Мерење електричних параметара соларног система за напајање Игор Шарац Факултет техничких наука, Чачак Електротехничко и рачунарско инжењерство, Рачунарско инжењерство, 2012/2013. sharacigor@gmail.com Ментор рада: проф. др Синиша Ранђић Апстракт У овом раду је oписана проблематика мерења електричних величина (струје, напона, снаге и енергије) у систему за снабдевање енергијом електричних уређаја. Овај систем се састоји из соларног панела, батерије са могућношћу допуњавања и електронске регулаторске плочице. Потрошач који се прикључи на овај систем се снабдева енергијом из батерије, а када капацитет батерије постане сувише мали за даљи исправан рад уређаја, пуни се енергијом добијеном од соларног панела. У раду су дати основни теоријски прикази проблематике електричног напајања микрорачунара и мерења њихове потрошње. Реализован је софтвер микроконтролера PIC16F887 који прикупља податке из система, врши одговарајуће конверзије и обраде и приказује их кориснику. Овакав систем је погодан за употребу у околностима када је неопходан константан мониторинг утрошене енергије у систему. Кљтчне речи Елгкепична мгпгња, гнгпгија Сснца, обновљиви извопи гнгпгијг, нажајањг микпопачснапа, жпогпамипањг микпоконеполгпа, жпаћгњг жоепошњг 1 УВОД Веома брз и експлозиван развој полупроводничке технологије је омогућио минијатуризацију електронских уређаја и њихову интеграцију у скоро све сфере људског деловања. Међутим, захтеви за мобилношћу су неминовно довели до потребе уградње извора енергије који ће напајати уређаје у случајевима када електрична енергија из електроенергетског система није доступна. Наравно, батерије које се користе имају ограничен рок трајања, а електронски уређаји врло често захтевају непрекидан и стабилан извор енергије. Због тога је дошло до развоја техника за прикупљање енергије из окружења која би могла да допуњује батерије уређаја и самим тим обезбеди им континуалан рад. Предмет овог рада јесте управо коришћење енергије Сунца за напајање електронских уређаја. Коришћењем допуњивих батерија постиже се циљни задатак непрекидно напајање компоненти. Наравно, неопходно је пратити стандардне електричне особине, као што су јачина струје, напона, снага и енергија. У овом раду је написан програм који прикупља наведене параметре и исписује их кориснику на LCD екрану. 2 ПРОБЛЕМ ЕЛЕКТРИЧНОГ НАПАЈАЊА МИКРОРАЧУНАРА За електронске уређаје је важна мала потрошња енергије и могућност рада у неповољним условима високе или ниске температуре, високе влажности, вибрација, присуства прашине и агресивних материја, јер уређаји у које су они уграђени обично имају батеријско напајање и предвиђени су за рад на отвореном простору или у индустријским погонима. Постојећа динамика којом се експлоатишу фосилна горива ће у блиској будућности довести до исцрпљења њихових резерви. Због тога постоји економска и еколошка потреба за улагањем у алтернативне (обновљиве) изворе енергије. Владе многих земаља (међу којима је и Србија) различитим субвенцијама подстичу изградњу мини електрана заснованих на коришћењу обновљивих извора. Постоје разне врсте обновљивих извора енергија: соларна (сунчева) енергија; енергија ветра; биомаса и биогас; геотермална енергија; енергија мора (енергија плиме и осеке, морских таласа и природних струја). У овом раду посебна пажња је обраћена на енергију Сунца и енергију ветра као и на могућности њихове експлоатације. На пример, могућност искоришћења Сунчеве енерије је велика, али се том енергијом данас покрива тек делић од 1% глобалне потрошње електричне енергије. 2.1 Енгпгија Сснца Када се говори о енергији зрачења Сунца, подразумева се његово искоришћење у тренутку када дође до Земље и то је непосредно искоришћавање зрачења Сунца. Претварање енергије светлости у електрични напон је заснован на коришћењу сунчане ћелије и фотонапонског ефекта.
