Развоj на систем за следење на точка на максимална мо`кност

Универзитет Св. Климент Охридски Технички факултет-битола Магистерски труд Развоj на систем за следење на точка на максимална мо`кност Изработил: Благоj Гегов Октомври 2014

УНИВЕРЗИТЕТ СВ. КЛИМЕНТ ОХРИДСКИ БИТОЛА ТЕХНИЧКИ ФАКУЛТЕТ Електротехнички отсек Наслов: РАЗВОJ НА СИСТЕМ ЗА СЛЕДЕЊЕ НА ТОЧКА НА МАКСИ- МАЛНА МО `КНОСТ Клучни зборови: точка на максимална мо`кност, фотоволтаик, DC/DC конвертор, алгоритам. Кандидат: Гегов Благоj Ментор: Доц. д-р Миле Петковски Испитна комисиjа: Ментор Претседател на комисиjа Член на комисиjа

Изjава за оригиналност Jас Гегов Благоj, студент на втор циклус студии организиран на Технички Факултет - Битола, во состав на Универзитетот Св. Климент Охридски во Битола, Р. Македониjа, на студиската програма Системи за Мерење и Управување, со броj на индекс 45/2012, изjавувам дека поднесениот магистерски труд под наслов Развоj на систем за следење на точка на максимална мо`кност претставува моj самостоен труд и истиот претставува резултат на самостоjна научна работа спроведена во текот на истражувањето. Согласен сум да ги сносам сите обврски и одговорности кои произлегуваат од неовластено користење на ту`г текст или плагиjаторство согласно важечките законски и подзаконски акти гои ги регулираат авторските и сродни права. Давател на изjавата: Благоj Гегов Датум: 30.09.2014

Содржина 1 Вовед 1 1.1 Трендови во производството на електрична енергиjа....... 1 1.2 Зошто фотоволтаици?......................... 2 1.3 Краток преглед на содржината................... 3 I Теоретско обjаснување 5 2 Сончево зрачење 5 2.1 Вовед.................................. 5 2.2 Атмосфера на Сонцето........................ 6 2.3 Положба на земjата во однос на Сонцето.............. 7 2.4 Промена на зрачењето поради земjината ротациjа........ 8 2.5 Координати на хоризонтот...................... 10 2.6 Момент на изгревање на сонцето и должина на денот...... 10 2.7 Упаден агол на зраците врз површини со различен наклон... 11 2.8 Поминување на зраците низ атмосферата............. 11 2.9 Пресметка на интензитетот на сончевото зрачење на одредена површина................................ 11 2.10 Мерење на интензитетот на сончевото зрачење.......... 12 3 Фотоволтаици 13 3.1 Вовед.................................. 13 3.2 Опис на фотоволтаик......................... 13 i

СОДРЖИНА 3.3 Струjно-напонска карактеристика.................. 14 3.4 Зависност на струjно-напонската карактеристика од температурата и интензитетот на сончевото зрачење............. 15 3.5 Еквивалентен модел на фотоволтаик................ 17 3.6 Премин од `келиjа кон модул..................... 18 3.7 Пресметка на параметри на фотоволтаик со користење на вредности од каталог............................ 19 4 DC/DC конвертори 22 4.1 Вовед.................................. 22 4.2 Управување на DC/DC конверторите................ 23 4.3 DC/DC чопер.............................. 25 4.4 Основни топологии на DC/DC конвертори............. 25 4.5 Чук конвертор............................. 26 5 Следење на точка на максимална мо`кност 28 5.1 Вовед.................................. 28 5.2 Директна врска на фотоволтаик со потрошувач.......... 28 5.3 Алгоритми за следење на точката на максимална мо`кност.... 29 5.3.1 Алгоритам наруши и набљудуваj.............. 30 II Симулации 33 6 Симулациjа на фотоволтаик 33 6.1 Програма за симулациjа на фотоволтаик.............. 33 6.2 Тестирање на програмата за симулациjа на фотоволтаик.... 34 6.3 Алгоритми на програмите за симулациjа на фотоволтаик.... 37 ii

СОДРЖИНА 7 Симулациjа на Чук конвертор 40 III Тестирање на реален систем 43 8 Систем за следење на точка на максимална мо`кност 43 8.1 Хардверски дел............................ 43 8.1.1 Напоjувања........................... 44 8.1.2 NI sbrio 9632......................... 44 8.2 Шмитов тригер............................. 45 8.2.1 Чук конвертор......................... 46 8.2.2 Потрошувач.......................... 46 8.3 Програмски дел............................ 47 8.3.1 Импулсно-ширинска модуалциjа............... 47 8.3.2 Програми за тестирање.................... 49 8.3.3 Програма за следење на точката на максимална мо`кност 50 8.3.4 Алгоритми на програмите за тестирање и управување на системот............................ 51 9 Резултати од мерења 54 9.1 Измерени вредности за различни вредности на работниот циклус 54 9.2 Нао`гање на точката на максимална мо`кност............ 55 9.3 Следење на точка на максимална мо`кност............. 56 10 Заклучок 58 10.1 Предлог за понатамошно истражување............... 59 A Програмски код 63 A.1 Програма за генерирање на импулсно-ширинска модулациjа... 63 iii

СОДРЖИНА A.2 Програма за тестирање на системот................. 63 A.3 Програма за нао`гање на точката на максимална мо`кност.... 64 A.4 Програма за следење на точката на максимална мо`кност.... 65 A.5 Програма за пресметка на параметри на фотоволтаик...... 66 A.6 Програма за симулациjа на Чук конвертор............. 66 A.7 Програма за симулациjа на фотоволтаик при непроменливи работни услови.............................. 67 A.8 Програма за симулациjа на фотоволтаик за пет различни работни услови.................................. 68 iv

Слики 2.1 Сонцето со неговата атмосфера................... 6 2.2 Растоjание ме`гу Сонцето и земjата................. 7 2.3 Орбита на земjата........................... 8 2.4 Деклинациjа.............................. 9 2.5 Часовен агол.............................. 9 2.6 Поминување на сончевите зраци низ атмосферата........ 11 2.7 Сончева енергиjа во kw/m 2 day за Скопjе............ 12 3.1 Струjно-напонска карактеристика на сончева `келиjа....... 14 3.2 Зависност на мо`кноста од напонот.................. 15 3.3 Зависност на кривата од G...................... 16 3.4 Зависност на кривата од T...................... 16 3.5 Зависност на кривата од G...................... 16 3.6 Зависност на кривата од T...................... 17 3.7 Еквивалентен модел со една диода................. 17 3.8 Еквивалентен модел со две диоди.................. 17 3.9 Струjно-напонска карактеристика на фотоволтаик........ 19 3.10 Зависност на мо`кноста од напонот.................. 19 4.1 Пилест сигнал............................. 23 4.2 D=0.25................................. 24 4.3 D=0.5.................................. 24 4.4 D=0.75................................. 24 4.5 Триаголен сигнал........................... 25 v

СЛИКИ 4.6 DC/DC чопер (a) електрично коло б) изглед на напонот..... 25 4.7 (a) Buck конвертор б) Boost конвертор в) Buck-boost конвертор. 26 4.8 Чук конвертор a) електрично коло б) диjаграм на струjата и напонот.................................. 27 4.9 (a) S-OFF б) S-ON........................... 27 5.1 Систем за следење на точка на максимална мо`кност....... 29 5.2 Алгоритам "наруши и набљудуваj"................. 31 6.1 (a) Податоци од каталог, б) Пресметани параметри........ 34 6.2 (a) Зависност на IV карактеристиката од температурата, б) Зависност на IV карактеристиката од сончевото зрачење...... 35 6.3 (a) Зависност на PV карактеристиката од температурата, б) Зависност на PV карактеристиката од сончевото зрачење..... 36 6.4 Струjно-напонска карактеристика на фотоволтаикот дадена од производител.............................. 36 6.5 Блок диjаграм на програмата за симулациjа на фотоволтаик.. 37 6.6 Блок диjаграм на подрутината за нао`гање на точка на максимална мо`кност............................... 38 6.7 Блок диjаграм на програмата за симулациjа на фотоволтаик со можност за пресметка во пове`ке работни услови......... 39 7.1 Симулациjа на Чук конвертор.................... 41 7.2 Влезен напон.............................. 41 7.3 Излезен напон............................. 41 7.4 Влезна и излезна струjа........................ 42 8.1 Блок диjаграм на систем за следење на точка на максимална мо`кност................................. 44 8.2 Изглед на системот за следење на точка на максимална мо`кност 45 8.3 Струjно-напонска карактеристика на изворот........... 46 8.4 Шмитов тригер............................. 46 vi

СЛИКИ 8.5 Импулсно ширинска модулациjа пред и после Шмитов тригер. 47 8.6 Изглед на Чук конверторот...................... 48 8.7 Серво мотор.............................. 49 8.8 Блок диjаграм на програмата за тестирање на системот..... 49 8.9 Генерирање на импулсно-ширинска модулациjа.......... 51 8.10 Генерирање на триаголен сигнал................... 52 8.11 Блок диjаграм на програмата за нао`гање на точката на максимална мо`кност............................. 53 9.1 D = 25% (a) напон, б) струjа в), мо`кност.............. 54 9.2 D = 50% (a) напон, б) струjа в), мо`кност.............. 54 9.3 D = 75% (a) напон, б) струjа в), мо`кност.............. 55 9.4 D D max (a) напон, б) струjа в), мо`кност............. 55 9.5 Нао`гање на точката на максимална мо`кност............ 55 9.6 Измерена мо`кност од прво мерење.................. 56 9.7 Измерена мо`кност од второ мерење................. 56 9.8 Приказ на промената на работниот циклус............. 57 А.1 Програма за генерирање на импулсно-ширинска модулациjа... 63 А.2 Програма за тестирање на системот................. 63 А.3 Програма за нао`гање на точката на максимална мо`кност.... 64 А.4 Програма за следење на точката на максимална мо`кност.... 65 А.5 Програма за пресметка на параметри на фотоволтаик...... 66 А.6 Програма за симулациjа на Чук конвертор............. 66 А.7 Програма за симулациjа на фотоволтаик при непроменливи работни услови.............................. 67 А.8 Програма за симулациjа на фотоволтаик за пет различни работни услови.................................. 68 vii

Апстракт Во проектот е претставен процесот за развоj на систем за следење на точка на максимална мо`кност. Дадена е теоретската основа за секоj од елементите кои се разгледуваат при дизаjнирањето на системот. Почнуваj`ки од пресметката на интензитетот на сончевото зрачење, потоа параметрите на фотоволтаиците, DC/DC конверторите и примената на алгоритамот за следење на точка на максимална мо`кност. Системот се состои од Чук конвертор, Шмитов тригер, NI sbrio 9632 со NI9474 и NI9219 модули и лабораториски извор на еднонасочен напон. Како потрошувач се користи еднонасочен серво мотор. Избраниот алгоритам за следење на точката на максимална мо`кност е наруши и набљудуваj алгоритамот коj е имплементиран на sbrio 9632. На краjот се дадени резултатите од тестирањето на системот и примената на избраниот алгоритам.. Клучни зборови: точка на максимална мо`кност, фотоволтаик, DC/DC конвертор. Abstract The process of developing a maximum power point tracking system is presented in this project. The theoretical explanation for each one of the system s building blocks is given first. Starting from the calculations for the solar insulation, then the photovoltaic parameters, DC/DC converters and the application of the maximum power point tracking algorithm. The real system is built using a Cuk DC/DC converter, Schmitt Trigger, NI sbrio 9632 with NI9474 and NI9219 C series modules and a laboratory DC power supply. A DC servo motor presents the load connected to the system. The algorithm used is the "Perturb and Observe"algorithm, which is implemented on the sbrio 9632 development board. The testing and measurement results are shown in the end. Keywords: maximum power point, photovoltaic, DC/DC converter.

