WYKORZYSTANIE ŚRODOWISK MATLAB I KEIL DO ANALIZY WYDAJNOŚCI SAMONADĄŻNEGO SYSTEMU

(1)

DOI 10.21008/j.1897-0737.2018.96.0009

__________________________________________

* Politechnika Opolska

Dariusz ZMARZŁY^*, Wiktoria KALUS^*

WYKORZYSTANIE ŚRODOWISK MATLAB I KEIL DO ANALIZY WYDAJNOŚCI SAMONADĄŻNEGO

SYSTEMU FOTOWOLTAICZNEGO

Artykuł przedstawia analizę wydajności samonadążnego systemu fotowoltaicznego własnego projektu. Za pomocą opracowanych skryptów wyznaczono charakterystyki zmiany napięcia i prądu w czasie. W badaniach zastosowano luksomierz do zmierzenia natężenia różnych źródeł światła (żarówki, świetlówki, światła słonecznego w słonecz- ny oraz pochmurny dzień). Na podstawie zmierzonego napięcia na wyjściu z modułu fotowoltaicznego i prądu ładowania akumulatora, wyznaczono charakterystyki dla za- stosowanego układu w środowisku MATLAB i przeanalizowano wyniki pomiarów.

Sprawdzono również wydajność modułu fotowoltaicznego podczas symulacji zabru- dzeń jego powierzchni. Opisano skrypt sterujący napisany w środowisku Keil, który odpowiadał za pomiary wydajności nadążnego systemu fotowoltaicznego.

SŁOWA KLUCZOWE: Keil, MATLAB, fotowoltaika.

1. WSTĘP

Wśród wielu źródeł odnawialnych coraz większą popularność zyskuje pozy- skiwanie energii ze światła słonecznego za pomocą modułów fotowoltaicznych [1]. Jest to technologia z największym potencjałem rozwojowym, przewyższają- ca dotychczas forsowane rozwiązania w postaci farm wiatrowych, pomp ciepła czy źródeł geotermalnych. Konstrukcje oparte na wykorzystywaniu krzemu mo- no i polikrystalicznego osiągają sprawność ok 20% w zależności od generacji.

Wydajność najpopularniejszych modułów można zwiększać w dwojaki sposób.

Jednym ze sposobów jest zastosowanie koncentratorów CPV (Concentrated Photovoltaic ) zwiększających wydajność powyżej 30% [2, 3] lub użycie modu- łów MPPT (Maximum Power Point Tracking)[4, 5]. Drugim ze sposobów na zwiększenie sprawności jest stosowanie układów z nadążnym systemem śledze- nia słońca [6]. Na Politechnice Opolskiej od wielu lat prowadzone są badania związane z energetyką wiatrową [7, 8], a od niedawna również z wykorzysta- niem energetyki słonecznej. Artykuł skupia się na badaniach wydajności układu nadążnego z modułem fotowoltaicznym (PV) w zależności od warunków metro-

(2)

logicznych. Największy nacisk położono na sprawdzenie wpływu źródła światła.

Analiza wykazała, że nie tylko natężenie oświetlenie, kąt padania światła, ale również rozkład widmowy światła, ma wpływ na wydajność układu. Ma to istotne znaczenie, ponieważ te parametry są zmienne w czasie w zależności nie tylko od pory dania, ale również od pory roku i położenia geograficznego. Przy- kładowe widma zastosowanych źródeł zostały omówione w [9].

