UNIVERSITATEA “POLITEHNICA” TIMI OARA FACULTATEA DE ELECTROTEHNIC SEC IA ELECTROTEHNIC GENERAL
PROIECT DE DIPLOM
INSTALA IE DE URM RIRE A SOARELUI PENTRU OPTIMIZAREA CAPT RII ENERGIEI SOLARE
COORDONATOR: PROF.DR.ING. MUNTEAN NICOLAE
STUDENT DI
2006
CANDIDAT: ION-COSMIN
CUPRINS
Pag
INTRODUCERE ………………………………………………………………………..1
CAP 1. PROBLEMA ENERGIEI STAREA ACTUAL
I DE PERSPECTIV ……………………………..2
1.1CONSUMUL SI PRODUCEREA DE ENERGIE :TENDINTA MONDIALA SI EUROPEANA…………………………...…….3 1.2 UTILIZAREA ENERGIILOR REGENERABILE PE PLAN MONDIAL………………………………………………………………..4
CAP 2. CONVERSIA ELECTRICA A ENERGIEEI SOLARE …………………5 2.1 CONSIDERATII GENERALE ………………………………………… 5 2.2 EFECTUL FOTOELECTRIC …………………………………………..7 .
2.3 AVANTAJELE ENERGIEI SOLARE………………………………...12 2.4 CELULA FOTOELECTRIC ………………………………………... 15 2.4.1 MATERIALE FOLOSITE ……………………………………...15 2.4.2 STRATUL ANTIREFLECTANT………………………………..18 2.4.3 CONTACTELE ELECTRICE ………………………………….18 2.5 DE LA CELUL LA MATRICE……………………………………….20 2.6 UTILIZARE ……………………………………………………………..21 2.7 RANDAMENTUL UNEI CELULE FOTOVOLTAICE ……………..22 2.8 COMPARATIE INTRE UN SISTEM FIX SI UNUL MOBIL DE CELULE FOTOVOLTAICE ………………………………………24
CAP 3. SISTEME DE POZI IONARE. PREZENTAREA SERVOMECANISMELOR……………………………………………………………26 3.1. CLASIFICAREA SERVOMECANISMELOR …………………….. 26 3.2 ELEMENTE DE STRUCTUR A SERVOMECANISMELOR……29 3.2.1 ELEMENTE DE EXECU IE…………………………………….29 3.2.2 TRADUCTOARE UTILIZATE ÎN SERVOMECANISME…….30 3.2.3 TRANSMISIA MECANIC ……………………………………...32 3.2.3.1 ALEGEREA TIPULUI TRANSMISIEI……………………32 3.2.3.2 PARAMETRII MECANICI AI SERVOMECANISMELOR…….33 3.3. SISTEME DE POZI IONARE CU MCC…………………………….34
CAP 4. SIMULAREA SISTEMULUI DE POZI IONARE……………………….. 37 4.1 TIPURI DE POZI IONARE A PANOURILOR FOTOVOLTAICE ……………………………37 4.2 PRINCIPIUL POZI ION RII………………………………………….38 4.3 SIMULAREA SISTEMULUI DE POZI IONARE CU SPICE……….39
CAP.5. IMPLEMENTAREA SISTEMULUI DE POZI IONARE……………….43 5.1. STRUCTURA SISTEMULUI DE POZI IONARE…………………..43 5.2. PANOUL FOTOVOLTAIC ……………………………………………44 5.3. ECHIPAMENTUL MECANIC…………………………………………47 5.3.1. SERVOMECANISMUL DE POZI IONARE PE ORIZONTAL ………………..47 5.3.2. SERVOMECANISMUL DE POZI IONARE PE VERTICAL ……………….50 5.4 ECHIPAMENTUL ELECTRIC………………………………………...53 5.4.1 ACUMULATORUL………………………………………………..53 5.4.2. LIMITATORII DE CAP DE CURS ……………………………53 5.5 ECHIPAMENTUL ELECTRONIC…………………………………….54 5.5.1. BLOCUL DE ALIMENTARE……………………………………54 5.5.2. REGULATORUL DE TENSIUNE……………………………….55
5.5.3. FOTODIODELE…………………………………………………...56 5.5.4. AC IONAREA MOTOARELOR DE CURENT CONTINUU…………….57 5.5.5. SCHEMA BLOCULUI DE COMAND . REALIZAREA CABLAJULUI IMPRIMAT…………………………..61 5.6. MICROCONTROLERUL………………………………………………65 5.6.1.INTRODUCERE ÎN LUMEA MICROCONTROLEROR……...65 5.6.2. DIFEREN A DINTRE MICROCONTROLER I MICROPROCESOR……………………………………………..65 5.6.3 MICROCONTROLERUL PIC 16F877A ……………………….66 5.6.4 ARHITECTURA UNIT
II CENTRALE………………………66