Глава 1 Вовед Во свет во коj потрошувачката на електрична енергиjа е с е поголема, а резервите на фосилни горива се намалуваат сé пове`ке и пове`ке, се наметнува потребата од нови обновливи извори на енергиjа. Во групата на обновливи извори на енергиjа можат да се стават хидроцентралите, ветерните турбини, генераторите кои работат на база на биомаса и биогориво, геотермалната енергиjа и фотоволтаиците. Секоj вид на обновлив извор на енергиjа има свои предности и недостатоци. На пример, хидроцентралите имаат потреба од големи хидроакумулации кои предизвикуваат големи промени во околината во коjа се нао`гаат. Дури и во случаj на проточна хидроцентрала, потребна е машинска зграда коjа често треба да се изгради на тешко пристапен терен. Електричната енергиjа коjа jа генерираат ветерните турбини зависи директно од брзината на ветерот. Така да, кога не дува ветер, производството на електрична енергиjа е еднакво на нула. Додека пак електричната енергиjа коjа jа генерираат фотоволтаиците зависи директно од интензитетот на сончевото зрачење. Така да, навечер воопшто немаме производство на електрична енергиjа. Но, поради фактот дека овие извори на електрична енергиjа користат ресурси кои со тек на време се обновуваат (или се практично неисцрпливи, како енергиjата коjа jа добиваме од Сонцето), тие нао`гаат сé поголема примена. Се смета дека во 2013 година околу 21.7% од електричната енергиjа во светот се добила од обновливи извори на енергиjа. 1 Дополнителен фактор е намалената емисиjа на штетни гасови (каj хидроцентралите, ветерните турбини, фотоволтаиците и геотермалните генератори). 1.1. Трендови во производството на електрична енергиjа Во голема мера обновливите извори на енергиjа претставуваат дистрибуирани извори на електрична енергиjа. Конвенционалните електрани (термоелектрани, нуклеарни електрани, поголеми хидроелектрани) претставуваат централизирани извори на електрична енергиjа. Тие обично се градат блиску до ресурсите кои ги користат, или далеку од населени места со цел да се заштити населението од загадување или од можна хавариjа. Со цел добиената електрична енергиjа да се донесе до потрошувачите, потребни се долги преносни водови 1 BP Statistical Review of World Energy June 2014 1

Вовед и дополнителни елементи за претворање на енергиjата (трансформатори). Како резултат се jавуваат загуби на енергиjа во водовите и трансформаторите. Дистрибуираните извори на електрична енергиjа обично се блиску до потрошувачите и имаат мали мо`кности (до 10MW ), што значи дека немаме големи загуби во водовите или загуби во трансформатори. Фотоволтаиците и ветерните турбини не бараат голема површина за поставување. Дополнително, фотоволтаиците работат без создавање на било каков звук, што значи дека тие можат да се постават во населени места без да предизвикуваат некакви нарушувања во животот на лу`гето. Изборот на видот на обновлив извор на енергиjа зависи од ресурсите кои ги имаме на располагање. Дали имаме голем броj на сончеви денови, силен ветер, геотермални извори, поволни хидролошки услови? Се избира наjповолниот услов и се применува соодветниот обновлив извор на енергиjа. 1.2. Зошто фотоволтаици? Фотоволтаиците имаат броjни предности во однос на другите обновливи извори на енергиjа. Наjголемата предност е достапноста на сончевата енергиjа коjа е достапна практично на целата површина на планетата. Тие имаат мали димензии, лесно се поставуваат на секакви површини и можат да се вклопат во самиот дизаjн на обjектот на коj се поставени. Бидеj`ки можат лесно да се постават на резиденциjални обjекти, загубите во преносните водови се сведени на минимум. Ако фотоволтаиците се поврзани на електричната мрежа, вишокот произведена електрична енергиjа може да се продава на дистрибутивната компаниjа. Фотоволтаиците генерираат еднонасочен напон коj може да се користи директно од еднонасочни потрошувачи без конверзиjа. Но, бидеj`ки пове`кето потрошувачи во секоjдневниот живот користат наизменично напоjување, потребен е дополнителен инвертор коj врши претворање на еднонасочниот напон во наизменичен. Дополнителен проблем е директната зависност на генерираната мо`кност од интензитетот на сончевото зрачење и температурата на фотоволтаикот. Кратко кажано, фотоволтаиците сакаат сончеви и ладни места. Колку е поголем интензитетот на сончевото зрачење и колку е пониска температурата на околината, толку пове`ке мо`кност `ке генерира фотоволтаикот. Секое наоблачување предизвикува намалување на генерираната мо`кност. Исто така, голем проблем е и фактот дека воопшто немаме производство на електрична енергиjа навечер. Фотоволтаиците доа`гаат со ознака коjа означува колку долго тие `ке работат со номиналните параметри (обично околу 20 години), после што настапува отстапување од тие номинални параметри и намалување на генерираната мо`кност. Со цел решавање на дел од проблемите кои се jавуваат во работниот век на еден фотоволтаик, развиени се одредени техники за извлекување на што е можно пове`ке енергиjа од фотоволтаиците. Првиот пристап вклучува поставување на 2

Вовед систем за следење на Сонцето. Фотоволтаиците се поставуваат на електрични мотори кои ротираат во зависност од положбата на Сонцето во текот на денот, со цел добивање на максимален интензитет на сончевото зрачење. Другиот пристап претставува систем за следење на точка на максимална мо`кност. Поме`гу фотоволтаикот и потрошувачот се поставува претворач на електрична енергиjа коj jа подесува работната точка на фотоволтаикот да одговара на неговата точка на максимална мо`кност, со што се добива систем за следење на точка на максимална мо`кност. Управувањето на овоj систем обично се врши со дигитален управувач. Постоjат пове`ке алгоритми за следење на точка на максимална мо`кност. Наjчесто употребувани се методот наруши и набљудуваj и методот на инкрементална кондуктанса. 1.3. Краток преглед на содржината Во продолжение се разгледува еден систем за следење на точка на максимална мо`кност. Тоj е составен од извор на напоjување, во случаjот се користи лабораториски генератор коj го заменува фотоволтаикот, DC/DC конвертор и мотор како потрошувач. Избран е методот наруши и набљудуваj коj е имплементиран на FPGA матрица и real-time управувач со користење на софтверскиот пакет LabVIEW. Првиот дел претставува теоретско обjаснување на сите елементи кои се опфатени со еден ваков систем. Во втората глава е даден опис на Сонцето како извор на енергиjа. Опишани се сите фактори кои влиjаат на енергиjата коjа jа добиваме на единица површина и даден е едноставен модел за пресметка на интензитетот на сончевото зрачење. Во третата глава се опишани фотоволтаиците како генератори на електрична енергиjа. Се разгледува еквивалентно електрично коло со една диода како соодветен модел на фотоволтаик коj служи за реконструкциjа на струjнонапонската карактеристика. Во четвртата глава е даден преглед на DC/DC конверторите, како и начинот на коj тие се анализираат. Опишан е начинот на коj може да се добие преносната функциjа на еден DC/DC конвертор. Во петтата глава е опишан принципот на работа на еден систем за следење на точка на максимална мо`кност. Даден е преглед на наjчесто употребуваните алгоритми. Посебно се обрнува внимание на алгоритамот наруши и набљудуваj како наjчесто употребуван алгоритам. Во вториот дел се дадени симулациите кои се изработени во текот на развивањето на системот. Во шестата глава се разгледува фотоволтаикот како извор на напоjување на системот. Се врши реконструкциjа на струjно-напонската карактеристика во LabVIEW, со што се овозможува преминување кон дизаjн на DC/DC конверторот. 3

Вовед Во седмата глава со добиените параметри од првата симулациjа се врши димензионирање на елементите на конверторот. Тоj потоа се симулира во Simulink со цел да се добие неговиот одзив и да се процени дали дизаjнот ги задоволува потребите на системот. Во третиот дел е даден опис на системот и резултатите кои се добиваат при неговата работа. Во седмата глава е опишан системот со сите вклучени елементи. Даден е краток опис за секоj елемент одделно. Опишани се и програмите кои се користат за тестирање на системот, како и програмата во коjа е имплеменитран алгоритамот за следење на точка на максимална мо`кност. Во осмата глава се опишани резултатите кои се добиваат со програмите за тестирање и програмата во коjа е имплементиран алгоритамот за следење на точка на максимална мо`кност. 4

Дел I Теоретско обjаснување Глава 2 Сончево зрачење 2.1. Вовед Во текот на постоењето на нашата планета, Сонцето претставува еден од наjголемите добротвори. Тоа го поддржува постоењето на живот пове`ке од 3500 милиони години, играj`ки важна улога во воздушните и водените струења, климатските промени, фотосинтеза и други процеси, како на пример апсорпциjата на витаминот Д во нашите тела. Откако науката ни ги докажа овие факти кои сега се дел од општото знаење, лесно е да се разбере зошто цели цивилизации jа обожавале ѕвездата во нашиот сончев систем. Сонцето никогаш не престанало да биде голема природна сила, и сега, пове`ке од било кога, треба да го цениме како такво. Ерата на парните машини, без сомнеж, донесе голем напредок во животниот стандард. Но, бидеj`ки овие машини работеле на фосилни горива - вид на гориво со ограничена количина коjа почнува да се намалува поради постоjаната побарувачка на модерниот човек. Следниот чекор изгледа доста очигледен: обновлива енергиjа. Вода, ветер, биогориво, геотермална енергиjа, сите корисни до одредена мера, но се верува дека не се доволни. Сончевата енергиjа од друга страна, би можела да биде доволна. Сонцето ослободува енергиjа околу 2800 пати поголема од енергиjата коjа е потребна да се одржи животот на земjата. Тоа што ни е потребно изгледа миниjатурно во споредба. Но како можеме да jа искористиме таа енергиjа? Оваа тема станува една од главните окупации на научниците и привлекува сé пове`ке инвеститори од целиот свет. Фотоволтаиците претставуваат одговор на ова прашање. Тие вршат претво- 5