2. METODOLOGIA POMIARÓW

Pomiary wykonano w warunkach laboratoryjnych i przy oświetleniu natural- nym. W laboratorium przy użyciu żarówki oraz świetlówki mające na celu sprawdzenie wydajności modułu fotowoltaicznego. Do symulacji zabrudzeń posłużyły półprzeźroczyste zielone folie, natomiast do symulacji obciążenia, szereg zamontowanych żarówek samochodowych o mocy 5 i 21 W, wyposażo- nych w podwójny żarnik. Na potrzeby pomiarów konstrukcja została obciążona żarówką. Badania wydajności PV zostały również przeprowadzone w warunkach oświetlenia naturalnego: przy intensywnym świetle słonecznym o warto- ściach od 39,5 do 60 kLux oraz przy dużym zachmurzeniu nieba- natężania oświetlenia wyniosło od 11,5 do 15 kLux. Każdy z pomiarów odbywał się w identycznych warunkach metrologicznych. Konstrukcja obracała się, o 90°, aby ustawić się prostopadle do źródła światła. Średnio czas obrotu trwał 40 sekund. Po tym czasie układ stabilizował się, co pozwoliło na dokładne zmierzenie napięcia oraz natężenia prądu. Pomiary zapisywane były, co sekundę, uzyskano 120 próbek w ciągu 2 minut dla każdego pomiaru. Wyniki dla każdego przypad- ku przedstawiono poniżej.

Istotne przy analizie wyników jest to, że wszystkie pomiary w warunkach naturalnych zostały zrealizowane w styczniu, gdy promienie słoneczne padają pod mniejszym kątem niż w lecie.

3. ANALIZA WYNIKÓW

Do przeprowadzenia badań użyto polikrystalicznego moduł fotowoltaicznego MW Green Power model MGW-10. Jego parametry przedstawiono w tabeli 1.

Był on głównym elementem nadążnego systemu, który opierał się o moduł mi- kroprocesorowy, zarządzający sterowaniem konstrukcji.

Pomiary dla źródła światła, jakim była żarówka 30W oraz świetlówka o mocy 30 W, wykonano w warunkach laboratoryjnych. Pomiary dla naturalnego źródła światła, jakim było intensywne oraz słabe światło słoneczne wykonano w naturalnych warunkach. Wykonano badania, w których mierzono napięcie jałowe, prąd zwarcia oraz napięcie i natężenie na wyjściu z modułu w trakcie ładowania akumulatora. Ta sama procedura została zastosowana, gdy symulo-

(3)

wano powierzchniowe zabrudzenia panelu nakładając półprzeźroczystą folię na jego powierzchnię.

Tabela 1.Parametry modułu fotowoltaicznego.

Moc max.: 10 W

Napięcie PMM: 17,49 V

Prąd PMM: 0,57 A

Napięcie rozwarcia Voc: 21,67 V Prąd zwarciowy Isc: 0,61 A Tolerancja mocy: ±3 % Max. napięcie systemu: 1000 V Zakres temp. pracy: Od –40 do 85 °C

3.1. Uzyskane wyniki w warunkach laboratoryjnych dla żarówki 30 W

Do zmierzenia intensywności źródła światła posłużył luksomierz. W przy- padku żarówki 30 watowej, która była źródłem światła, oddalonej od konstrukcji o ok. 30-40 cm, pomiar natężenia światła wyniósł 0,56 kLux.

Rys. 1. Napięcie modułu fotowoltaicznego dla źródła światła: żarówka

(4)

Wykresy z rysunku powyżej przedstawiają charakterystykę napięć na wyjściu z modułu PV w trakcie ustawiania się układu nadążnego w kierunku źródła światła. Fotorezystory identyfikowały źródło najintensywniejszego światła przez 40 sekund. Po tym czasie napięcie ustabilizowało się. Na wykresie przedstawiono zależności napięcia dla czterech przebadanych konfiguracji: dla układu z czystym modułem obciążonego i bez obciążenia oraz gdy symulowano zabrudzenia jego powierzchni. Napięcie jałowe zostało zmierzone, aby odnieść się do danych technicznych podanych przez producenta. Badania przedstawione w artykule przeprowadzone były w innych warunkach niż STC. Zmierzono rów- nież natężenie prądu, które nie przekraczało 1,7 mA.

3.2. Uzyskane wyniki w warunkach laboratoryjnych dla świetlówki 30 W

Rys. 2. Napięcie modułu fotowoltaicznego dla źródła światła: świetlówka

Wartość natężenia oświetlenia, którego źródłem była świetlówka o mocy 30 W, oddalona o 1,5 m od konstrukcji, wynosiła 0,9 kLux. Układ nadążny dzięki fotorezystorom ustawiał się prostopadle do źródła światła w czasie nie dłuższym niż 40 sekund. Wykres na rysunku 2 przedstawia zależności napięcia na wyjściu z modułu fotowoltaicznego dla czterech przebadanych konfiguracji.

