυµα θειικού οξέος (H 2 SO 4 ). Είναι µεγάλης βύθισης και πολλαπλών κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης. Επίσης συσκευάζονται σε µαύρο κουτί πολυπροπυλενίου. Η λειτουργία των συσσωρευτών Μολύβδου στηρίζεται σε µια αντιστρεπτή ηλεκτροχηµική διαδικασία, που περιγράφεται από τις πιο κάτω αµφίδροµες αντιδράσεις: Αρνητική πλάκα: εκφόρτιση Pb+ SO PbSO + e 2 4 4 2 φόρτιση Θετική πλάκα: εκφόρτιση PbΟ+ 4H SO PbSO + 2 O + 2 2 + 4 + 2e 4 H2 φόρτιση Οι απλοί συσσωρευτές αυτοκινήτου χρησιµοποιούνται για την αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας σε πολύ απλές εφαρµογές των Α.Π.Ε. και το βάθος της εκφόρτισής τους δεν υπερβαίνει το 10-20%. Συνήθως όµως χρησιµοποιούνται πιο σύνθετοι συσσωρευτές, όπου το βάθος εκφόρτισής τους κυµαίνεται από 50% έως 90%. Ανάλογα µε τον τύπο τους οι συσσωρευτές µολύβδου αντέχουν συνήθως µέχρι 500-1500 κύκλους φορτίσεων-εκφορτίσεων, ενώ µετά αχρηστεύονται. Είναι δυνατόν να χρησιµοποιηθούν κυψελίδες 2 εν σειρά, οπότε µπορούµε να έχουµε ότι τάση θέλουµε (πολλαπλάσια των 2). Για παράδειγµα κάθε συσσωρευτής µε ονοµαστική τάση περίπου 24 αποτελείται από 12 κυψελίδες στη σειρά, ονοµαστικής τάσεως 2 εκάστη. Οι φορτισµένοι συσσωρευτές εξάλλου αυτοεκφορτίζονται µε ρυθµό 2-5% µηνιαίως, ρυθµός που αυξάνει µε την ηλικία των συσσωρευτών. 32

Κεφάλαιο 2 DC-DC Mετατροπέας Yποβιβασµού Tάσης και έλεγχος φόρτισης µπαταρίας (24, 600Ah), λαµβάνοντας τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος. Xωρητικότητα συσσωρευτών Χαρακτηριστικό µέγεθος ενός συσσωρευτή είναι η χωρητικότητά του και εκφράζεται σε αµπερώρια (Αh). Η ποσότητα της ηλεκτρικής ενέργειας που µπορεί να αποθηκευθεί σε έναν σωσσωρευτή είναι το γινόµενο της χωρητικότητάς του επί την ονοµαστική του τάση. Έτσι ένας συσσωρευτής χωρητικότητος 600 Ah µε ονοµαστική τάση 24, έχει ονοµαστική ικανότητα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας 600Ah x 24 = 14400 Ah. Εφόσον ο συσσωρευτής αυτός εκφορτιστεί κατά 20%, µπορεί να δώσει ωφέλιµη ηλεκτρική ενέργεια 14.4 kwh x 0.2 = 2880 Wh. Χαρακτηριστικό µέγεθος του συσσωρευτή είναι ο βαθµός απόδοσής του, που ορίζεται ως: Μέση ενέργεια εκφόρτισης Βαθµός απόδοσης συσσωρευτή= Μέση ενέργεια φόρτισης Ο βαθµός απόδοσης των συσσωρευτών συνήθως λαµβάνεται 0.85. Αν δεχθούµε ότι ένας συσσωρευτής έχει: α) βαθµό απόδοσης 0.85 (η) β) επιτρεπόµενο βαθµό εκφόρτισης 0.8 (α) γ) ονοµαστική χωρητικότητα 600 Αh (C) δ) τάση 24 () τότε η ποσότητα της ηλεκτρικής ενέργειας (E) που λαµβάνεται κατά την εκφόρτισή του είναι : E = C n α= 600 Ah 24 0.85 0.8 = 9792 Wh Από την προαναφερθείσα εξίσωση µπορούµε να υπολογίσουµε την ονοµαστική χωρητικότητα ενός συσσωρευτή που θέλουµε να µας καλύπτει τις ανάγκες µας σε ηλεκτρική ενέργεια. E C = η a 33