Сончево зрачење рање на сончевата енергиjа во електрична енергиjа. При нивното поставуавње, потребно е да се обрне внимание на количината на сончева енергиjа коjа е достапна на избраната локациjа. Затоа, пресметките за интензитетот на сончевото зрачење претставуваат поjдовна точка при дизаjнирањето на еден сончев генератор. Во продолжение е дадена постапката за пресметка на сончевото зрачење на единица површина опишана во [22]. 2.2. Атмосфера на Сонцето Фотосферата е составена главно од jонизирани гасови кои постоjано се рекомбинираат со слободните електрони и има дебелина од 400km. Нивната енергиjа се пренесува во постоjан спектар на зрачење. Над фотосферата се нао`га слоj на инверзиjа со дебелина од околу 100km во коj се застапени скоро сите елементи кои ги има на земjата. Хромосферата коjа има дебелина од 2500km се состои од водород и хелиум. Заедно со слоjот на инверзиjа, хромосферата jа сочинува атмосферата на Сонцето. Короната претставува слоj коj има многу поголема температура од хромосферата и се простира далеку во сончевиот систем. Слика 2.1: Сонцето со неговата атмосфера Ако претпоставиме дека сонцето претставува црно тело, со користење на специфичната емитанса, според Штеван-Болцмановиот закон, можеме да jа одредиме специфичната температура на сончевото зрачење G sc. M(T ) = Φ A s = σt 4 s = 3.845 102 6W 6.0874 10 18 m 2 = 63.4MW m 2 (2.1) 6

Сончево зрачење Φ jа претставува вкупната мо`кност на сончевото зрачење, A s е површината на сонцето, а σ = 5.67051 10 8 W/(m 2 K 4 ) е Болцмановата константа. Од (2.1) се добива изразот за температурата на сончевото зрачење. T s = 4 M σ = 5777K (2.2) Сончевото зрачење надвор од атмосферата на Земjата се пресметува со делење на вкупната емитанса на сонцето (M A s ) со вредноста A se коjа претставува сфера со радиус R o = 1496 10 11 m, каде што r o го претставува просечното растоjание поме`гу земjата и Сонцето. Се усвоjува дека r o има вредност од една астрономска единица (1AU). G sc = M A s A se = M ( rs r o ) 2 = 63.11 ( 6.9598 10 8 1.4959789 10 18 ) 2 MW m 2 = 1367 W m 2 (2.3) G sc се нарекува сончева константа. Мо`кноста коjа jа зрачи сонцето ослабува со фактор (r s /r o ) 2 = 2.16 10 5. Спектралната емитанса G λ на тело кое емитува Слика 2.2: Растоjание ме`гу Сонцето и земjата топлинско зрачење се пресметува според Планковиот закон, како функциjа од брановата должина λ и температурата T. G λ = C 1 λ 5 (e C 2 λt 1) (2.4) C 1 = 3.7427 10 8 W/µm 4 m ( 2) и C 2 = 1.4388 10 4 µmk се константи. Само 48% од вкупното сончево зрачење е во видливиот опсег од λ = 380 780nm. Ултравиолетовото зрачење (λ < 380nm) претставува 6.4% од вкупнното зрачење, а останатите 45.6% припа`гаат на инфрацрвениот опсег. 2.3. Положба на земjата во однос на Сонцето Земjата орбитира околу Сонцето по елиптична патека. Тоа значи дека растоjанието поме`гу земjата и Сонцето се менува во зависност од моменталната положба на планетата, т.е. од годишното време. Растоjанието има минимална вредност од 0.983AU на 3 jануари, а максимална вредност од 1.017AU на 4 jули. Промената на растоjанието предизвикува промена на интензитетот на 7

Сончево зрачење Слика 2.3: Орбита на земjата зрачењето кое земjата го прима од Сонцето од околу ±3%. За даден броj на денови n, вредноста на G sc може да се пресмета со развивање на изразот во Фуриев ред. ( ) 1.000110 + 0.0304221 cos B + 0.001280 sin B G sc = (2.5) + 0.000719cos2B + 0.000077 sin 2B B = 360 n 1 365 (2.6) 2.4. Промена на зрачењето поради земjината ротациjа Покраj тоа што земjата орбитира околу Сонцето, исто така и ротира околу своjата оска коjа е наклонета за 23.45 кон нормалата на елиптичната површина коjа земjата jа опишува околу Сонцето. Аголот коj екваторот го зафа`ка со линиjата коjа jа опишува насоката на Сонцето, а со врв во центарот на земjата се нарекува деклинациjа. Овоj агол има позитивна вредност на северната хемисфера. На jужната хемисфера има негативна вредност. Дневно деклинациjата се менува занемарливо за 0.5. Може да се пресмета со развивање во Фуриев ред. ( ) 0.006918 0.39991200313 + 0.070357 sin B 0.006758 cos 2B δ = (2.7) 0.0009075 sin 2B 0.008697 cos 3B + 0.00148 sin 3B Часовниот агол ω h го опишува аголот поме`гу локалната географска должина и географската должина каj коjа Сонцето се нао`га во зенитот. Вредностa ω h = 0 значи дека Сонцето се нао`га во наjвисоката точка, т.е. на северната хемисфера, се нао`га точно на jуг. Ова одговара на вистинско локално време 8

Сончево зрачење Слика 2.4: Деклинациjа (TLT-True Local Time) од 12.00 часот. Еден сончев ден е дефиниран како промена на вредноста на ω h од 0 до 360. Со други зборови, периодот поме`гу две поминувања на Сонцето над локалниот меридиjан. Но, бидеj`ки брзината на земjата на патот околу Сонцето не е константна (кога земjата е наjблиску до Сонцето брзината е наjголема), еден ден нема константна вредост од 24h. Со цел прецизно пресметување на часовниот агол, потребна е корекциjа на локалното време за стандардната девиjациjа E t. ( ) 0.000075 + 0.001868cosB 0.032077 sin B E t = 229.2 (2.8) 0.014615cos2B 0.04849 sin 2B Бидеj`ки само географските должини во опсег до 15 од локалниот меридиjан Слика 2.5: Часовен агол имаат сопствено стандардно време, потребна е дополнителна корекциjа. За секоj степен на отстапување од локалниот меридиjан е потребна корекциjа од 4 минути. L c = 4(L zonoe L local )min (2.9) Според горенаведеното, вистинското локално време TLT се добива со одземање на E t и L c од локалното време. За локално време се зема CET (Централно- 9

Сончево зрачење Европско време). T LT = CET L c + E t = CET 1h L c + E t (2.10) За летни услови се додава корекциjа од 1h. Часовниот агол се менува за 15 на секоj час. Со користење на вредноста за вистинското локално време, се добива: ω h = (T LT 12.00h) 15 h (2.11) 2.5. Координати на хоризонтот Висината на сонцето α s и азимутот γ s се пресметуваат со користење на вредностите за деклинациjата и часовниот агол за секоjа локациjа со географска ширина φ. Азимутот е дефиниран со 0 за север, +90 за исток, +180 за jуг и 270 за запад. Висината на сонцето се одредува од хоризонталната рамнина. Комплементарниот агол на α s е аголот на зенитот θ z коj исто така претставува и агол на упад на директното сончево зрачење на хоризонтална површина. cosθ z = sin δ sin φ + cos δ cos φ cos ω = sin α s (2.12) ( ) sin 180 αs sin φ sin δ arccos T LT 12.00h cos α γ s = ( s cos φ ) sin 180 αs sin φ sin δ + arccos T LT > 12.00h cos α s cos φ (2.13) 2.6. Момент на изгревање на сонцето и должина на денот Во моментот на изгревање на сонцето cos θ z = 0, бидеj`ки θ z = 90. Од (2.12), за cos ω s следи: sin φ sin δ cos ω s = cos φ cos 2δ = tan φ tan δ (2.14) Броjот на часови во денот се пресметува преку вредноста на ω s, бидеj`ки таа се менува за 15 секоj час. Вредноста се множи со два, со цел да се земат во предвид утринските и попладневните часови. N = 2 arccos tan φ tan δ (2.15) 15 10

Сончево зрачење 2.7. Упаден агол на зраците врз површини со различен наклон Упадниот агол на директните зраци зависи од аголот β коj површината го зафа`ка со хоризонталната рамнина и азимутот γ. Вредноста се пресметува со користење на координатите на хоризонтот θ z и γ s. cos θ = cos θ z cos β + sin θ z cos γ s γ (2.16) 2.8. Поминување на зраците низ атмосферата Вонземското зрачење при поминувањето низ атмосферата ослабува дополнително поради ефектите на апсорпциjа и рефлексиjа и делумно се претвора во дифузно зрачење. Релативната воздушна маса AM низ коjа сончевото зрачење треба да помине jа дава зависноста на дебелината на слоjот од атмосферата за даден агол на зенитот d atm /cos θ z од дебелината на атмосферата во локалниот зенит d atm. d atm cos θ AM = z = 1 (2.17) d atm cos θ z Озонот ги апсорбира скоро сите зрачења со бранова должина λ < 0.29µm и Слика 2.6: Поминување на сончевите зраци низ атмосферата нешто послабо околу 0.7µm. Водената пареа изразито ги апсорбира зрачењата со бранова должина λ = 1.0; 1.4; 1.8µm. Зрачењата со бранова должина λ > 2.5µm скоро во целост се апсорбирани од jаглеродниот диоксид и водената пареа. 2.9. Пресметка на интензитетот на сончевото зрачење на одредена површина Наjедноставниот модел за пресметка на зрачењето на земjуната површина ги сумира сите ефекти кои зависат од брановата должина, во еден коефициент 11

Сончево зрачење наречен коефициент на заматеност T. За ведро небо, вонземското зрачење се намалува во зависност од воздушната маса, за агол α s, за надморска висина H. Вредноста на интензитетот на сончевото зрачење кое па`га на хоризонтална површина се пресметува според следниот израз: G v = G v0 e T (0.9+9.4sinαs)e (H/8000) (2.18) За накосени површини пресметките се вршат со фактори на корекциjа кои се наведени во табела. 2.10. Мерење на интензитетот на сончевото зрачење Алтернативен пристап претставува директното мерење на интензитетот на сончевото зрачење. Тоа се врши периодично во текот на еден ден за подолг временски период. На овоj начин се добива статистички модел на количината на сончевата енергиjа достапна на одбраната локациjа во текот на една година. Фотоволтаиците се поставуваат на начин коj овозможува максимално искористување на сончевата енергиjа во текот на денот. На сл.2.7 е прикажана вкупната сончева енергиjа коjа па`га на единица површина во текот на еден ден во зависност од годишното време. Податоците се добиени за површина со променлив наклон, со jужна ориентациjа за градот Скопjе. 1 Слика 2.7: Сончева енергиjа во kw/m 2 day за Скопjе Искористувањето на сончевата енергиjа во текот на еден ден се подобрува со систем за следење на Сонцето. Фотоволтаиците се поставуваат на електромотори кои ротираат во текот на денот во зависност од положбата на Сонцето. Дополнително може да се менува и нивниот наклон. html 1 Статистички податоци од http://solarelectricityhandbook.com/solar-irradiance. 12