Mierzono wartości napięcia jałowego oraz napięcia w trakcie ładowania akumulatora, gdy powierzchnia była zabrudzona oraz w wariancie bez zabrudzenia.

Zastosowany filtr wyraźnie zmniejsza możliwości modułu PV do generowania

(5)

odpowiedniego napięcia, które umożliwiało by wydajne zasilanie podłączonego akumulatora. Na podstawie wykresu można stwierdzić, że oprócz natężenia światła, wpływ na wydajność pracy modułu fotowoltaicznego ma zastosowany rodzaj źródła światła.

3.3. Uzyskane wyniki w warunkach naturalnych dla niskiego natężenia światła słonecznego

Badania przy niskim natężeniu światła, zostały przeprowadzone podczas dużego zachmurzenia nieba. Wskazania luksomierza wynosiły wówczas od 11,5 do 15 kLux. Na podstawie wykresów (rys. 3) można zauważyć, że maksymalne napięcie, jakie wytworzyło się na module fotowoltaicznym wynosiło prawie 12,5 V w stanie jałowym i niewiele mniej z obciążeniem, gdy nie stosowano filtrów. Podobne wyniki zostały uzyskane przy pomiarach napięcia z użyciem żarówki, jako źródło światła. Z wykresu można odczytać, że szybkość uzyskania maksymalnego napięcia jest dużo wyższa niż dla źródeł sztucznych. Najdłuższy zarejestrowany czas uzyskano dla pomiarów z nałożonym filtrem. Czas stabilizacji wyniósł do 40 sekund, podczas gdy dla pomiarów bez filtra napięcie osią- gało maksymalną wartość w czasie od 15 do 20 sekund.

Rys. 3. Napięcie modułu fotowoltaicznego dla źródła światła: zachmurzenie

W badaniach w warunkach naturalnych przy dużym zachmurzeniu zaobser- wować można znacznie wyższe wartości natężenia prądu oraz napięcia, w po-

(6)

równaniu do wyników uzyskanych w badaniach z użyciem żarówki czy świe- tlówki. Charakterystyki wykazują, że przez minutę natężenie prądu było bardzo niskie, natomiast, gdy moduł ukierunkował się prostopadle do źródła światła, prąd gwałtownie wzrastał do wartości 6,5 mA. Maksymalna uzyskana moc wy- kazywała wartości do 8 mW.

3.4. Uzyskane wyniki w warunkach naturalnych dla dużego natężenia światła słonecznego

Napięcie na module fotowoltaicznym w trakcie pomiarów przy dużym nasło- necznieniu było nie mniejsze niż 12,15 V. Przedstawione na rysunku 4 przebiegi czasowe zmierzonego napięcia w każdej z czterech konfiguracji omówionych we wcześniejszych rozdziałach sugerują, że zastosowane ogniwa fotowoltaiczne wykorzystywały rozproszone światło słoneczne zanim układ ustawił się prostopadle do źródła światła.

Rys. 4. Napięcie modułu fotowoltaicznego dla źródła światła: słońce

Gdy moduł fotowoltaiczny osiągnął najkorzystniejsze warunki oświetlenio- we, wartości napięcia jałowego wyniosły 12,95 V oraz 12,5 V, gdy stosowano filtry symulujące zabrudzenie powierzchni. Zmierzony prąd w układzie bez dodatkowego obciążenia miał wartość 244,9 mA, w czasie ładowania akumulatora zasilającego układ nadążny.

(7)

Rys. 5. Natężenie prądu dla źródła światła: duże nasłonecznienie

Pomiar mocy uzyskanej dla źródła światła, jakim było słońce, wyniósł ponad 3 W przy pomiarach bez dodatkowego obciążenia. Dla pozostałych konfiguracji moc wynosiła: z obciążeniem oraz filtrem 1,59 W, z obciążeniem 1,11 W, a dla konfiguracji bez obciążenia z filtrami 2,19 W. Rysunek 6 przedstawia przebieg czasowy uzyskiwanych mocy dla różnych konfiguracji.