Принцип рада сунчане ћелије заснива се на фотоелектричном (фотонапонском) ефекту. Фотонапонски ефекат је у ствари електрични потенцијал који се јавља између два различита материјала када се њихов спој осветли напоном фотона, односно појава ослобађања слободних носиоца наелектрисања под дејством светлости. По том принципу се на крајевима сунчане ћелије јавља електромоторна сила када ћелија апсорбује сунчево зрачење. Фотонапонска ћелија је посебно конструисан и дизајниран облик p-n споја, који омогућава просторно падање светла на што већу његову површину, при чему светлост (фотони) уласком у материјал p-n споја преносом своје енергије ослобађају слободне носиоце наелектрисања електроне и шупљине, и практично конвертују светлост у струју (слика 1). Слика 1. Принцип рада фотонапонске ћелије 2.2 Енгпгија вгепа За ветроенергетику су од посебног интереса површински ветрови у приземном слоју атмосфере до висине од 200 m. У том слоју се на погодним локацијама постављају ветроагрегати који врше конверзију енергије ветра у електричну. Електрична енергија се испоручује електроенергетском систему (ЕЕС-у) или изолованим потрошачима. Кинетичка енергија ветра се трансформише у механичку енергију помоћу ветротурбине. Брзину обртања ветротурбине (која износи неколико десетина обртаја у минуту) обично је потребно прилагодити захтеваној брзини генератора. Зато се користи механички редуктор. Електрични генератор може бити синхрони или индукциони (асинхрони), при чему може радити са фиксном или променљивом брзином обртања. Генератор се напонски прилагођава ЕЕС-у помоћу енергетског трансформатора. 3 АСПЕКТИ МЕРЕЊА ПОТРОШЊЕ ЕЛЕКТРИЧНЕ ЕНЕРГИЈЕ КОД МИКРОРАЧУНАРА За мерења је најбитније познавање снаге коју развија потрошач. На тај начин може се пројектовати соларни панел и узети одговарајућа батерија (акумулатор) која би у задатом временском интервалу у континуитету задовољавала потребе потрошача за енергијом. 3.1 Мгпгњг рнагг Снага је дата производом напона и струје: P= UI. Дакле, да би се измерила снага потребна су два инструмента: волтметар, за мерење напона на крајевима потрошача и амперметар за мерење јачине струје потрошача. Инструменти у колу се могу повезати на два начина, као што је приказано на слици 2. Слика 2. Индиректно мерење снаге UI методом Једна од метода за директно мерење снаге у колу једносмерне струје је електродинамички ватметар. Он се у коло повезује на један од следећих начина (слика 3). а) б) Слика 3. Шема веза електродинамичког ватметра: а) Струјна веза, б) Напонска веза
3.2 Мгпгњг јачинг репсјг Мерење струје врло мале јачине се у ствари врши мерењем пада напона који се добија пролажењем ове струје кроз неки отпорник велике отпорности (10 8 10 9 Ω и више), као што је приказано на слици 4. Слика 4. Мерење струја врло мале јачине мерећи пад напона на отпорнику Електрометри морају да имају врло велику улазну отпорност, односно много већу од улазне отпорности на којој се мери пад напона. Овај услов задовољавају електростатички инструменти, или електронски електрометри. Електронски електрометри су у ствари електронски појачавачи са врло великом улазном отпорношћу, што се постиже, на пример, при непосредном појачању, коришћењем на улазу појачавача специјалне електрометарске цеви (10 16 Ω). 3.3 Мгпгњг нажона Мерење једносмерних напона може да се изведе помоћу галванометра са светлосном казаљком, или осетљивим галванометром са у покретним магнетом. У исту сврху могу да се користе и осетљиви појачавачи једносмерног напона. У пракси се често дешава да је напон који треба измерити виши од мерног опсега основног мерног кола неког електронског мерног инструмента. Уколико је, на пример, напон који треба измерити 500 V, а основно мерно коло електронског волтметра мери напон у опсегу од 0-100 mv, тада напон треба ослабити толико, да се може измерити основним мерним колом. 