Глава 3 Фотоволтаици 3.1. Вовед Фотоволтаиците се уреди кои вршат директно претворање на сончевото зрачење во електрична енергиjа. Фотоелектричниот ефект е откриен во 1839 г. од страна на Едмунд Бекерел. Во 1883 г. се опишани првите сончеви `келии изработени од селен, за потоа во текот на 20. век да се забележи голем напредок во изработката на сончевите `келии со развоjот на технологиjата за нивна изработка од полупроводнички материjали како силикон и германиум Првите `келии наменети за комерциjална употреба имале ефикасност од 2% и имале цена од 1500$/W. Биле произведени во педесеттите години. Денес постоjат модули со ефикасност од над 20% и значително пониски цени по генериран ват. Денес фотоволтаиците претставуваат популарен обновлив извор на енергиjа. Без разлика дали се користат за напоjување на индивидуални обjекти и уреди, или во вид на поголеми сончеви централи. Главна причина за нивната масовна употреба е достапноста на сончевата енергиjа на скоро секое место на површината на земjата. 3.2. Опис на фотоволтаик Основен елемент на еден фотоволтаик е сончевата `келиjа. Таа претставува споj на P и N тип полупроводнички материjали. Кога `келиjата е изложена на сончево зрачење, таа ги апсорбира фотоните, под чие деjство се создаваат слободни електрони кои под деjство на зрачењето преминуваат во N слоjот, каде што претставуваат доминантни носители на полнеж. Од овде, електроните можат да го напуштат PN споjот преку контактите. Во P слоjот тие претставуваат малцински носители и се рекомбинираат со позитивните празнини. Зголемувањето на концентрациjата на електрони во N слоjот доведува до зголемување на нивниот потенциjал, а зголемувањето на празнини предизвикува намалување на потенциjалот на празнините во P слоjот. Разликата на потенциjалите го дава напонското ниво на сончевата `келиjа. Фото струjата тече во спротивен правец од струjата на проведување на PN диода. Струjата коjа сончевите `келии jа генерираат е секогаш еднонасочна. Ефикас- 13

Фотоволтаици носта на `келиите зависи од ширината на jазот во PN споjот E gap. E gap = hc λ (3.1) h е Планковата константа, c е брзината на светлината. За повисоки вредности на jазот, се апсорбираат фотони со помали бранови должини. Струjата коjа една сончева `келиjа jа генерира е од редот на неколку ампери, а напонот е од редот на неколку стотици миливолти. Бидеj`ки напонот е многу мал, пове`ке сончеви `келии се поврзуваат редно, со што се добива низа од `келии. Во идеални услови V n = V cell n s, каде n s е броjот на `келии, а V cell е напонот на една `келиjа. Ако е потребно да се зголеми струjата, тогаш пове`ке низи се поврзуваат паралелно. I module = I string n p, n p е броjот на низи, а I string е струjата коjа jа генерира една низа. Една или пове`ке низи сочинуваат еден сончев модул. Пове`ке сончеви модули сочинуваат еден фотоволтаик. 3.3. Струjно-напонска карактеристика Струjно-напонската карактеристика на еден фотоволтаик коj работи во номинални услови е претставена на сл.3.1. Од неа можат да се извлечат три карактеристични точки: Точка на празен од, V pv = V oc, I pv = 0 Точка на куса врска, I pv = I sc, V pv = 0 Точка на максимална мо`кност I pv = I MP P, V pv = V MP P Точката на максимална мо`кност одговара на мо`кност P MP P = V MP P I MP P и е прикажана на сл.3.2. Слика 3.1: Струjно-напонска карактеристика на сончева `келиjа 14

Фотоволтаици Слика 3.2: Зависност на мо`кноста од напонот 3.4. Зависност на струjно-напонската карактеристика од температурата и интензитетот на сончевото зрачење Температурата на фотоволтаикот се пресметува според следниот израз: T = T a + NOCT 20 G (3.2) 80 NOCT (nominal operating cell temperature, нормална температура на работа на `келиjа) претставува температура коjа `келиите во еден модул jа постигнуваат при празен од, за работни услови G = 800W/m 2, T = 20 C V veter = 1m/s. Оваа вредност е дадена во каталог. T a во изразот е температурата на околината. Зависноста на фотоструjата од температурата се пресметува според следниот израз: G I ph = I ph,st C (1 + α i (T T ST C )) (3.3) G ST C I ph,st C е фотоструjата коjа `келиjата jа генерира при стандардни услови на тестирање, G ST C е интензитетот на сончевото зрачење при стандардни услови на тестирање и изнесува 1000W/m 2, α i е температурниот коефициент на струjата на куса врска и T ST C е температурата на фотоволтаикот при стандардни услови на тестирање и има вредност од 25 C. T и G се моменталните вредности на температурата и интензитетот на сончевото зрачење. Нормалните услови на тестирање се дефинирани за температура на фотоволтаикот T ST C = 25 C, интензитет на сончевото зрачење T ST C = 1000W/m 2 и воздушна маса AM = 1.5 Со намалување на интензитетот на сончевото зрачење опа`га вредноста на фото струjата. Исто така опа`га и вредноста на напонот. Од друга страна, со зголемувањето на температурата на фотоволтаикот се зголемува и фото струjата, а напонот опа`га. 15

Фотоволтаици Секое намалување на интензитетот на сончевото зрачење предизвикува намалување на максималната мо`кност коjа може да jа генерира фотоволтаикот. Истото важи и при растењето на температурата на фотоволтаикот, сл.3.3, 3.5, 3.4 и 3.6. Слика 3.3: Зависност на кривата од G Слика 3.4: Зависност на кривата од T Слика 3.5: Зависност на кривата од G 16

Фотоволтаици Слика 3.6: Зависност на кривата од T 3.5. Еквивалентен модел на фотоволтаик Ако jа погледнеме струjно-напонската карактеристика на еден фотоволтаик, можеме да заклучиме дека таа се добива со одземање на струjата на диода од некоjа константна вредност. Според ова, можеме да заклучиме дека еквивалентното коло на еден фотоволтаик `ке претставува паралелна врска на струен извор и диода. Ако моделот е совршен, тогаш се занемаруваат редната и паралелната отпорност на диодата. Во литературата се предложени два еквивалентни модели на фотоволтаик: модел со една диода и модел со две диоди [1], [2], [22]. Двата модели се дадени на сл.3.7 и сл.3.8. Слика 3.7: Еквивалентен модел со една диода Слика 3.8: Еквивалентен модел со две диоди Според првиот Кирхофов закон, струите во колото `ке бидат: I = I ph I D I P (3.4) 17

Фотоволтаици I ph е фотоструjата, I D е струjата коjа тече низ диодата, а I P е струjата коjа тече низ паралелната отпорност. Ако за I D и I p се усвоjат следните изрази: ( ) I D = I sat e V nv t 1 I P = V + IR (3.5) s R p се добива следниот израз: ( ) I = I ph I sat e V nv t 1 V + IR s (3.6) R p I sat е струjата на заситување на диодата, R s и R p се редната и паралелната отпорност на `келиjата. V t е термалниот напон и се пресметува со следниот израз: V t = kt q (3.7) k е Болцмановата константа, T е температурата на фотоволтаикот, а q е елементарен полнеж. Еквивалентниот модел со две диоди се опишува со следниот израз: ( ) ) I = I ph I sat,1 e V +IRs nv t 1 I sat,2 (e V +IRs n 2 V t 1 V + IR s (3.8) R p Струjата на заситување I sat,2 `ке биде: I sat,2 = C 2 T 5 2 e Egap 2kT (3.9) 3.6. Премин од `келиjа кон модул Ако претпоставиме дека сите `келии работат под исти услови, вредностите на напонот, струjата и отпорноста на еден модул се пресметуваат со множење на тие вредности пресметани за една `келиjа со броjот на редно и паралелно поврзани `келии. I ph,modul = n p I ph,kelija I sat,modul = n p I sat,kelija V t,modul = n s V t,kelija R s,modul = n s n p R s,kelija R p,modul = n s n p R p,kelija (3.10) На сл.3.9 е прикажана струjно-напонската карактеристика на еден модул. Кривата е добиена со множење на вредностите на струjата и напонот со броjот на 18

Фотоволтаици паралелни низи, n p и броjот на редно поврзани `келии, n s соодветно. Со множење на вредностите за напонот и струjата се добива мо`кноста на фотоволтаикот, сл.3.10. Слика 3.9: Струjно-напонска карактеристика на фотоволтаик Слика 3.10: Зависност на мо`кноста од напонот 3.7. Пресметка на параметри на фотоволтаик со користење на вредности од каталог Фотоволтаикот може да се опише со следните параметри: Фотоструjа I ph Струjа на заситување I sat Коефициент на идеалност на диодата n 19

Фотоволтаици Редна отпорност R s Паралелна отпорност R p Во каталог, со користење на трите карактеристични точки од струjно-напонската карактеристика на фотоволтаикот се наведени следните вредности: Струjа на куса врска I sc Напон на празен од V oc Струjа во точката на максимална мо`кност I MP P Напон во точката на максимална мо`кност V MP P Температурен коефициент на струjата на куса врска α i Температурен коефициент на напонот на празен од α v Броjот на редно поврзани `келии n s Броjот на паралелно поврзани `келии n p Номиналната температура на рабоа на сончевите `келии во разгледуваниот фотоволтаик N OCT Се користи постапката за пресметка на параметрите на фотоволтаик дадена во [1]. Се поа`га од претпоставката дека R p со што се поедноставува изразот за еквивалентното коло на сончевата `келиjа и се намалува броjот на непознати вредности. Бидеj`ки можеме да ги пресметаме параметрите само за една `келиjа, потоа напоните се делат со броjот на редно поврзани `келии, а струите се делат со броjот на паралелно поврзани низи. ( ) I pv = I ph,st C I sat,st C e V +IRs nv t 1 (3.11) Од режимот на куса врска може да се усвои дека I ph,st C I sc (3.12) Оваа претпоставка важи бидеj`ки вредноста на фотоструjата е многу поголема од вредноста на струjата на заситување. Потоа се пресметува факторот на идеалност на диодата n. n = n s V t,st C ( α v V oc,st C T ST C α i I ph,st C 3 T ST C ) (3.13) Egap ktst 2 C 20