5.6.5 CARACTERISTICILE MICROCONTROLERULUI PIC16F877A………………………………………………………...68 5.6.6 DISPLAY LCD HDM-16116H ALFANUMEIC PE 1x16 CARACTERE………………………………………………75 5.6.7 AFI ARE PE LCD………………………………………………..80 5.7. PROGRAMATORUL JDM de MICROCONTROLERE PIC……….80 5.8. REALIZAREA PROGRAMULUI IN LIMBAJUL DE PROGRAMARE C……………………………………………………….81
Cap 6. FUNC IONAREA INSTALA IEI…………………………………...86 CONCLUZII………………………………………………………………………….88 BIBLIOGRAFIE…………………………………………………………..90
INTRODUCERE
Lucrarea de fa , Instala ie de urm rire a soarelui pentru optimizarea capt rii energiei solare, are la baz
dorin a uman de a utiliza surse de energii regenerabile,
nepoluante i care prezint un poten ial valoros din punct de vedere al energiei, având scopul de a g si metode noi de a îmbun
ii randamentul celulelor fotovoltaice.
Pornind de la în elegerea principiului de func ionare
i studiul elementelor
componente ale celulei fotovoltaice, se va studia implementarea unei solu ii tehnice practice de a m ri eficien a panoului solar prin orientarea panoului în mod automat dup mi carea Soarelui, în felul acesta m rindu-se durata de expunere la soare a panoului solar . Se va studia i implementa posibilitatea de comand
a instala iei utilizând un
microcontroler care datorit caracteristicilor sale remarcabile, ofer posibilit i multiple de solu ionare a sistemului de comand .
1
CAP 1. PROBLEMA ENERGIEI. STAREA ACTUAL I DE PERSPECTIV
Secolul al XXI-lea se va caracteriza printr-o trecere rapid a sectorului energetic al lumii, dominat de monopoluri cu structur integrat vertical, la sisteme descentralizate, mai eficiente i mai curate. Noi genera ii de tehnologii , cum ar fi turbine cu gaze de mare performan , turbine eoliene de mare putere, panourile fotovoltaice i captatoarele solare, prezint o for
ce amplific acest proces. De i ponderea energiei produse de aceste
instala ii este înc relativ mic , posibilitatea de realizare la scar de mas a unor astfel de mijloace de producere a energiei poate duce la crearea unui sistem energetic mai pu in costisitor i mult mai descentralizat. Aceste transform ri radicale vor avea un impact benefic asupra procesului de valorificare a surselor
regenerabile de energie, deoarece aceste surse, îndeosebi cea
solar , sunt disponibile pretutindeni. Omenirea beneficiaz de trei categorii de surse de energie, bazate pe : •
arderea combustibililor fosili (c rbune,
•
fisiunea nuclear ;
•
captarea i conversia energiilor regenerabile (energia vântului, energia solar ,
ei, gaze);
energia poten ial a apelor din râuri, energia termic a apelor subterane, energia valurilor etc). Aceste trei categorii de surse se deosebesc considerabil din mai multe puncte de vedere : •
al capacit ii de a produce energie în cantit i i la perioade de timp solicitate (ziua-noaptea, vara-iarna etc);
•
al pre ului energiei produse;
•
al impactului asupra mediului, datorat producerii resurselor energetice primare i a energiei finale.