Κεφάλαιο 2 DC-DC Mετατροπέας Yποβιβασµού Tάσης και έλεγχος φόρτισης µπαταρίας (24, 600Ah), λαµβάνοντας τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος. Η χωρητικότητα των συσσωρευτών εξαρτάται από την ένταση του ρεύµατος που δίδουν στην κατανάλωση. Έτσι ένας συσσωρευτής ονοµαστικής χωρητικότητας ορισµένων αµπεροωρών θα εξαντληθεί συντοµότερα, εάν η ένταση του ρεύµατος που δίδει στην κατανάλωση είναι µεγαλύτερη, και αργότερα εάν η ένταση του ρεύµατος που δίδει στην κατανάλωση είναι µικρότερη. Ορισµένοι κατασκευαστές συσσωρευτών δίδουν τη χωρητικότητα του συσσωρευτή συναρτήσει του χρόνου αποφόρτισής τους. Φόρτιση και εκφόρτιση ηλεκτρικών συσσωρευτών. Η αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας σε ηλεκτρικούς συσσωρευτές και στη συνέχεια η χρησιµοποίησή της συνεπάγεται τη διαδοχική φόρτιση και εκφόρτιση του συσσωρευτή. Η διάρκεια της χρήσιµης ζωής των συσσωρευτών εξαρτάται: α) από το πλήθος των διαδοχικών κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης. β) από το βάθος κάθε εκφόρτισης. Για να αποφεύγεται η εκφόρτιση των συσσωρευτών πέρα από κάποιο σηµείο καθώς και η υπερβολική φόρτισή τους (που έχουν σαν αποτέλεσµα την ταχεία φθορά τους), χρησιµοποιούνται ηλεκτρονικές διατάξεις, οι οποίες : α) διακόπτουν τη ροή ενέργειας προς το συσσωρευτή όταν το φορτίο τους υπερβεί κάποιο σηµείο. β) διακόπτουν τη ροή ενέργειας προς την κατανάλωση όταν το φορτίο του συσσωρευτή κατέλθει σε κάποιο σηµείο. Οι ηλεκτρονικές αυτές διατάξεις προφυλάσσουν τους συσσωρευτές και είναι απαραίτητες σε κάθε αιολικό ή φωτοβολταϊκό αυτόνοµο σύστηµα. 34

Κεφάλαιο 2 DC-DC Mετατροπέας Yποβιβασµού Tάσης και έλεγχος φόρτισης µπαταρίας (24, 600Ah), λαµβάνοντας τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος. Επιλογή Μπαταρίας. Από τη θεωρητική ανάλυση συνοψίζουµε τα εξής: 1. Ο επιθυµητός και βέλτιστος χρόνος να φορτίσεις µια µπαταρία είναι 10 ώρες. Αφού το ρεύµα φόρτισης είναι 60Α, πρέπει να επιλέξουµε µια µπαταρία µε χωρητικότητα 600Αh. 2. Για να έχουµε µπαταρία µε ονοµαστική τάση 24, πρέπει να αποτελείται από 12 συστοιχίες των 2 εν σειρά (12x2). Σχήµα 2.1 Συσσωρευτής MSB-600 35

Κεφάλαιο 2 DC-DC Mετατροπέας Yποβιβασµού Tάσης και έλεγχος φόρτισης µπαταρίας (24, 600Ah), λαµβάνοντας τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος. Τεχνικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά συσσωρευτή MSB-600 Ονοµαστική τάση Ονοµαστική χωρητικότητα Εσωτερική αντίσταση Μέγιστο βάθος εκφόρτισης ιαστάσεις Βάρος 2 600Ah για 10Hr, 1.8 /cell 400Ah για 3Hr, 1.7 /cell 330Ah για 1Hr, 1.6 /cell >0.7mΩ 80% για 10Hr 30.1x17.5x33.1cm 46 Kg Για περισσότερες πληροφορίες για τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συσσωρευτή MSB-600, δείτε στο παράρτηµα. 2.2 Θεωρητική ανάλυση και επιλογή Φωτοβολταϊκού συλλέκτη. Πως λειτουργούν Μια τυπική φωτοβολταϊκή κυψέλη πυριτίου αποτελείται από ένα λεπτότατο στρώµα πυριτίου βαπτισµένο σε φωσφόρο (τύπος Ν) πάνω σε ένα πιο παχύ στρώµα πυριτίου, βαπτισµένο σε βόριο (τύπος Ρ). Κοντά στην κορυφή της κυψέλης όπου αυτά τα δύο υλικά εφάπτονται, δηµιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο. Όταν το ηλιακό φως προσπίπτει στην επιφάνεια της κυψέλης, αυτό το ηλεκτρικό πεδίο παρέχει ορµή και κατεύθυνση σε ηλεκτρόνια που διεγείρονται από το φως, µε αποτέλεσµα τη ροή ρεύµατος όταν η κυψέλη είναι συνδεδεµένη σε ηλεκτρικό φορτίο. Σχήµα 2.2 Φωτοβολταϊκή κυψέλη 36