Фотоволтаици Струjата на заситување се пресметува од режимот на празен од, I pv = 0 I sat,st C I ph,st C e V oc,st C nnsv t,st C (3.14) Откако `ке jа одредиме струjата на заситување за стандардни услови на тестирање, можеме да го одредиме температурниот коефициент на струjата на заситување C со коj потоа можеме да jа пресметуваме струjата на заситување за различни температурни услови. C = I sat,st C T 3 stce ( Egap/kT ST C) (3.15) I sat = CT 3 e Egap kt (3.16) Редната отпорност на `келиjата се пресметува со користење на вредностите за струjата и напонот во точката на максимална мо`кност. ( ) n s nv t,st C ln 1 I MP P,ST C I ph,st C + V oc,st C V MP P,ST C R s = (3.17) I MP P,ST C Откако `ке ги изведеме сите изрази за пресметка на параметрите, можеме да преминеме кон нивна пресметка со користење на податоци за реален фотоволтаик. 21

Глава 4 DC/DC конвертори 4.1. Вовед DC/DC конверторите претставуваат прекинувачки кола кои се користат кога е потребно напоjување на променливо оптоварување со постоjан еднонасочен напон од променлив извор на еднонасочен напон, или кога ни се потребни пове`ке напонски нивоа. Тие се состоjат од неколку елементи за складирање на енергиjа кои се користат при работењето на конверторот и од прекинувачки елемент (обично некоj полупроводнички елемент како BJT, FET, MOSFET, IGBT). DC/DC конверторите работат со висока фреквенциjа на прекинување f s и имаат голема ефикасност (од над 95%). Улоги на DC/DC конверторите [17] (с. 249): претворање на еднонасочен напон V s на влез во еднонасочен напон V o на излез регулирање на еднонасочен излезен напон при промена на оптоварувањето намалување на бранувањето на напонот на излез под некое барано ниво обезбедување на галванска изолациjа поме`гу изворот на напон и потрошувачот (со користење на конвертор со трансформатор) заштита на изворот и напоjуваниот систем од електромагнетни пречки задоволување на разни безбедносни стандарди Излезниот напон на конверторот во зависи од работниот циклус D. Работниот циклус зависи од должината на временскиот интервал во коj прекинувачот е вклучен T ON. Ако вкупниот период е T, тогаш работниот циклус се пресметува според следниот израз: D = T ON T (4.1) 22

DC/DC конвертори 4.2. Управување на DC/DC конверторите Импулсно-ширинската модулациjа претставува еден начин на управување на DC/DC конверторите. Сите DC/DC конвертори содржат прекинувачки елемент коj се вклучува и исклучува постоjано. Со генерирање на правоаголни импулси со фреквенциjа f s и работен циклус D се регулира во колкав дел од периодот T = 1/f s прекинувачот е вклучен. Напонот на излез зависи директно од работниот циклус. Управувањето се врши со носечки сигнал коj се споредува со некоjа константна вредност. Носечкиот сигнал обично има триаголен или пилест бранов облик. Со споредба на носечкиот сигнал со константната вредност се добива низа од импулси со кои наизменично се вклучува и исклучува прекинувачкиот елемент. Носечкиот сигнал може да биде аналоген или дигитален, со што се добиваат два вида на импулсно-ширинска модулациjа. Аналогна и дигитална. Во случаj на аналогна импулсно-ширинска модулациjа, носечкиот сигнал претставува аналоген сигнал со триаголен или пилест бранов облик, со фреквенциjа f и амплитуда A. Со споредба на овоj сигнал со напонот на еднонасочен напонски извор ги добиваме импулсите со ширина коjа зависи од вредноста на овоj напон. Во случаj на дигитална импулсно-ширинска модулациjа носечкиот сигнал се генерира со помош на броjач коj брои постоjано од 0 до некоjа гранична вредност. Потоа во зависност од тоа дали се бара триаголен или пилест облик на сигналот, брои до 0 или неговата вредност се поставува директно на 0. Фреквенциjата на сигналот се пресметува според следниот израз: f pilest = f µc N f triagolen = f µc 2N (4.2) На сл.4.1 е даден пилест сигнал заедно со вредноста со коjа го споредуваме. На сл.4.2, 4.3 и 4.4 е дадена импулсно-ширинската модулациjа за три различни вредности на работниот циклус. Слика 4.1: Пилест сигнал 23

DC/DC конвертори Слика 4.2: D=0.25 Слика 4.3: D=0.5 Слика 4.4: D=0.75 f pilest е феквенциjата на пилест сигнал, f triagolen е фреквенциjата на триаголен сигнал. N jа претставува горната граница до коjа брои броjачот а f µc е фреквенциjата (клокот) на микроконтролерот коj го употребуваме за генерирање на сигналот. Фреквенциjата на носечиот сигнал исто така е и фреквенциjа на импулсно-ширинската модулациjа. Ако носечкиот сигнал е триаголен, сл.4.5, тогаш имаме двострана споредба. Еднаш при броење нагоре и еднаш при броење надолу. Со ова се овозможува генерирање на два комплементарни управувачки сигнали. Каj пилестиот сигнал постои само една споредба, кога броjачот брои нагоре. Кога вредноста на носечкиот сигнал се ресетира на 0, тогаш се менува и вредноста на низата на импулси. 24

DC/DC конвертори Слика 4.5: Триаголен сигнал Периодот T има вредност T = T ON + T OF F. T ON е времето во кое прекинувачот е вклучен, T OF F е времето во кое прекинувачот е исклучен. 4.3. DC/DC чопер Основни DC/DC конвертори се DC/DC чоперите. Излезниот напон се менува со подесување на T ON на прекинувачкиот елемент. DC/DC чоперите кои содржат дополнителни елементи за филтрирање се нарекуваат DC/DC конвертори. На сл.4.6(а) е прикажан DC/DC чопер. (а) (б) Слика 4.6: DC/DC чопер (a) електрично коло б) изглед на напонот 4.4. Основни топологии на DC/DC конвертори На сл.4.7 се прикажани трите основни топологии на DC/DC конвертори: buck (снижувач на напон), boost (повишувач на напон) и buck-boost коj може да работи и како снижувач и како повишувач на напон. 25

DC/DC конвертори (а) (б) (в) Слика 4.7: (a) Buck конвертор б) Boost конвертор в) Buck-boost конвертор Преносниот однос на влезниот и излезниот напон за секоj од основните видови на DC/DC конвертори `ке биде: Buck : (V s V o )DT = V o (1 D)T, M v = V o = D V s Boost : V s DT = (V o V s )(1 D)T, M v = V o = 1 V s 1 D Buck boost : V s DT = V o (1 D)T, M v = V o = D V s 1 D (4.3) 4.5. Чук конвертор Чук конверторот работи и како снижувач (buck конвертор) и како повишувач (boost конвертор) на напон. Колото се состои од извор, два калеми и кондензатори, диода и потрошувач, сл.4.8(а). Преносниот однос на влезниот и излезниот напон M е даден со изразот: V L1 = (V s + (1 D)V c ), V c = V o ( D V L1 = V s + (1 D) V ) o = 0 D V o = D V s 1 D (4.4) Негативниот знак на M значи дека напонот на излез е инвертиран. Чук конверторот обезбедува постоjана струjа на влез и излез, но содржи голем броj на реактивни компоненти. Исто така, постои големо струjно оптоварување на прекинувачкиот елемент, диодата и кондензаторот C 1. Кога прекинувачот е 26

DC/DC конвертори (а) (б) c Слика 4.8: Чук конвертор a) електрично коло б) диjаграм на струjата и напонот исклучен, сл.4.9(а), изворот го полни кондензаторот C 1 преку калемот L 1. Кога прекинувачот е вклучен, сл.4.9(б), C 1 jа префрла складираната енергиjа на излезниот кондензатор C 2 преку калемот L 2. Промената на напонот и струjата е прикажана на сл.4.8(б). Со цел да се обезбеди функционирање во континуиран режим на проведу- (а) (б) Слика 4.9: (a) S-OFF б) S-ON вање, калемите треба да имаат индуктивности поголеми од L min1 и L min2. Ако е задоволен овоj услов, струjата секогаш `ке има вредност поголема од нула. L min1 = (1 D)2 R 2Df s L min2 = (1 D)R 2f s (4.5) Бранувањето на напонот се ограничува во бараните граници ако кондензаторите имаат капацитивности поголеми од C min1 и C min2. C min1 = D2 2R s f C min 2 = (1 D)V o 8V r L 2 f 2 s (4.6) Последното ограничување при дизаjнирањето на Чук конверторот е изборот на прекинувачкиот елемент. Тоj се избира во зависност од фреквенциjата на прекинување f s и струjното оптоварување. 27

Глава 5 Следење на точка на максимална мо`кност 5.1. Вовед Промената на работните услови, како и стареењето на фотоволтаиците предизвикува поместување на точката на максимална мо`кност во доста широк опсег. Дополнителен проблем настанува при директна врска на фотоволтаик со потрошувач. Ова е наjедноставен пристап при користење на фотоволтаиците, но од енергетска гледна точка, претставува доста лош избор, бидеj`ки во овоj случаj работната точка на фотоволтаикот нема никогаш да се поклопува со точката на максимална мо`кност, што значи дека не jа искористуваме вкупната мо`кност коjа jа генерира фотоволтаикот. Од оваа причина потребен е систем коj `ке ни овозможи максимално искористување на мо`кноста коjа jа добиваме од фотоволтаикот. 5.2. Директна врска на фотоволтаик со потрошувач Да претпоставиме дека фотоволтаикот е директно поврзан со омски потрошувач. Пресекот на I-V кривата на фотоволтаикот со карактеристиката на отпорникот (линиjа со агол tan φ = 1/R) jа дава работната точка на фотоволтаикот. Оваа работна точка скоро никогаш не се поклопува со точката на максимална мо`кност, што значи дека фотоволтаикот не е искористен максимално. Фотоволтаикот има т.н. идеална отпорност коjа се пресметува според следниот израз: R MP P = V MP P I MP P (5.1) Колку отпорноста на потрошувачот е поблиска до R MP P, толку `ке биде поголема искористеноста на мо`кноста коjа jа генерира фотоволтаикот. Истото важи и кога фотоволтаикот се користи како полнач на батериjа. Кога е поврзан директно со батериjата, тоj работи под константен напон. Поради променливите работни услови, напонот во точката на максимална мо`кност на фотоволтаикот скоро никогаш нема да биде еднаков со напонот на батериjата. Дополнително, ако напонот на батериjата е поголем од напонот на празен од на фотоволтаикот, тогаш воопшто нема да има проток на енергиjа кон батериjата [1] (с. 35). За фотоволтаикот да работи како полнач потребно е напонот коj го генерира да биде повисок од напонот на батериjата. Колку тоj напон 28