3.4 Мгпгњг гнгпгијг Енергија представља количину рада који систем може да обави. Снага се дефинише као време за које се уради неки посао. Енергија се може математички дефинисати као коначни интеграл снаге по датом временском интервалу Δt. Снага доступна у дводелној области електричног кола је дефинисана производом напона по областима и струје која постоји кроз ту област (p=vi). Најједноставнији начин да се обави мерење енергије у колима једносмерне струје је мерење напона и струје и потом рачунање производа измерене струје и напона са посматраним интервалом времена. 4 ИДЕЈНО РЕШЕЊЕ СИСТЕМА ЗА ПРАЋЕЊЕ ПРОМЕНА НАПОНА, СТРУЈЕ, СНАГЕ И ЕНЕРГИЈЕ НА СОЛАРНОМ ПАНЕЛУ, БАТЕРИЈИ И ПОТРОШАЧУ Систем за напајање електронских уређаја се састоји из соларног панела, батерије и одговарајуће електронске плочице за регулацију. Основна његова улога је да пружи континуално напајање електронским уређајима у условима непостојања извора сталног напајања. Блок шема система за напајање електронских уређаја је приказана на слици 5. Соларни панел Систем за регулацију Потрошач Батерија Слика 5. Блок шема система за напајање електронских уређаја Мерење промена напона, струје, снаге и енергије на саставним деловима система за напајање је могуће извршити коришћењем аналогно-дигиталног конвертора. Он би измерене вредности напона и струје конвертовао
у дигиталне еквиваленте, који се даље могу обрађивати на рачунару програмским путем. Мерење промена снаге и енергије је могуће извршити посредно, преко измерених вредности струје и напона. Визуелна репрезентација тренутних вредности електричних параметара система се може обезбедити коришћењем LCD екрана. Блок шема система за праћење промене електричних карактеристика соларног панела, батерије и потрошача је дата на слици 6. Регулација Систем за напајање електронских уређаја Микроконтролер са A/D конвертором LCD екран Слика 6. Блок шема система за праћење промене електричних карактеристика соларног панела, батерије и потрошача За исправан рад овог система, неопходно је написати одговарајући софтверски програм микроконтролера. Тај програм би требало да поседује могућности независног мерења струје и напона, индиректног мерења снаге и енергије, као и приказ добијених резултата на LCD екрану. 5 ПРАКТИЧНА РЕАЛИЗАЦИЈА СИСТЕМА ЗА ПРАЋЕЊЕ ПОТРОШЊЕ СОЛАРНОГ ПАНЕЛА, БАТЕРИЈЕ И ПОТРОШАЧА На основу идејног решења система за праћење потрошње соларног панела, батерије и потрошача, представљеног у четвртом поглављу овог рада, реализован је софтверски део система. Хардверски део система чини систем за напајање електронских уређаја (соларни панел, напонски регулатор, батерија и потрошач) и развојно окружење EasyPIC 6 са микроконтролером PIC16F887. За потрошача је искоришћена сијалица, будући да је систем пројектован тако да се за потрошача може узети било који уређај који се напаја једносмерним напоном јачине до 12 V. Софтверски део система је реализован преко програмског кода за микроконтролер. 5.1 Сирегм за нажајањг глгкепонрких спгђаја Саставни делови овог система су соларни панел, батерија, електронска регулаторска плочица и струјни шант монитор AD8212. Соларни панел је пројектован за потребе потрошача и његова површина је директно пропорционална могућношћу производње електричне енергије, односно већа површина соларних ћелија значи више енергије. Пре него што се панел повеже са напонским регулатором, врши се мерење струје и напона да би се сазнала количина енергије која је на располагању. Вишак произведене енергије се складишти у допуњиву батерију (акумулатор) и користи када панел није у