Κεφάλαιο 2 DC-DC Mετατροπέας Yποβιβασµού Tάσης και έλεγχος φόρτισης µπαταρίας (24, 600Ah), λαµβάνοντας τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος. Ασχέτως µεγέθους, µια τυπική φωτοβολταϊκή κυψέλη παράγει περίπου 0.5-0.6 συνεχούς ρεύµατος σε συνθήκες µηδενικού φορτίου και ανοικτού κυκλώµατος. Η ποσότητα ρεύµατος που παράγει η κυψέλη εξαρτάται από την αποτελεσµατικότητάς της και το µέγεθός της και είναι ανάλογη µε την ένταση του ηλιακού φωτός που τη χτυπάει. Για παράδειγµα, κάτω από έντονο ηλιακό φως, µια τυπική P κυψέλη µε επιφάνεια 160 τετρ. εκατοστά παράγει περίπου 2 Watt µέγιστη ισχύ. Φωτοβολταϊκές Μονάδες και Συστοιχίες Οι φωτοβολταϊκές κυψέλες συνδέονται σε σειρά ή παράλληλα σε κυκλώµατα για την παραγωγή µεγαλύτερης τάσης και ισχύος. Οι φωτοβολταϊκές µονάδες αποτελούνται από κυψέλες σφραγισµένες σε προστατευτικό έλασµα (module) και είναι η θεµελιώδης δοµική µονάδα των συστηµάτων P. Τα φωτοβολταϊκά πάνελ περιέχουν µία ή περισσότερες µονάδες καλωδιωµένες και έτοιµες για εγκατάσταση. Μια φωτοβολταϊκή συστοιχία είναι µία πλήρης µονάδα παραγωγής ρεύµατος που µπορεί να περιέχει οποιονδήποτε αριθµό από πάνελ. Σχήµα 2.3 Φωτοβολταϊκές κυψέλες, modules, panels και συστοιχίες. 37

Κεφάλαιο 2 DC-DC Mετατροπέας Yποβιβασµού Tάσης και έλεγχος φόρτισης µπαταρίας (24, 600Ah), λαµβάνοντας τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος. Για παράδειγµα ας δούµε το σχήµα 2.4: Έχουµε δύο πάνελ 40Wp που το καθένα δίνει ένταση 2.5Α σε τάση 16 µε κανονική ηλιοφάνεια. Στη πρώτη περίπτωση συνδέονται παράλληλα και µας δίνουν 5Α σε 16. Στη δεύτερη περίπτωση συνδέονται εν σειρά και µας δίνουν 2.5Α σε 32. Και στις δύο περιπτώσεις η ισχύς είναι η ίδια: 80W. Σχήµα 2.4 Φ/Β πάνελ συνδεδεµένα παράλληλα και σε σειρά. Σηµειώσεις-Παρατηρήσεις εδοµένου ότι η ισχύς των ηλιακών κυττάρων µειώνεται από τις υψηλές θερµοκρασίες πρέπει να τοποθετούνται 10cm πάνω από το δάπεδο ώστε να υπάρχει εξαερισµός. Επίσης πρέπει να αποφευχθεί η σκίαση στα πάνελ από εξωτερικούς παράγοντες όπως κτίρια, δέντρα. Επίσης τα πάνελ πρέπει να διατηρούνται καθαρά. Ακόµη και η µερική σκίαση ενός ή περισσότερων πάνελ µπορεί να δηµιουργήσει µια αντίσταση στο κύκλωµα και να µειώσει την απόδοση του συστήµατος. Όπως είναι γνωστό η ένταση του φωτός του ήλιου δεν βρίσκεται πάντα στη µέγιστη τιµή, µε αποτέλεσα η ισχύς από ένα πάνελ να είναι συνήθως πολύ µικρότερη από τη µέγιστη. Σε χαµηλή ηλιακή ακτινοβολία, η τάση παραµένει σχεδόν ίδια, αλλά το ρεύµα ελαττώνεται. 38