Следење на точка на максимална мо`кност е поблизок до напонот во точката на максимална мо`кност V MP P, толку `ке е поголема мо`кноста коjа jа генерира фотоволтаикот. Со цел зголемување на искористеноста на мо`кноста коjа jа генерира фотоволтаикот, потребно е да се додаде елемент коj `ке врши поместување на работната точка кон точката на максималма мо`кност. Употребата на линеарни регулатори е ограничена поради нивната мала енергетска ефикасност. Како погодно решение се земаат прекинувачките конвертори (DC/DC конвертори и DC/AC инвертори). Со цел ефектите на конверторот во систем за следење на точка на максимална мо`кност да биде забележлив, потребна е ефикасност од наjмалку 95%. Следењето на точката на максимална мо`кност се врши со подесување на влезниот напон или струjа на конверторот со цел да се обезбеди постоjан нампон (или струjа) на излез. Ова се постигнува со постоjано менување на работниот циклус на конверторот, со помош на управувач. Слика 5.1: Систем за следење на точка на максимална мо`кност 5.3. Алгоритми за следење на точката на максимална мо`кност Постоjат пове`ке алгоритми за следење на точка на максимална мо`кност. Наjчесто употребувани алгоритми се "наруши и набљудуваj"и алгоритамот на "инкрементална кондуктанса". Од овие два алгоритми поголема практична примена има алгоритамот "наруши и набљудуваj". Управувањето воглавно се врши дигитално. Постоjат системи со аналогни управувачи, но нивната примена е ограничена поради недостатокот на адаптивност и флексибилност, како и отстапувањето од почетните параметри поради стареење на елементите. Дигиталните управувачи со нивната адаптивност и флекси- 29

Следење на точка на максимална мо`кност билност претставуваат пекономично решение. Бидеj`ки интензитетот на сончевото зрачење се менува доста бавно, брзината на управувачот не е од голема важност. Ова значи дека може да избереме доста ефтин микроконтролер, со што се намалува вкупната цена на чинење на системот за следење на точката на максимална мо`кност. 5.3.1 Алгоритам наруши и набљудуваj Овоj алгоритам е наjчесто употребуван алгоритам за следење на точка на максимална мо`кност. Во основа, претставува внесување на мало нарушување во системот и набљудување на реакциjата на системот на ова нарушување. На сл.5.2 е прикажан изгледот на овоj алгоритам. Концептот е следниот: работната точка на фотоволтаикот се нарушува периодично со менување на напонот на приклучоците на фотоволтаикот. Управувачот jа споредува мо`кноста пред нарушувањето со мо`кноста по нарушувањето. Ако по нарушувањето мо`кноста се зголемила, тогаш работната точка се доближила до точката на максимална мо`кност и следното нарушување `ке го има истиот знак како и претходното. Ако мо`кноста се намалила, тогаш работната точка се оддалечила од точката на максимална мо`кност и следното нарушување `ке има спротивен знак од претходното. Равенката коjа го опишува системот е: x ((k+1)tp) = x (ktp) ± x = x (ktp) + (x (ktp) x ((k+1)tp) sign(p (ktp) P ((k 1)Tp) (5.2) x е величината коjа се нарушува (каj DC/DC конвертор x е работниот циклус), T p е времето поме`гу две нарушувања, или период на нарушување, x е амплитудата на нарушувањето, а P е мо`кноста коjа jа добиваме од фотоволтаикот. Според [1] минималниот броj на чекори при коj се обезбедува периодично осцилирање на работната точка околу точката на максимална мо`кност е три. Ова одговара на амплитуда од 2 x од врв то врв, со период T = 4T p. Секоj дополнителен чекор во лево или десно резултира со поместување на работната точка подалеку од точката на максимална мо`кност. Без разлика на вредноста на x, системот `ке биде стабилен ако периодот на нарушување T p се избере правилно. Ако T p има премногу мала вредност, тогаш управувачот може да ги регистрира осцилациите кои се jавуваат во системот при промена на работниот циклус на конверторот како промена на мо`кноста на фотоволтаикот и системот нема да биде стабилен. Може да се каже дека во овоj случаj управувачот `ке биде "збунет". Ако пак периодот на нарушување T p има премногу голема вредност, тогаш системот нема да може да реагира доволно брзо на промената на работните услови. Како последица на ова доа`га до намалување на ефикасноста. Пресметка на периодот на нарушување Како што беше наведено, управувачот мора да чека одредено време поме`гу две нарушувања. Причина за ова се осцилациите кои се jавуваат во систе- 30

Следење на точка на максимална мо`кност Слика 5.2: Алгоритам "наруши и набљудуваj" мот при промена на работниот циклус на конверторот. Минималната вредност на периодот на нарушување се одредува според изразот за времето на стабилизирање на конверторот T s ettling. T settling = ln(0.02), T p > T settling, T p > ln(0.02) (5.3) ξω n ξω n ω n е природната фреквенциjа на конверторот, а ξ е факторот на пригушување на конверторот. Природната фреквенциjа за четирите основни видови на DC/DC конвертори се одредува според следните изрази: ω n = 1 LC 1 ω n = C1 (L 1 L 2 ) (5.4) Во случаj на променливи услови на работа, времето на стабилизирање се пресметува за секоj одделен услов на работа. Периодот на нарушување се одбира да има вредност поголема од налошиот можен случаj, т.е. наjголемата вредност на T settling. 31

Следење на точка на максимална мо`кност Избор на вредноста на нарушувањето Нарушувањето се избира така да се постигне промена на напонот поголема од V r. Ако вредноста на d е премала, тогаш управувачот нема да може да регистрира некоjа значаjна промена на работната точка и алгоритамот нема да може да работи правилно. 32

Дел II Симулации Глава 6 Симулациjа на фотоволтаик Откако `ке се добиjат податоци за интензитетот на сончевото зрачење на одбраната локациjа, се преминува на анализа на фотоволтаикот како извор на напоjување. Пред да го дизаjнираме DC/DC конверторот, потребно е да знаеме колкави струjни и напонски нивоа `ке се jават во системот, со цел да можеме правилно да ги димензионираме сите елементи во конверторот. 6.1. Програма за симулациjа на фотоволтаик Програмата jа следи постапката опишана во глава 3. Прво се пресметуваат параметрите на фотоволтаикот. Потоа тие параметри се вметнуваат во изразот за струjата на фотоволтаикот и равенката се решава за сите вредности на напонот од 0 до V oc. Добиените вредности се исцртуваат во диjаграм. Програмата може да симулира поединечни `келии и цели модули кои работат под исти услови. Блок диjаграмот на програмата е даден на сл.6.5. Во програмата се додадени две дополнителни опции. Првата овозможува нао`гање на точката на максимална мо`кност за дадени параметри и работни услови. Блок диjаграмот на оваа подрутина е дадена на сл.6.6. Постоjано се врши споредување на моменталната вредност на мо`кноста со вредноста од претходната итерациjа. Ако моменталната вредност е поголема, тогаш таа `ке претставува нова вредност на максималната мо`кност, т.е. новите вредности на струjата I MP P и напонот V MP P во точката на максимална мо`кност кои се множат, со што се добива мо`кноста во точката на максимална мо`кност. Ако моменталната вредност на мо`кноста е помала од претходната вредност, тогаш струjата I MP P 33

Симулациjа на фотоволтаик и напонот V MP P ги задржуваат претходните вредности. Втората можност е симулациjа на фотоволтаикот за пет различни работни услови. Блок диjаграмот на програмата е даден на сл.6.7. Во зависност од тоа коjа опциjа е одбрана, програмата jа исцртува карактеристиката на фотоволтаикот за пет вредности на интензитетот на сончевото зрачење G или за пет вредности на температурата на фотоволтаикот T. Ако равенката за струjата на фотоволтаикот се реши за само една вредност на напонот, тогаш можеме да jа добиеме неговата работна точка во зависност од оптоварувањето. 6.2. Тестирање на програмата за симулациjа на фотоволтаик Со цел да се изврши проверка на програмата, се анализира реален модел на фотоволтаик. На сл.6.1(а) се дадени податоците од каталог за фотоволтаикот коj го анализираме. Програмата ги пресметува параметрите кои се прикажани на сл.6.1(б). Добиените параметри се користат за реконструкциjа на струjно-напонската крива на фотоволтаикот, а потоа и за исцртување на зависноста на мо`кноста од напонот. (а) (б) Слика 6.1: (a) Податоци од каталог, б) Пресметани параметри Извршени се пресметки за пет различни вредности на температурата (25 C, 35 C, 45 C, 55 C и 65 C) и интензитетот на сончевото зрачење (1000W/m 2, 800W/m 2, 600W/m 2, 400W/m 2 и 200W/m 2 ). На сл.6.2(а) е прикажана струjнонапонската карактеристика на фотоволтаикот за различни вредности на температурата, а на сл.6.2(б) е прикажана струjно-напонската карактеристика на фотоволтаикот за петте различни вредности на интензитетот на сончевото зрачење. 34

Симулациjа на фотоволтаик (а) (б) Слика 6.2: (a) Зависност на IV карактеристиката од температурата, б) Зависност на IV карактеристиката од сончевото зрачење На сл.6.3(а) е прикажана зависноста на мо`кноста од напонот за петте различни вредности на температурата. На сл.6.3(б) е прикажана зависноста на мо`кноста од напонот за петте различни вредности на интензитетот на сончевото зрачење. 35

Симулациjа на фотоволтаик (а) (б) Слика 6.3: (a) Зависност на PV карактеристиката од температурата, б) Зависност на PV карактеристиката од сончевото зрачење За споредба е земена струjно-напонската карактеристика на фотоволтаикот дадена на страната на производителот, сл.6.4. 1 Слика 6.4: Струjно-напонска карактеристика на фотоволтаикот дадена од производител 1 Модел на фотоволтаик Sunpower E20/333 http://http://www.sunpowercorp.co.uk/ 36

6.3. Алгоритми на програмите за симулациjа на фотоволтаик Симулациjа на фотоволтаик 37 Слика 6.5: Блок диjаграм на програмата за симулациjа на фотоволтаик

Симулациjа на фотоволтаик Слика 6.6: Блок диjаграм на подрутината за нао`гање на точка на максимална мо`кност 38

Симулациjа на фотоволтаик 39 Слика 6.7: Блок диjаграм на програмата за симулациjа на фотоволтаик со можност за пресметка во пове`ке работни услови

Глава 7 Симулациjа на Чук конвертор Откако `ке добиеме доволно информации за фотоволтаикот од извршените симулации, можеме да преминеме кон дизаjнирање на DC/DC конверторот. Во зависност од струjата и напонот кои ги генерира фотоволтаикот се пресметуваат вредностите на L 1, L 2 и C 1. Во овоj проект се користи Чук конвертор со IGBT модел IRG4PC30FDPbF. Од податоците за транзисторот дадени во каталог, може да се одреди максималната фреквенциjа на импулсно-ширинската модулациjа, f = 1 5kHz. Се избира фреквенциjа f s = 2kHz. Потоа потребно е да се пресметаат компонентите L 1, L 2 и C 1 според формулите (4.5) и (4.6). За работен циклус D од 50%, фреквенциjа f s од 2kHz, потрошувач R со отпорност од околу 10Ω, влезен напон V in = 8V и бранување на напонот V r од 0.2V се добива: L min1 = (1 D)2 R 2Df = 2.5mH (7.1) L min2 = (1 D)R 2f = 1.25mH (7.2) C min1 = D2 2Rf = 6.25µF (7.3) C min2 = (1 D)V o 8V r L 2 f 2 = 78.125µF (7.4) Според пресметките се избираат калемите и кондензаторите за конверторот. L 1 = 10mH, L 2 = 10mH, C 1 = 16µF, C 2 = 150µF. На сл.7.1 е даден диjаграмот на симулациjата на конверторот во NI Multisim. Колото се внесува во LabVIEW како екстерен модел и се врши мерење на струите и напоните. Целта на симулациjата е да се потврдат пресметките за компонентите и да се одреди приближно колкаво е времето на стабилизирање на конверторот, со цел да се одреди времето на чекање на алгоритамот за следење на точката на максимална мо`кност. Чук конверторот се возбудува со единечна отскочна функциjа. Од добиениот одзив може да се одреди коjа е минималната вредност на времето на чекање. На сл.7.2, 7.3 и 7.4 се дадени диjаграмите на напоните и струите за единечен отскочен сигнал на влез на конверторот. Од графиците приближно може да се одреди времето на стабилизирање T settling 90ms. Следи дека времето на чекање на алгоритамот за следење на точката на максимална мо`кност T p не смее да биде поголемо од 90ms. 40