Sursele de energie primare sunt epuizabile i arderea acestora produce mari cantit i de CO2, de aceea sunt c utate noi surse de energie.
2
1.1 CONSUMUL I PRODUCEREA DE ENERGIE: TENDIN A MONDIAL I EUROPEAN . Structura consumului mondial de resurse energetice în producerea energiei electrice este urm toarea :
consumul de resurse energetice carbune
gaze naturale
ei
energia hidroelectric si nuclear
37% 16%
10%
37%
Fig 1.1. Consumul de resurse enrgetice
Se observ ponderea combustibilului fosil în producerea energiei electrice pe plan mondial constituie 63%, din care -c rbune 37%, - gaze naturale –16%, apoi energia hidroelectric
ei-10%,
i nuclear ;
Resursele globale de
ei, gaze i c rbune confirmate actual sunt suficiente de a
acoperii necesitatea de energie pân la finele secolului al XXI-lea. În termen scurt, anul 2020, sursele regenerabile de energie vor putea concura la egal cu combustibilul fosil. Se presupune c la nivelul anului 2020 sursele regenerabile de energie ar putea acoperi de la 3…4% pân la 8-12% din consumul mondial de energie.
1.2 UTILIZAREA ENERGIILOR REGENERABILE PE PLAN MONDIAL
Început cu cca. 30 de ani în urm , utilizarea energiilor regenerabile în special a energiei solare, eoliene, apelor geotermale i a mareelor, provocat de prima criza a
3
petrolului din 1972, a ajuns în prezent s reprezinte un procent important din balan a de furnizare a energiei în multe ri ce posed poten ial in acest domeniu. Pe plan mondial la nivelul anului 2005 capacit ile instalate de utilizare a energiilor regenerabile se prezint astfel:
Tip energie
Capacitate instalata (GW)
1) Instala ii hidro mici
56
2) Instala ii eoliene
40
3) Biomasa
35
4) Energie geotermal
9
5) Celule fotovoltaice
1,1
6) Energie solar
0,4
TOTAL
142
În ultimii ani s-a constatat o cre tere important în ceea ce prive te utilizarea panourilor solare pentru ob inerea de energie electric . Astfel, în anul 2002, în întreaga lume, energia ob inut cu celule fotovoltaice a fost de aproximativ 560MW. În paralel cu acest fenomen s-a intensificat i produc ia de sisteme fotovoltaice, care au avut o cre tere de 13% fa de anul 1989. Obiectivul Uniunii Europene este de a crea un sistem energetic bazat pe surse de energie regenerabil , dintre care cea mai utilizat va fi energia solar (se estimeaz c procentul acesteia se va dubla, ajungându-se în anul 2010 la o cot de 12%, fa cât s-a înregistrat în 1998). Energia produs
de 6%
din surse regenerabile a înregistrat o
cre tere anual de 2%. Este evident c pe termen mediu sursele regenerabile de energie nu pot fi privite ca alternativ total la sursele conven ionale, dar este cert c , în m sura poten ialului local, datorit avantajelor pe care le au (resurse locale abundente, ecologice, ieftine, independente de importuri), acestea trebuie utilizate în complementaritate cu combustibilii fosili i energia nuclear
4
CAP 2. CONVERSIA ELECTRIC A ENERGIEI SOLARE.
2.1 CONSIDERA II GENERALE PRIVIND ENERGIA SOLAR Energia solar prezint o importan via a nu ar fi posibil , îns prezint
deosebit in men inerea vie ii f
de care
i un poten ial energetic remarcabil.