Κεφάλαιο 2 DC-DC Mετατροπέας Yποβιβασµού Tάσης και έλεγχος φόρτισης µπαταρίας (24, 600Ah), λαµβάνοντας τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος. Επιλογή Φωτοβολταϊκού συλλέκτη Η µέγιστη Ισχύς εξόδου του µετατροπέα Α2 (φορτιστής) είναι ίση µε P max = I max = 1650 W, όπου max = 27.5 µ έγιστητ άση φόρτισης. o o o o Ο φωτοβολταικός συλλέκτης πρέπει να δίνει συνολική ισχύ εισόδου µεγαλύτερη και ίση από την ισχύ εξόδου του µετατροπέα Α2 (φορτιστής). Σχήµα 2.5 Φωτοβολταϊκός συλλέκτης (EFG) ASE 100-GT-FT/K. 39

Κεφάλαιο 2 DC-DC Mετατροπέας Yποβιβασµού Tάσης και έλεγχος φόρτισης µπαταρίας (24, 600Ah), λαµβάνοντας τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος. Τεχνικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκού συλλέκτη µε 72 κυψέλες πυριτίου οκταγωνικού τύπου (EFG) ASE 100-GT-FT/K Ονοµαστική ισχύς ( Pmpp ) Τάση στο σηµείο µέγιστης ισχύος ( Umpp ) Ένταση στο σηµείο µέγιστης ισχύος ( Impp ) Ρεύµα βραχυκυκλώσεως ( I sc ) Τάση ανοιχτού κυκλώµατος ( Uoc ) Βάρος ιαστάσεις 105 W 35.0 3.0 Α 3.3 Α 42.6 8.5 Kg 64.4x128.2x3.5cm Αριθµός κυψελών ανά συλλέκτη 72 Σχήµα 2.6 Καµπύλες τάσης / Έντασης σε συνάρτηση µε θερµοκρασία και ηλιακή ακτινοβολία. 40

Κεφάλαιο 2 DC-DC Mετατροπέας Yποβιβασµού Tάσης και έλεγχος φόρτισης µπαταρίας (24, 600Ah), λαµβάνοντας τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος. 2.3 Εύρεση πραγµατικών στοιχείων (πηνίο, δίοδος και πυκνωτή ) του Μετατροπέα Υποβιβασµού Τάσης και υπολογισµός των απωλειών τους. Απώλειες διακόπτη Θυµίζουµε ότι ο σχεδιασµός έγινε για απώλειες του διακόπτη του µετατροπέα Α1,οι οποίες θα πρέπει να είναι µικρότερες του 2.5% της µέγιστης ισχύος του. Τώρα για f = 100kHz έχουµε: s PT = Ps + Pon < 0.025Pmax 1 I d ofs( tr( on) + tf ( off )) + oniswrms< 0.025I o o max, 2 όπου = I rmsr = I max DR on sw DS( on) o DS( on) 1 2 I d ofs( tr( on) + tf ( off )) + ( Iomax) RDS D< 0.025I max ( on) o o 2 για d = 35 19W + 19.7W = 38.7W < 43.5W για d = 50 27W + 13.8W = 40.8W < 43.5W για = 21.5 και = 35 19W + 17.28W = 36.28W < 43.5W chargin g για = 27.5 και = 35 19W + 22.1W = 31.1W < 43.5W chargin g d d Εύρεση πηνίου και απώλειες του. Θυµίζουµε από την θεωρία το µέγιστο ρεύµα εξόδου και τάση εξόδου του πηνίου, καθώς και τη ελάχιστη αυτεπαγωγή ώστε να διατηρείται συνεχή αγωγή του ρεύµατος της µπαταρίας ακόµη και όταν το ρεύµα φόρτισης είναι I = 1 A. 27 27 35 L 50 2 2 5 5 27 10 (1 ) 27 10 (1 ) 30.8571µ H L 62.1µ H LB όµως 35 50 d Παρατηρώντας το σχήµα 2.6 Καµπύλες τάσης / Έντασης σε συνάρτηση µε θερµοκρασία και ηλιακή ακτινοβολία, η µέγιστη τάση του Φωτοβολταϊκού συλλέκτη είναι γύρω στα 43. Έτσι µας δίνει την δυνατότητα να χρησιµοποιήσουµε πηνίο µε µικρότερη αυτεπαγωγή από 63µΗ. 41