Симулациjа на Чук конвертор Слика 7.1: Симулациjа на Чук конвертор Слика 7.2: Влезен напон Слика 7.3: Излезен напон 41

Симулациjа на Чук конвертор Слика 7.4: Влезна и излезна струjа 42

Дел III Тестирање на реален систем Глава 8 Систем за следење на точка на максимална мо`кност Системот за следење на точка на максимална мо`кност е составен од хардверски дел и од програмски дел. Хардверскиот дел ги содржи сите електрични елементи, елементи за управување и сензори. Програмскиот дел го содржи алгоритамот за управување, како и програмите за тестирање на системот. 8.1. Хардверски дел На сл.8.1 е прикажан блок диjаграмот на системот во коj се опишани врските поме`гу компонентите. Системот се состои од: Три напоjувања 0 30V еднонасочно напоjување за NI sbrio9632 0 30V еднонасочно напоjување за NI9474 0 24V еднонасочно напоjување за потрошувачот Развоjна плоча NI sbrio 9632 со два модули Универзален аналоген влез NI9219 Дигитален излез NI9474 Шмитов тригер 43

Систем за следење на точка на максимална мо`кност Слика 8.1: Блок диjаграм на систем за следење на точка на максимална мо`кност Чук конвертор Потрошувач На сл.8.2 е прикажан системот коj се користи за следење на точка на максимална мо`кност. 8.1.1 Напоjувања Се користат три лабораториски генератори на еднонасочен напон. Напоjувањето V in се користи за симулирање на фотоволтаикот. Редно на него се поврзува жичан отпорник со мала отпорност, со што се добива карактеристика слична на таа на фотоволтаик коj е загреан на температура од околу 80. На кривата се претставени трите карактеристични точки кои ги имаат фотоволтаиците: режим на куса врска (I = I sc, V = 0), режим на празен од (V = V oc, I = 0) и точката на максимална мо`кност (V = V MP P, I = I MP P ). Точката на максимална мо`кност се нао`га во средината на струjно-напонската карактеристика на изворот. 8.1.2 NI sbrio 9632 NI sbrio 9632 развоjната плоча има вграден real-time процесор, Xilinx Spartan FPGA чип и три портови за влезно-излезни модули. Управувањето на 44

Систем за следење на точка на максимална мок ност Слика 8.2: Изглед на системот за следење на точка на максимална мок ност целиот систем се врши со FPGA чипот и real-time процесорот. FPGA чипот се користи за генерирање на импулсно-ширинската модулациjа преку NI9474 модулот. Повратната врска се остварува преку NI9219 модулот коj ги мери влезната струjа Iin и влезниот напон Vin. Агоритамот за следење на точката на максимална мок ност се имплементира преку real-time процесорот. 8.2. Шмитов тригер NI9474 модулот има вградена капацитивност коjа предизвикува мало закривување на импулсите на опаг ачкиот раб на излезниот сигнал. Како последица може да доjде до оштетување на прекинувачкиот елемент. Со цел да се отстрани влиjанието на капацитивноста, во системот се додава Шмитов тригер. Со него се постигнува исправување на растечкиот и опаг ачкиот раб на излезниот сигнал од NI9474. Колото на Шмитовиот тригер реализирано со 555 броjач е дадено на сл.8.4. На сл.8.5 е даден изгледот на сигналот на влез и на излез од Шмитовиот тригер. Првиот сигнал (канал 1) е излезниот сигнал од NI9474, а вториот сигнал (канал 2) е излезниот сигнал од Шмитовиот тригер. Покраj исправувањето на сигналот, Шмитовиот тригер исто така врши и негово комплементирање. 45

Систем за следење на точка на максимална мо`кност Слика 8.3: Струjно-напонска карактеристика на изворот Слика 8.4: Шмитов тригер 8.2.1 Чук конвертор Чуковиот конвертор го претставува непосредниот елемент коj се поставува поме`гу фотоволтаикот и потрошувачот. Со него се овозможува поместување на работната точка на фотоволтаикот. На сл.8.6 е прикажан Чук конверторот како дел од системот со соодветните компонетни. 8.2.2 Потрошувач Потрошувачот коj е приклучен на системот е еднонасочен серво мотор со напонски опсег од 0 до 24V. 46

Систем за следење на точка на максимална мок ност Слика 8.5: Импулсно ширинска модулациjа пред и после Шмитов тригер 8.3. Програмски дел Програмскиот дел се состои од три дела: Генерирање на импулсно-ширинска модулациjа Потпрограми за тестирање Програма за тестирање на системот Програма за наог ање на точката на максимална мок ност Програма за следење на точката на максимална мок ност 8.3.1 Импулсно-ширинска модуалциjа Блок диjаграмот на програмскиот дел коj се користи за генерирање на импулсно-ширинска модулациjа е даден на сл.8.9. Програмата генерира триаголен сигнал коj го претставува носечкиот сигнал за импулсно-ширинската модулациjа. Се внесува вредноста на работниот циклус и потоа се врши споредба со моменталната вредност на броjачот коj го генерира триаголниот сигнал. Вредноста на работниот циклус се споредува со две 47

Систем за следење на точка на максимална мок ност Слика 8.6: Изглед на Чук конверторот вредности, со што се добиваат две комплементарни низи од импулси. Блок диjаграмот на подрутината за генерирање на триаголен сигнал е дадена на сл.8.10. Во подрутината се врши постоjано инкрементирање на броjачот од нула до зададена горна граница и негово декрементирање од горната граница до нула. На овоj начин се добива дигитален триаголен сигнал. Фреквенциjата на триаголниот сигнал зависи од горната граница и фреквенциjата на FPGA чипот. Во случаjот, броjачот брои од 0 до 999. Ова одговара на две илjади вредности. За фреквенциjа на FPGA чипот од 40M Hz се добива: ftriagolen = 40 106 fµc = = 2kHz 2N 2 1000 (8.1) N во формулата е горната граница на броjачот. Фреквенциjата на носечкиот сигнал е исто така и фреквенциjа на импулсно-ширинската модулациjа. Подрутината го инкрементира броjачот i се додека не се достигне горната граница. Кога к е се случи тоа, броjачот се декрементира се додека вредноста не доjде до нула. Постапката се повторува постоjано. 48

Систем за следење на точка на максимална мок ност Слика 8.7: Серво мотор 8.3.2 Програми за тестирање Потпрограма за тестирање на системот Оваа потпрограма служи за тестирање на функционирањето на системот. Се тестира дали прецизно се мерат двата напони V1 и V2, се пресметуваат струjата и мок носта и се внесува вредност за работниот циклус. Слика 8.8: Блок диjаграм на програмата за тестирање на системот Потпрограма за наог ање на точката на максимална мок ност Оваа потпрограма го менува работниот циклус од 0 до 100% и следи како се менува мок носта. Блок диjаграмот на програмата е даден на сл.8.11. 49

Систем за следење на точка на максимална мо`кност Ако новата вредност на мо`кноста е поголема од претходната, тогаш новата вредност се запишува како максимална мо`кност. Исто така, моменталната вредност на работниот циклус би претставувала вредност при коjа се добива максимална мо`кност. Ако новата вредност на мо`кноста е помала од претходната, тогаш максималната мо`кност и работниот циклус при коj се добива таа мо`кност ги задржуваат претходните вредности. 8.3.3 Програма за следење на точката на максимална мо`кност Алгоритамот на оваа програма одговара на алгоритамот за следење на точка на максимална мо`кност со методот наруши и набљудуваj од сл.5.2. Во системот се внесува мало нарушување со период на нарушување T d elay, во вид на промена на работниот циклус на Чук конверторот. Се споредува вредноста на мо`кноста пред и после нарушувањето. Ако новата вредност на мо`кноста е поголема од претходната, тогаш сме се приближиле кон точката на максимална мо`кност и следното нарушување `ке го има истиот знак како и претходното. Ако новата вредност на мо`кноста е помала од претходната, тогаш сме се оддалечиле од точката на максимална мо`кност и следното нарушување `ке има спротивен знак од претходното. 50

Систем за следење на точка на максимална мо`кност 8.3.4 Алгоритми на програмите за тестирање и управување на системот Слика 8.9: Генерирање на импулсно-ширинска модулациjа 51

Систем за следење на точка на максимална мо`кност Слика 8.10: Генерирање на триаголен сигнал 52

Систем за следење на точка на максимална мо`кност Слика 8.11: Блок диjаграм на програмата за нао`гање на точката на максимална мо`кност 53

Глава 9 Резултати од мерења Во продолжение се дадени резултатите добиени со тестирање на системот. Алгоритамот за следење на точката на максимална мо`кност се тестира со еднонасочен извор на напон коj го симулира фотоволтаикот и еднонасочен серво мотор како потрошувач. 9.1. Измерени вредности за различни вредности на работниот циклус Извршени се мерења на напоните V 1 и V 2 за четири вредности на работниот циклус. V 1 го претставува влезниот напон V in. (а) (б) (в) Слика 9.1: D = 25% (a) напон, б) струjа в), мо`кност (а) (б) (в) Слика 9.2: D = 50% (a) напон, б) струjа в), мо`кност 54

Резултати од мерења (а) (б) (в) Слика 9.3: D = 75% (a) напон, б) струjа в), мо`кност (а) (б) (в) Слика 9.4: D D max (a) напон, б) струjа в), мо`кност Со одземање на двете вредности се добива вредноста на струjата I in. Со множење на V in со I in се добива мо`кноста P in. D = 25%, сл.9.1, D = 50%, сл.9.2, D = 75%, сл.9.3 и D = D max, сл.9.4. 9.2. Нао`гање на точката на максимална мо`кност За влезен напон од 12V, работниот циклус се зголемува од 20% до 90%. На сл,9.5 може да се види како се менува мо`кноста во зависност од работниот циклус, како и точката на максимална мо`кност. Од овоj график можеме да jа одредиме максималната мо`кност, како и вредноста на работниот циклус при коjа се добива оваа вредност за мо`кноста. Слика 9.5: Нао`гање на точката на максимална мо`кност 55