De exemplu, pe P mânt ajunge o cantitate enorm de lumin solar care este absorbit sau reflectat înapoi in spa iu in timpul zilei. Valoarea medie a acestei energii este echivalent cu o putere de 1100w pe metru p trat. Ea ajunge pe P mânt mai degrab sub form de c ldur
decât ca lumina. Cantitatea de energie solar care ajunge pe
suprafa a P mântului este considerat a fi suficient pentru a dep i de 20.000 de ori nevoia de energie electric . Aceast resurs este îns distribuit inegal si fluctuant. Regiunile din apropierea ecuatorului primesc mult mai mult lumin decât zonele cu latitudine mai mare, iar norii pot absorbi sau împr tia energia solar înainte ca aceasta s
ajung
pe P mânt. De aceea, multe aplica ii ale energiei solare sunt
practicabile doar în zone cu lumin solar puternic . Din radia ia primit de P mânt: •
30% este reflectat in spa iu,
•
47% este absorbit
•
23% este folosit în ciclul de evaporare i precipita ii ale atmosferei
•
0,5% se reg se te sub form de fotosintez în plante.
i remis spa iului sub form de radia ie în infraro u,
Energia emis de Soare are lungimea de und situat în intervalul 2-10"7 i 4-10" 6 metri. Fiec rei lungimi de und îi corespunde o frecven
i o energie care se exprim în
electroni-vol i, sau eV. Lumina ro ie are energia cea mai mic din spectrul vizibil, în vreme ce lumina violet are energia cea mai mare. În spectrul invizibil, razele ultraviolete, au o energie mai mare decât spectrul vizibil, în vreme ce razele infraro ii, pe care le sim im drept c ldur , au o energie mai mic decât energia luminii. Celulele solare r spund în mod diferit la diferitele lungimi de und a luminii. De exemplu, siliciul monocristalin poate utiliza întregul spectru vizibil, plus o parte a
5
spectrului infraro u. Radia iile cu lungime de und
prea mare caracterizate printr-o
energie mic , sunt prea slabe energetic pentru a putea produce curent electric. De asemenea radia iile a c ror energie este prea mare, pot produce curent electric, dar marea parte a energiei lor nu este utilizat . În concluzie, lumina care are o energie prea mic sau prea mare nu este folosit de celulele solare pentru a produce electricitate, ci este transformat de acestea în c ldur . În compara ie cu sursele neconven ionale de energie radia ia solar
posed
urm toarele avantaje : •
este o surs practic inepuizabil
•
are un poten ial uria .
•
este echitabil disponibil .
•
fiind dispersat in teritoriu poate asigura conversia in alte forme de energie la locul de utilizare, eliminându-se transportul la distan .
•
nu depinde de parteneri str ini.
•
este "curat ", adic este una din pu inele forme de energie practic nepoluant . Aceste însu iri, ale energiei solare, au f cut ca omenirea, confruntata cu o criza
energetic serioas , s se Întoarc la sursele primare, s reconsidere utiliz rile posibile si rentabile ale energiei solare.
2.2 EFECTUL FOTOVOLTAIC Energia solar
poate fi convertit
direct în energie electric
folosind efectul
fotovoltaic. Dispozitivele în care se realizeaz conversia energiei luminii solare în energie electric
prin efect fotovoltaic
sunt denumite generatoare fotovoltaice (FV).
Generatoarele fotovoltaice elementare se numesc celule fotovoltaice sau fotocelule Fenomenul gener rii unui curent electric într-un circuit sub ac iunea luminii prin efect fotovoltaic a fost descoperit de fizicianul francez Becquerel in anul 1839. Acesta a observat c , unul dintre electrozii circuitului electric cufundat într-o solu ie de electrolit iluminat în circuit apare un curent electric. Ulterior Frenkel (1935), Landau (1936) i al i fizicieni au descoperit c , prin iluminarea unei sec iuni din suprafa a unui semiconductor, iar cealalt sec iune din suprafa a semiconductorului r mâne neluminat , între capetele semiconductorului apare o diferen a de poten ial.