Κεφάλαιο 2 DC-DC Mετατροπέας Yποβιβασµού Tάσης και έλεγχος φόρτισης µπαταρίας (24, 600Ah), λαµβάνοντας τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος. 5 27 27 10 (1 ) Για 43 43 d L = 50.2325µ Η 2 ( d o),0 t ton L () t = o, ton t Ts 1 ton( d ch arging ) ILmax = Io +, όπου L= 60µ H 2 L για = 21.5 και = 35 I max = 60.691A charging d L για = 27.5 και = 35 I max = 60.491A charging d L Έπειτα από αναζήτηση στο διαδίκτυο βρήκαµε το πιο κάτω πηνίο.tώρα για να έχουµε 60µΗ θα βάλουµε δύο πηνία σε σειρά. Τεχνικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του πηνίου (CWS, E70340-013) Αυτεπαγωγή 30µΗ Μέγιστο DC ρεύµα Μέγιστη DC τάση Μέγιστη αντίσταση ιαστάσεις 120Α 1000 1.95mΩ 3.9 x 3.9 x 2.9cm Για περισσότερες πληροφορίες για τα τεχνικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του πηνίου (CWS, E70340-013), δείτε στο παράρτηµα. Απώλειες πηνίου. για P I R 2 charg ing = 21.5 και d = 35 απωλ. max = L max L = 7.23 για = 27.5 και = 35 P max = 7.13W charg ing d απωλ. W 42

Κεφάλαιο 2 DC-DC Mετατροπέας Yποβιβασµού Tάσης και έλεγχος φόρτισης µπαταρίας (24, 600Ah), λαµβάνοντας τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος. Εύρεση διόδου και απώλειες της. Θυµίζουµε από την θεωρητική ανάλυση, το µέγιστο ρεύµα και τάση της διόδου. I I di di max = IL max min = IL min ανοιχτ ός διακόπτης di max = 0 ( αν. διακόπτης) min = ( κλ. διακ όπτης ) di o Τεχνικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά της διόδου ( Ιnt.Rectifier, DO-203AB(DO-5) ).: Μέγιστη ανάστροφη τάση µε IRRM max = 15mA RRM = 400 Μέγιστο ρεύµα αγωγιµότητας µε TC = 140 o C I F( A) = 70 A Μέγιστη πτώση τάσης = 1.45 Για περισσότερες πληροφορίες για τα τεχνικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά της διόδου ( Ιnt.Rectifier, DO-203AB(DO-5), δείτε στο παράρτηµα. FM Απώλειες διόδου. για = 21.5 και = 35 P max = I max (1 D) = 33.94W charging d απ FM di για = 27.5 και = 35 P max = I max (1 D) = 18.86W charging d απ FM di 43

Κεφάλαιο 2 DC-DC Mετατροπέας Yποβιβασµού Tάσης και έλεγχος φόρτισης µπαταρίας (24, 600Ah), λαµβάνοντας τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος. Εύρεση πυκνωτή και απώλειες του. Θυµίζουµε από την θεωρητική ανάλυση, το µέγιστο ρεύµα και τάση του πυκνωτή. I max = I max I 0.5A c L o o c max = o + o 2 Τεχνικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του πυκνωτή (Epcos,B32360A2106J050): Χωρητικότητα (C) 10 µf Μέγιστο DC ρεύµα AC τάση Μέγιστη DC τάση ιαστάσεις,(διάµετρος-ύψος) 6 Α 250 Α 450 4 x 6.3cm Για περισσότερες πληροφορίες για τα τεχνικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του πυκνωτή (Epcos,B32360A2106J050), δείτε στο παράρτηµα. Οι απώλειες του πυκνωτή θεωρούνται αµελητέες διότι το µέγιστο ρεύµα που τον διαρρέει είναι περίπου 0.3Α και η αντίσταση του διηλεκτρικού του είναι της τάξης των mω. Συνολικές απώλειες. για = 21.5 και = 35 charging d P = 36.28W + 7.23W + 33.94W = 77.45W = 6.004% ολ. απ ώλ. για = 27.5 και = 35 charging d P = 31.1W + 7.13W + 18.86W = 57.09W = 3.46% ολ. απ ώλ. 44