могућности да произведе довољно енергије. Улогу стабилизације и снижавања напона панела има напонски регулатор. Његова особина је да променљиви улазни напон претвара у стабилни излазни, при чему је ефикасност, а тиме и потрошња енергије од стране регулатора константна. Пошто на излазу регулатора постоји батерија коју треба допуњавати, регулатор пуњења мора да обезбеди и константну струју пуњења. За алтернативни извор напајања система коришћена је батерија (акумулатор) излазног напона 12 V, који омогућава напајање потрошача када соларни панел није у могућности да то учини. Да би се спречило додатно пражњење поред онога које је потребно за напајање потрошача, пре батерије, а после соларног панела је уметнута диода. Диода је тако постављена да проводи струју у смеру од соларног панела према батерији, а у супротном смеру понаша се као прекидач. Тиме се постиже да током ноћи соларни панел не може да црпи енергију из акумулатора и то је она иста енергија коју је сам соларни панел произвео током дана. Да би се систем комплетирао у целину, потребно је реализовати хардверски део, односно излити плочицу. Плочица је израђена према шеми са слике 7. Слика 7. Изглед шеме по којој је израђена штампана плочица
Да би се детектовала и најмања промена једносмерних величина на улазу, коришћено је интегрисано коло AD8212. AD8212 је струјни шант монитор високих стандардних напона. Он прецизно појачава мале диференцијалне улазне напоне у присуству великих стандардних напона до 65 V (више од 500 V са спољашњим PNP транзистором). 5.2 Хапдвгпркг комжонгнег рирегма за жпаћгњг жпомгна глгкепичних капакегпиреика Основне хардверске компоненте наведеног система су EasyPIC 6 развојни систем фирме Мikroelektronika и микроконтролер PIC16F887 фирме Microchip. 5.2.1 EasyPIC 6 пазвојни рирегм EasyPIC 6 развојни систем је изванредан алат за програмирање и експериментисање са PIC микроконтролерима. Плоча поседује уграђени програматор са mikroicd подршком који пружа интерфејс између микроконтролера и рачунара. Велики број модула омогућава лаку симулацију операција на циљаном уређају. На слици 8 је приказан изглед овог развојног система. Слика 8. EasyPIC 6 развојни систем 5.2.2 Микпоконеполгп Microchip PIC16F887 PIC16F887 је микроконтролер широке намене, којег карактерише ниска цена, велике могућности и лака набавка. Представља идеалан избор за контролу различитих процеса у индустрији, управљање машинама и уређајима, мерење различитих величина и друго. Овај микроконтролер представља интеграцију микропроцесора, меморије и периферија, па зато не захтева сложени екстерни хардвер да би се реализовао микрорачунарски систем. Израђен је у CMOS технологији са уграђеном flash и EEPROM меморијом за меморисање програма и података. PIC16F887 има RISC архитектуру, коју карактерише мањи скуп инструкција које се брзо извршавају. 5.3 Алгопиеам пада жпогпама микпоконеполгпа Да би се могле очитавати вредности струје и напона, неопходно је конфигурисати пинове порта А микроконтролера да буду аналогни и онемогућити компараторе. Општа шема повезивања компоненти на микроконтролер је дата на слици 9. Напајање PIC16F887 RA0 RA7 RD0 Улаз LED_0 LCD RB0 RB1 RB2 RB3 RD1 LED_1 Слика 9. Општа шема повезивања компоненти на микроконтролер У бесконачној петљи, врши се периодично очитавање вредности струје и напона панела, батерије и потрошача. Потребно је укупно четири улаза за очитавање вредности струје и напона панела, напона батерије и струје потрошача, док се остале величине добијају рачунским путем. Добијене вредности струје и напона се морају конвертовати како би одговарале стварним вредностима. Напон панела и батерије се израчунава на следећи начин: U U AD U p VCC 1000 EasyPIC Uin 1023