6
Efectul fotovoltaic luminoas
în energie electric
determin
anumite materiale s
converteasc
energia
la nivel atomic. Când lumina str luce te pe o celul
fotovoltaic , ea poate fi reflectat , absorbit , sau s treac direct prin material. Îns numai lumina absorbit genereaz electricitate. În elegerea efectului fotovoltaic este legat de cunoa terea fenomenelor ce au loc in jonc iunea p-n a dou materiale semiconductoare de tip p i de tip n. Vom prezenta în continuare no iunile de baz necesare pentru a explica i a în elege principiul de func ionare a celulei fotovoltaice . Se cunoa te c , lumina este alc tuit din particule, fotoni. Fiecare foton are o anumit energie caracteristic nivelului energetic al înveli ului electronic al atomului de unde provin sau sunt emi i. Ace ti fotoni sunt fotonii electronici termici: •
infraro ii
•
vizibili
•
ultraviole i.
La interac iunea fotonilor electronici cu substan -materia se produc urm toarele procese: •
un foton electronic poate fi absorbit de un electron situat pe o orbit energetic fundamental inferioar din înveli ul electronic al atomului, electronul va trece pe o orbita superioar , aici electronul nu are o situa ie stabil datorit fotonului i energiei absorbite, va reveni pe orbita fundamental inferioar de unde a plecat ini ial, emi ând fotonul i energia absorbit ;
•
un foton electronic smulge un electron din înveli ul electronic al atomului consumându- i complet energia, electronul eliberat se nume te fotoelectron.
•
un foton electronic se ciocne te cu un electron din înveli ul electronic al atomului pe care îl smulge din atom, c ruia îi transmite numai o parte din energia sa, fotonul este deviat de la direc ia sa ini ial
i are o frecven
mai mic (Eí = hní)
decât cea pe care a avut-o înaintea ciocnirii cu electronul, iar electronul smuls din înveli ul electronic al atomului se nume te electron Compton. Dac un astfel de foton intr in sec iunea p a semiconductorului, el poate fi absorbit aici. Într-un corp solid atomii au o configura ie caracteristic fiec rui material. O configura ie care se repet periodic În volumul materialului formeaz o re ea cristalin .
7
În nodurile re elei cristaline se afl
atomii, iar leg turile dintre ace tia sunt
realizate cu ajutorul electronilor care au sarcina electric negativ nucleelor înc rcate pozitiv. Dac
i graviteaz in jurul
electronii se deplaseaz liberi în re eaua cristalin ,
corpurile sunt bune conductoare de electricitate, iar dac electronii nu se pot deplasa liberi in re eaua cristalina corpurile nu sunt bune conductoare de electricitate. Metalele sunt bune conductoare de electricitate, iar izolatori nu sunt buni conductori de electricitate. Semiconductorii se situeaz din punct de vedere al conductan ei electrice intre metale si izolatori. Semiconductori sunt buni conductori de electricitate in momentul în care materialului i se comunic
energie din exterior, iluminare sau înc lzire. Sub
interac iunea energiei primite din exterior, electronii ies din starea în care se afl ini ial in re eaua cristalin
i se deplaseaz liberi in re ea.