4. ISTOTNE FRAGMENTY KODU

W tym rozdziale przedstawiono istotne fragmenty kodu napisanego w języku C++, przy zastosowaniu środowiska Keil. Zawarto w nim program główny, w którym zaprogramowano pomiary fotorezystorów, napięcie akumulatora, pomiary prądu, napięcia oraz mocy modułu.

‒ Program główny – zmienne globalne int16_t impuls=0; //impulsator

int16_t azymut=0; //kąt azymutu

uint32_t frez1,frez2, frez3, frez4; //pomiary fotorezystorów

uint32_t Uaku, Usol, Isol, Psol; //pomiary napięcia akumulatora i modułu //pomiar prądu modułu,pomiar mocy modułu

uint8_t pwm16=0;

uint8_t f_alarm=0;

uint8_t f_pom, f_wyp; //flaga pomiaru adc

uint16_t kat16, kat17, kk; //kąty obrotu serwomechanizmów

(8)

uint8_t krok=0;

‒ Główna pętla

W głównej pętli znajduje się kod zarządzający obrotem modułu fotowoltaicznego poprzez wykrywanie źródła światła przez fotorezystory oraz wyświetla- nie pomiarów na alfanumerycznym wyświetlaczu LCD.

while(1) { if(f_pom==1)

{ if(abs((frez3>>4)-(frez4>>4)) > 10) //10-strefa nieczułości { if(frez3>>4 > frez4>>4)

{ if(azymut>1200) one_step(0);}

else

{ if(azymut<3600) one_step(1); }}

f_pom=0; } if(f_wyp==1)

{ Lcd_cmd(line4); Lcd_8hex(frez1>>4); Lcd_char(' ');

Lcd_8hex(frez2>>4); Lcd_char(' ');

Lcd_8hex(frez3>>4); Lcd_char(' '); Lcd_8hex(frez4>>4);

Uaku=(Uaku*15115)>>16;

Usol=(Usol*21613)>>8; Usol=(Usol*10)>>8; //teraz dokładność 1mV Isol=(Isol*76000)>>16;

Lcd_cmd(line1+3); Lcd_nap(Uaku); Lcd_cmd(line1+14); Lcd_nap(Usol);

Lcd_cmd(line2+2); Lcd_prad(Isol);

Psol=(Usol*Isol)/100000; Lcd_cmd(line2+14); Lcd_nap(Psol/10);

mppt();

f_wyp=0; } if(f_kv==1)

{ if(abs((frez1>>4)-(frez2>>4))>10) //10-strefa nieczułości {if(frez1>>4 > frez2>>4)

{ kat_v=kat_v+1;

if(kat_v>180) kat_v=180;

ustaw_kat_v(); } else

{ kat_v=kat_v-1;

if(kat_v<13) kat_v=13;

ustaw_kat_v(); } } f_kv=0; }

if((TIM3->CNT>>1) = (uint16_t) impuls) { impuls=(TIM3->CNT)>>1;

Lcd_cmd(line3+15); Lcd_16dec(impuls);

waitus(1000);}

if((TIM2->CNT) != azymut) { azymut=TIM2->CNT;

Lcd_cmd(line3+2); Lcd_azym(azymut); } }

(9)

5.WNIOSKI

W artykule przedstawiono wyniki przeprowadzonych pomiarów wydajności konstrukcji z modułem mikroprocesorowym STM23 072RB Nucleo oraz obra- cającym się modułem fotowoltaicznym w stronę źródła najintensywniejszego światła. Zastosowano konfiguracje z różnymi źródłami światła, oraz symulowano zabrudzenia powierzchni modułu fotowoltaicznego z układu nadążnego. Ste- rowanie układem nadążnym zostało zaprogramowane na mikroprocesorze Nuc- leo w języku C++ w środowisku Keil. Badania będą kontynuowane pod kątem gęstości mocy promieniowania Słońca oraz innych źródeł światła.