Резултати од мерења 9.3. Следење на точка на максимална мо`кност Извршени се две мерења. Прво делот за следење на точката на максимална мо`кност е исклучен. Работниот циклус се поставува на D = 50% со што се симулира директна врска на потрошувач со напоjување. На сл.9.6 е прикажана мо`кноста добиена со првото мерење. Слика 9.6: Измерена мо`кност од прво мерење За второто мерење се вклучува делот за следење на точката на максимална мо`кност. Работниот циклус се поставува на D = 0. Во системот се внесува нарушување и се следи како се менува мо`кноста. После одредено време се постигнува точката на максимална мо`кност и работната точка осцилира околу неа со одредени мали осцилации. На сл.9.7 е прикажано како работната точка осцилира околу точката на максимална мо`кност. На сл.9.8 е прикажана промената на работниот циклус во зависност од времето. Слика 9.7: Измерена мо`кност од второ мерење 56

Резултати од мерења Слика 9.8: Приказ на промената на работниот циклус 57

Глава 10 Заклучок Проектирањето на системот за максимална мо`кност се сведува на пресметка на параметрите и одбирање на правилните компоненти. Прво е потребно да се пресметаат можните вредности на интензитетот на сончевото зрачење. Потоа треба да се испитаат карактеристиките на фотоволтаикот за различни работни услови, по што се преминува кон дизаjнирање на конверторот. Откако `ке го дизаjнираме конверторот се изработува програмскиот дел од системот. Во секоjа фаза од дизаjнот се врши тестирање на елементите од системот. На краj се вршат мерења и се добиваат резултати од работата на системот за следење на точка на максимална мо`кност. Во проектот фотоволтаикот е заменет со извор на еднонасочен напон коj може да се смета за фотоволтаик со голема редна отпорност. Со овоj чекор се изземаат пресметките за интензитетот на сончевото зрачење бидеj`ки напонот на изворот не зависи од него. Од извршените симулации и мерења, со користење на програмата за тестирање на системот и програмата за нао`гање на точката на максимална мо`кност, може да се потврди дека карактеристиката на изворот во одредена мера одговара за тестирање на системот. На графикот од сл.9.5 jасно се гледа точката на максимална мо`кност. Од делот за следење на точката на максимална мо`кност jасно се гледа придобивката од употребата на системот за следење на точка на максимална мо`кност. Кога имаме директна врска поме`гу извор и потрошувач, мо`кноста се движи околу 1.15W, како што е прикажано на сл.9.6. Ако системот за следење на точката на максимална мо`кност е активен се добива значително зголемување на мо`кноста на околу 3.8W, како што е прикажано на сл.9.7. Работниот циклус осцилира во пошироки граници поради нелинеарноста на серво моторот коj се користи како потрошувач, како и поради несовршеноста на употребените компоненти во системот, прикажано на сл.9.8. Со приближувањето на работната точка на фотоволтаиците кон точката на максимална мо`кност се зголемува нивната искористеност, т.е. се зголемува енергиjата коjа тие jа испорачуваат кон потрошувачите. Ова значи дека исплатливоста на фотоволтаиците во текот на нивниот работен век се зголемува. До одреден степен се намалуваат и последиците од стареење на фотоволтаиците, што значи дека им се продолжува работниот век. 58

Заклучок 10.1. Предлог за понатамошно истражување Како понатамошно истражување може да се изврши симулациjа за нееднакво осветлен фотоволтаик. Анализата при нееднакви услови на работа jа приближува симулациjата кон еден реален систем. Со HIL (Hardware In the Loop) тестирање се овозможува попрецизен дизаjн на хардверскиот и програмскиот дел. Ова значи и подобрена стабилност на системот. Тестирање на системот на реален фотоволтаик, како и примена на други алгоритми за следење на точка на максимална мо`кност. Откако `ке се развие доволно квалитетен систем, може да се премине кон тестирање на систем за следење на точка на максимална мо`кност на пове`ке мрежно поврзани фотоволтаици. 59

Литература [1] Nicola Femia, Giovanni Petrone, Giovanni Spagnuolo, Massimo Vitelli. Power Electronics and Control Techniques for Maximum Energy Harvesting in Photovoltaic Systems, Industrial Electronics Series. CRC Press, Taylor & Francis Group, 2013. [2] Enrique Romero-Cadaval, Leopoldo G. Franquelo, Carlos-Andres Ramos- Paja, Teuvo SUntio, Weidong-Michael Xiao. Grid-Connected Photovoltaic Generation Plants. IEEE Industrial Electronics, September 2013, vol. 7, no. 3. [3] Praveen, R. ; Latha, K. Comparison of various MPPT techniques for different fuel flow. Energy Efficient Technologies for Sustainability (ICEETS), 2013 International Conference on, Publication Year: 2013, Page(s): 540 545. [4] Bin-Halabi, A. ; Abdennour, A. ; Mashaly, H. Experimental implementation of micro-controller based MPPT for solar PV system. Emerging Research Areas and 2013 International Conference on Microelectronics, Communications and Renewable Energy (AICERA/ICMiCR), 2013 Annual International Conference on, Publication Year: 2013, Page(s): 1 5. [5] Yu Zou ; Elbuluk, M.E. ; Sozer, Y. Stability Analysis of Maximum Power Point Tracking (MPPT) Method in Wind Power Systems. Industry Applications, IEEE Transactions on, Volume: 49, Issue: 3, Publication Year: 2013, Page(s): 1129 1136. [6] Petrone, G. ; Spagnuolo, G. ; Vitelli, M. An Analog Technique for Distributed MPPT PV Applications. Industrial Electronics, IEEE Transactions on, Volume: 59, Issue: 12, Publication Year: 2012, Page(s): 4713 4722. [7] Muhammad H. Rashid. Power Electronics Hanbook - Devices, Circuits and Applications. Third edition 2011, Elsevier Inc. [8] Soetedjo, A. ; Lomi, A. ; Mulayanto, W.P. Modeling of wind energy system with MPPT control. Electrical Engineering and Informatics (ICEEI), 2011 International Conference on, Publication Year: 2011, Page(s): 1 6. [9] Vanden Eynde, N.W. ; Chowdhury, S. ; Chowdhury, S.P. Modeling and simulation of a stand-alone photovoltaic plant with MPPT feature and dedicated battery storage. Power and Energy Society General Meeting, 2010 IEEE, Publication Year: 2010, Pages: 1-8. 60

ЛИТЕРАТУРА [10] Jiyong Li ; Honghua Wang. A novel stand-alone PV generation system based on variable step size INC MPPT and SVPWM control. Power Electronics and Motion Control Conference, 2009. IPEMC 09. IEEE 6th International, Publication Year: 2009, Page(s): 2155 2160. [11] National Instruments Co., Jun 2009. LabV iew T M, Getting Started with LabView. [12] National Instruments Co., Jun 2009. LabV iew T M, Control, Design and Simulation Module. [13] Jung-Min Kwon ; Bong-Hwan Kwon ; Kwang-Hee Nam. Three-Phase Photovoltaic System With Three-Level Boosting MPPT Control. Power Electronics, IEEE Transactions on, Volume: 23, Issue: 5, Publication Year: 2008, Page(s): 2319 2327. [14] Bin Lu, Xin Wu, Hernan Figueroa. A Low-Cost Real-Time Hardware-in-the- Loop Testing Approach of Power Electronics Controls. IEEE Transactions on Industrial Electronics, VOL. 54, NO. 2, APRIL 2007. [15] Wu Libo ; Zhao Zhengming ; Liu Jianzheng. A Single-Stage Three-Phase Grid- Connected Photovoltaic System With Modified MPPT Method and Reactive Power Compensation. Energy Conversion, IEEE Transactions on, Volume: 22, Issue: 4, Publication Year: 2007, Page(s): 881 886. [16] Simone Buso, Paolo Mattavelli. Digital Control in Power Electronics (Synthesis Lectures on Power Electronics). Morgan & Claypod 2006. [17] Fang Lin Lu, Hong Ye, Muhammad Rashid. Digital Power Electronics and Applications. 2005, Elsevier. [18] Robert W. Erickson, Dragan Maksimovic. Fundamentals of Power Electronics. 2004, Kluwer Academic Publishers, New York. [19] X. Wu, H. Figueroa, A. Monti. Testing of Digital Controllers Using Real- Time Hardware in the Loop Simulation. 35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, Aachen, Germany, 2004. [20] Antonello Monti, Enrico Santi, Roger A. Dougal, and Marco Riva. Rapid Prototyping of Digital Controls for Power Electronics. Power Electronics, IEEE Transactions on, VOL. 18, NO. 3, MAY 2003. [21] Jalili-Kharaajoo, M. ; Besharati, F. Intelligent predictive control of a solar power plantwith neuro-fuzzy identifier and evolutionary programming optimizer. Emerging Technologies and Factory Automation, 2003. Proceedings. ETFA 03. IEEE Conference, Volume: 2, Publication Year: 2003, Page(s): 173-176 vol.2. 61

ЛИТЕРАТУРА [22] Ursula Eicker. Solar Technologies for Buildings. University of Applied Sciences, Stuttgart, Germany, 2003 John Wiley & Sons Ltd. [23] Гоце Љ. Арсов. Основни кола во енергетската електроника. Скопjе 2000. Tempus Phare Joint Europian Project: Development of Power Electronic Courses, European Commision Conyytract No: S_JEP-12103-97. [24] J. Ledin. Hardware in the loop simulation. Embedded Syst. Program, vol. 12, no. 2, pp. 42 60, Feb. 1999. [25] Ljung, Lennart. Modeling of Dynamic Systems. Prentice-Hall, Inc.1994. 62

Додаток A Програмски код A.1. Програма за генерирање на импулсно-ширинска модулациjа Слика А.1: Програма за генерирање на импулсно-ширинска модулациjа A.2. Програма за тестирање на системот Слика А.2: Програма за тестирање на системот 63

A.3. Програма за нао`гање на точката на максимална мо`кност Слика А.3: Програма за нао`гање на точката на максимална мо`кност 64

A.4. Програма за следење на точката на максимална мо`кност 65 Слика А.4: Програма за следење на точката на максимална мо`кност

A.5. Програма за пресметка на параметри на фотоволтаик Слика А.5: Програма за пресметка на параметри на фотоволтаик A.6. Програма за симулациjа на Чук конвертор Слика А.6: Програма за симулациjа на Чук конвертор 66

A.7. Програма за симулациjа на фотоволтаик при непроменливи работни услови 67 Слика А.7: Програма за симулациjа на фотоволтаик при непроменливи работни услови

A.8. Програма за симулациjа на фотоволтаик за пет различни работни услови 68 Слика А.8: Програма за симулациjа на фотоволтаик за пет различни работни услови