где је: U AD напон који је на улазу у AD конвертор, U p експериментално измерен референтни напон панела, U in експериментално добијен улазни напон регулаторске плочице, V CCEasyPIC напон напајања развојног система. Вредност се дели са 1023 услед резолуције AD конвертора од 10 бита, а множи се са 1000 како би се добила вредност у волтима. Струја панела и потрошача се рачуна на следећи начин: 2 I AD 1000 I 1023 где је I AD струја на улазу у AD конвертор, која се дуплира према експериментално одређеним рачуном. Како би се осигурало пуњење батерије у условима напајања уређаја енергијом добијеном преко соларног панела, у систем је уведен MOSFET транзистор који откачиње панел од акумулатора када се он напуни. Индикација пуњења акумулатора је представљена LED диодом пина 0 порта D. Потрошач се укључује само када је напон батерије изнад одређене границе. Индикација рада потрошача је реализована диодом прикљученом на пин 1 порта D. Приказ на LCD дисплеју је огранизован тако да се наизменично смењују прикази струје и напона, снаге и енергије, за сва три елемента. На слици 10 приказани су резултати мерења исписани на LCD дисплеју. Напон и струја на панелу Напон и струја батерије Напон и струја на потрошачу Снага и енергија на панелу Снага и енергија батерије Снага и енергија на потрошачу Слика 10. Резултати мерења исписани на LCD дисплеју 6 ЗАКЉУЧАК У овом раду је приказано једно решење проблема снабдевања електронских уређаја енергијом у условима када напајање са мреже није доступно, засновано на коришћењу сунчеве енергије. Како би се спровео мониторинг потрошње електричне енергије, потребно је било написати програм за микроконтролер који ће прихватати резултате са AD конвертора, извршити одређену рачунску обраду и приказати кориснику на LCD екрану. Овим, корисник може у сваком тренутку да зна вредности струје, напона, снаге и енергије за соларни панел, батерију и потрошача. На тај начин могу се одредити тренуци када је у систему било највише и најмање енергије добијене сунчевим зрачењем. Главне предности реализованог решења су једноставност имплементације, ниска цена и скалабилност. Мана система је то што мерни систем мора бити жично повезан са системом за напајање електронских компоненти, па је делокруг његовог деловања тиме сужен. Наравно, могуће је имплементирати embedded систем који би био саставни део система за напајање, који би мерио тренутне вредности електричних параметара и бежичним путем их слао крајњем кориснику на даљу анализу. То би, уједно, била и једна од могућности за надоградњу реализованог система. ЛИТЕРАТУРА [1] John G. Webster, The Measurement, Instrumentation and Sensors: Handbook, CRC Press LLC, 1999. [2] Mukund R. Patel, Wind and Solar Power System, CRC Press LLC, 1999. [3] Antonio Luque, Steven Hegedus, Handbook of Photovoltiac Science and Engineering, John Wiley & Sons Ltd., London, 2002. [4] Bjorn Lindgren, A Power Converter for Photovoltaic Applications, Chalmers University of Technology, Technical Report No. 335L, 2000. [5] Kjaer, S.B., Pedersen, J.K., Blaabjerg, F., Power Inverter Topologies for Photovoltaic Modules A Review, 37 th IEEE Industry Application Conference, 2002. [6] Милан Верле, Protel: Од шгмг до шеамжанг жлочицг, МикроЕлектроника, Београд, 2003. [7] Милан Верле, PIC микпоконеполгпи, МикроЕлектроника, Београд, 2008. [8] Љубиша Голубовић, Елгкепична мгпгња I, Технички факултет, Чачак, 2006. [9] Dan Chiras, Robert Aram, Kurt Nelson, Power from the Sun, Practical Guide to Solar Energy, New Society Publishers, 2009. [10] Dan Chiras, Solar Electricity Basics: A Green Energy Guide, New Society Publishers, 2010. [11] Michael Boxwell, Solar Electricity Handbook, 2010 Edition, Greenstream Publishing, 2010.