Κεφάλαιο 2 DC-DC Mετατροπέας Yποβιβασµού Tάσης και έλεγχος φόρτισης µπαταρίας (24, 600Ah), λαµβάνοντας τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος. Για να έχουµε ισχύ εισόδου µεγαλύτερη και ίση από την µέγιστη ισχύ εξόδου του µετατροπέα Α2 (φορτιστής), P max = 1650W, πρέπει να χρησιµοποιήσουµε 16 o πάνελ ( ASE 100-GT-FT/K ) µε ονοµαστική ισχύ ( P mpp ) 105W. P ( P ) = 16 105W = 1680W > P max = 1650 W. Καλύπτουµε και 30W για input απώλειες. Να σηµειώσουµε ότι o όταν η µπαταρία µας είναι στο τελικό στάδιο φόρτισης η ισχύς που αποµένει αφαιρώντας τις συνολικές απώλειες είναι 1622.91W. Η µπαταρία µας θα συνεχίσει να φορτίζει στα 60Α αλλά στα 27.05. Όπως αναφέραµε πιο πάνω θα χρησιµοποιήσουµε 16 Φ/Β πάνελ ( ASE 100- GT-FT/K ) µε ονοµαστική ισχύ ( P P ( P ) = 1680 W. mpp ) 105W και συνολική ισχύ Λαµβάνοντας υπόψιν τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Φωτοβολταϊκού συλλέκτη η ένταση στο σηµείο µέγιστης ισχύος ( I mpp ) είναι ίση µε 3 Α. Τα 16 Φ/Β πάνελ θα τα input συνδέσουµε παράλληλα όπως το σχήµα 2.4 και θα έχουµε συνολική ένταση στο σηµείο µέγιστης ισχύος ( I mpp ) ίση µε 48 Α και τάση στο σηµείο µέγιστης ισχύος ( U mpp ) ίση µε 35. 45

Κεφάλαιο 2 DC-DC Mετατροπέας Yποβιβασµού Tάσης και έλεγχος φόρτισης µπαταρίας (24, 600Ah), λαµβάνοντας τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος. 2.4 Έλεγχος φόρτισης µπαταρίας για ρεύµα εισόδου στο σηµείο µέγιστης ισχύος 48Α (ρεύµα που µας δίνουν τα 16 Φ/Β πάνελ ) και τάση στο σηµείο µέγιστης ισχύος 35. Με εκποµπή ακτινοβολίας 1000 W / m 2 και θερµοκρασία κυττάρου 25 o C. Να σηµειώσουµε ότι η βέλτιστη φόρτιση της µπαταρίας από 21 µέχρι τα 27 στη πραγµατικότητα είναι περίπου δέκα ώρες (πολύ αργά χρονικά µεταβαλλόµενη ). Τώρα για να δείξουµε ότι το κύκλωµα ελέγχου λειτουργεί, λαµβάνουµε το χρόνο φόρτισης-εκφόρτισης περίπου κατά 36000 φορές γρηγορότερο. Και παρουσιάζουµε τα αποτελέσµατα όπως φαίνεται στα σχήµατα 2.7-2.10. Σχήµα 2.7 DC-DC Μετατροπέας( A2 ) Υποβιβασµού Tάσης και έλεγχος φόρτισης µπαταρίας (24v,600Ah), λαµβάνοντας τις απώλειες του διακόπτη, για σταθερή τάση εισόδου input =35. 46

Κεφάλαιο 2 DC-DC Mετατροπέας Yποβιβασµού Tάσης και έλεγχος φόρτισης µπαταρίας (24, 600Ah), λαµβάνοντας τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος. Σχήµα 2.8 Κυµατοµορφή ρεύµατος και τάσης φόρτισης για σταθερή τάση εισόδου input =35. 47

Κεφάλαιο 2 DC-DC Mετατροπέας Yποβιβασµού Tάσης και έλεγχος φόρτισης µπαταρίας (24, 600Ah), λαµβάνοντας τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος. 2.5 Έλεγχος φόρτισης µπαταρίας για µεταβλητή τάση εισόδου µεταξύ input =(35,43). Σχήµα 2.9 DC-DC Μετατροπέας( A2 ) Υποβιβασµού Tάσης και έλεγχος φόρτισης µπαταρίας (24v,600Αh), λαµβάνοντας τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος, για µεταβαλλόµενη τάση εισόδου µεταξύ input =(35,43). Σχήµα 2.10 Κυµατοµορφή ρεύµατος και τάσης φόρτισης για µεταβαλλόµενη τάση εισόδου µεταξύ input =(35,43). 48