Zarówno środowisko programistyczne jak i wykorzystane elementy systemu spełniły rolę precyzyjnego i wydajnego układu autonomicznego. Dzięki zastosowaniu łatwo dostępnych i niedrogich mechanizmów oraz, samodzielnie napi- sanemu oprogramowaniu do sterowania systemem nadążnym można znacząco obniżyć koszty początkowe, jakie ponosi się przy instalacji układów z modułami PV.

Na podstawie uzyskanych pomiarów oraz analizy wyznaczonych charakterystyk i przebiegów czasowych opracowanych w programie MATLAB można stwierdzić, że poza intensywnością źródła światła znaczny wpływ na wydajność układu ma rozkład widmowy źródła.

Zastosowanie żarówki oraz świetlówki nie zapewniło wystarczającej wydaj- ności układu do samodzielnego autonomicznego podtrzymania działania systemu nadążnego. Zbyt małe napięcie oraz prąd doprowadziłyby po czasie do roz- ładowania akumulatora żelowego. W warunkach naturalnego oświetlenia nawet przy znacznym zachmurzeniu uzyskane wyniki potwierdzały przyjętą tezę, iż rozkład widmowy źródła stanowi tak samo istotną wartość dla pracy modułu PV jak natężenie źródła światła.

LITERATURA

[1] Frydrychowicz-Jastrzebska G., Bugała A., Modeling the distribution of solar radia- tion on a two-axis tracking plane for photovoltaic conversion. Energies 8, 1025–

1041 (2015).

[2] Frydrychowicz-Jastrzębska G., Bugała A., Układy fotowoltaiczne współpracujące z koncentratorami, Poznan University of Technology Academic Journals, no. 79, pp.

71–78, 2014. (in Polish).

[3] Braun A., Vossier A., Katz E. A., Ekins-Daukes N. J., Gordon J. M., Multiple- bandgap vertical-junction architectures for ultra-efficient concentrator solar cells, Energy & Environmental Science, vol. 5, no. 9, p. 8523, (2012)

[4] Esram T., Chapman P. L., Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques. IEEE Trans. Energy Convers. 22, 439–449 (2007).

(10)

[5] Kasa N.; Iida T.; and Chen L., Flyback inverter controlled by sensorless current MPPT for photovoltaic power system, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 52, no. 4, pp. 1145–1152, (2005).

[6] Wan C., Lin J., Song Y., Xu Z., Yang G., Probabilistic Forecasting of Photovol- taic Generation: An Efficient Statistical Approach, IEEE Trans. Power Syst. 32, 2471–2472 (2017).

[7] Szmechta M., The Analysis of Wind Turbine Construction Safety System that Uses Vibroacoustic Diagnostics, Acta Physica Polonica A, Vol. 124 (2013), no.

3,2013, pp. 574-577.

[8] Pierzga R., Boczar T., Wotzka D., Zmarzły D., Studies on Infrasound Noise Gen- erated by Operation of Low-Power Wind Turbine, Acta Physica Polonica A, Vol.

124 (2013), no. 3,2013, pp. 542-545.

[9] Maziarka J., Beňa L., Wachta H., Analiza rozkładu widmowego wybranych ź ródeł światła w procesie stabilizacji barwy, Zesz. Nauk. Politech. Rzesz. Elektrotechnika, RUTJEE 34, 31–42 (2015).(in Polish).

THE USE OF MATLAB AND KEIL ENVIRONMENTS FOR THE PERFORMANCE OF THE SELF-ADAPTABLE

PHOTOVOLTAIC SYSTEM

The article presents the analysis of the efficiency of your own self-directed solar system. Using the developed scripts, the characteristics of voltage and current change over time were determined. The studies used a luxmeter to measure the intensity of various light sources (light bulbs, fluorescent lamps, sunlight on sunny and cloudy day). Based on the measured voltage at the output from the photovoltaic module and the battery charging current, the characteristics for the applied system in the MATLAB environment were determined and the measurement results were analyzed. The efficiency of the photovoltaic module during simulation of soil contamination was also checked. A control script written in the Keil environment was described, which was responsible for the performance measurements of the follow-up photovoltaic system.

(Received: 07.02.2018, revised: 12.03.2018)