Κεφάλαιο 2 DC-DC Mετατροπέας Yποβιβασµού Tάσης και έλεγχος φόρτισης µπαταρίας (24, 600Ah), λαµβάνοντας τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος. 2.6 Έλεγχος φόρτισης µπαταρίας για µεταβαλλόµενο ρεύµα εισόδου,από το σηµείο της µέγιστης ισχύος 48Α στα 24Α (ρεύµα που µας δίνουν τα 16 Φ/Β πάνελ ) και τάση να παραµένει στα 35. Αυτό βέβαια µπορεί να συµβεί για λιγότερη ηλιοφάνεια όπως φαίνεται στο 1000 W / m σχήµα 2.6. Με εκποµπή ακτινοβολίας και θερµοκρασία κυττάρου 25 o C έχουµε ένταση 60Α ενώ µε εκποµπή ακτινοβολίας στη ίδια 2 500 W / m θερµοκρασία έχουµε ένταση 30Α. Να σηµειώσουµε ότι και στις δύο περιπτώσεις για να έχουµε µέγιστη ισχύ η τάση παραµένει 35. Επίσης να σηµειώσουµε ότι η µεταβολή της ακτινοβολίας δεν µεταβάλλεται τόσο γρήγορα που φαίνεται στο σχήµα 2.18. Αυτό βέβαια όπως και στα προηγούµενα σχήµατα γίνεται απλά για να δείξουµε ότι λειτουργεί το κύκλωµα ελέγχου, όπως φαίνεται στα σχήµατα 2.11-2.12. 2 Σχήµα 2.11 DC-DC Μετατροπέας( A2 ) Υποβιβασµού Tάσης και έλεγχος φόρτισης µπαταρίας (24v,600Αh), λαµβάνοντας τις απώλειες του διακόπτη, για σταθερή τάση εισόδου input =35 και µεταβαλλόµενο ρεύµα εισόδου. 49

Κεφάλαιο 2 DC-DC Mετατροπέας Yποβιβασµού Tάσης και έλεγχος φόρτισης µπαταρίας (24, 600Ah), λαµβάνοντας τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος. Σχήµα 2.12 Κυµατοµορφή ρεύµατος και τάσης φόρτισης για σταθερή τάση εισόδου input = 35 και µεταβαλλόµενο ρεύµα εισόδου. 50

Κεφάλαιο 2 DC-DC Mετατροπέας Yποβιβασµού Tάσης και έλεγχος φόρτισης µπαταρίας (24, 600Ah), λαµβάνοντας τις απώλειες των στοιχείων του κυκλώµατος. 2.7 Αποτελέσµατα και κυµατοµορφές ρέυµατος και τάσης όταν η µπαταρία µας βρίσκεται στο αρχικό και τελικό στάδιο φόρτισης µε ρεύµα φόρτισης 60Α.(Σε πραγµατικό χρόνο) Αφού σχεδιάσαµε το κύκλωµα όπως στο σχήµα 2.7 µε το Psim για d =35,αλλά και για πραγµατικό χρόνο φόρτισης 10Hr παραθέτουµε πιο κάτω τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης στο αρχικό στάδιο φόρτισης µε charging 21.5 εν συγκρίσει µε τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης στο τελικό στάδιο φόρτισης µε charging 27.5. DC-DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΥΠΟΒΙΒΑΣΜΟΥ ΤΑΣΗΣ (Α2) Πηνίο L=60µΗ Αποτελέσµατα Προσοµοίωσης (Psim) στο αρχικό στάδιο φόρτισης µε ch arging 21.5 D cycle =0.6646 Αποτελέσµατα Προσοµοίωσης (Psim) στο τελικό στάδιο φόρτισης µε ch arging 27.5 D cycle =0.7568 I L ILrms I L I L max min L rms L L L max min 60.1125 A 60.0434 A 60.1129 A 60.0436 A 60.4939 A 60.3553 A 59.7342 A 59.7422 A 1.1592 0.0340 17.0074 14.312 13.1035 7.1043-22.9591-28.9569 51