Energia de activare a electronilor este produs prin iluminare sau înc lzire. În semiconductori exista dou tipuri de purt tori de sarcini, electronii purt tori de sarcini negative i ioni pozitivi sau goluri purt tori de sarcini pozitive. Un gol sau o sarcin pozitiv ia na tere in momentul in care unui electron i s-a comunicat energia de activare si p
se te atomul care devine, ion pozitiv. Dac un câmp electric exterior oblig electronii s se deplaseze ordonat, locurile
ramase goale se deplaseaz în sens contrar mi
rii electronilor. Semiconductorul în care
num rul sarcinilor negative, electronii este egal cu num rul sarcinilor pozitive, goluri se nume te semiconductor intrinsec. O dat cu comunicarea energiei de activare, în material va cre te num rul purt torilor de sarcini negative i pozitive in mod egal, deoarece la smulgerea unui electron din leg tura sa atomic apare simultan i un gol, se genereaz o pereche electron-gol. În felul acesta cre te conductibilitatea electric a semiconductorilor. Conductibilitatea semiconductorilor cre te foarte mult când ace tia con in impurit i. Dac
in re eaua cristalin
a siliciului care are patru electroni de valen ,
introducem un atom de arsen(cazul b) care are cinci electroni de valen electronii de valen
ai arsenului este in plus fa
de num rul de electroni de valen
siliciului, iar in raport de satisfacerea leg turilor de valen
8
unul din ai
siliciu-arsen, electronul in
plus este slab legat de atomul de arsen si devine liber. În acest caz atomul de arsen devine ion pozitiv. Siliciul impurificat cu arsen (electroni) este un semiconductor de tip n, iar arsenul este o impuritate care doneaz electroni. Dac
în re eaua cristalin
a siliciului care are patru electroni de valen ,
introducem un atom de galiu(cazul c) care are trei electroni de valen . Electronii de valen
ai galiului au în minus un electron fa
de num rul de electroni de valen
siliciului, iar in raport de satisfacerea leg turilor de valen
ai
siliciu-galiu, apare un gol
legat de atomul de galiu. Acest lucru poate fi observat in urm toarea figur :
Figura 2.1
Dac ilumin m semiconductorul siliciu-galiu, un electron de valen
din re ea va
completa electronul lips , iar atomul de galiu devine ion negativ. Siliciul impurificat cu galiu (goluri) este un semiconductor de tip p, iar galiu este o impuritate acceptoare de electroni. Semiconductoarele de tip n care au un exces de sarcini negative, electroni se numesc purt tori de sarcini majoritare. În aceste semiconductoare de tip n exist
i
purt tori de sarcini pozitive (goluri), dar în num r foarte mic se numesc purt tori de sarcini minoritare. Prin iluminare semiconductoarelor de tip n le comunic m energia de activare care duce la apari ia de perechi electron-gol, dar fiindc în semiconductorul de tip n exist deja foarte mul i electroni liberi num rul electronilor nou crea i va fi foarte mic fa a de num rul ini ial de electroni. Semiconductoarele de tip p care au un exces de sarcini pozitive (goluri) se numesc purt tori de sarcini majoritare. In aceste semiconductoare de tip p exist si purt tori de sarcini negative (electroni), dar in num r foarte mic se numesc purt tori de
9
sarcini minoritare. Prin iluminare semiconductoarelor de tip p le comunic m energia de activare care duce la apari ia de perechi electron-gol, dar fiindc in semiconductorul de tip p exist deja foarte multe goluri libere, num rul electronilor nou crea i va fi foarte mic fa de num rul ini ial de goluri. De aici, putem trage concluzia c , prin iluminarea semiconductoarelor extrinseci se afecteaz doar num rul purt torilor de sarcini minoritare, iar num rul purt torilor de sarcini majoritare r mân aproape neschimbate. În prezent, se utilizeaz semiconductori în care fenomenul conversiei fotovoltaice are loc la contactul intim dintre doi semiconductori, unul de tip n si altul de tip p, adic o jonc iune p-n. Semiconductorii de acest tip se pot crea din doi semiconductori realiza i din buc i de materiale diferite sau din acela i material. În ambele cazuri contactul lor se realizeaz mecanic. În cazul utiliz rii unor buc i diferite de material pentru realizarea semiconductoarelor, de exemplu semiconductor din siliciu de tip n i semiconductor din germaniu de tip p, sau invers, jonc iunea dintre cei doi semiconductori se nume te heterojonc iune. În cadrul aceluia i semiconductor putem realiza doua sec iuni, una de tip n si cealalt de tip p. Astfel, in semiconductoarele de siliciu in care avem dou sec iuni interiore adiacente, una de tip n si alta de tip p, jonc iunea ob inut
se nume te
homojonc iune. În cazul sec iunii n a semiconductorului se afl mai mul i electroni (majoritari) i foarte pu ine goluri (minoritari), iar în sec iunea p se afl mai multe goluri (majoritari) i foarte putini electroni (minoritari). Electronii majoritari din sec iunea n sunt foarte înghesui i i tind s p sec iunea n i s
treac
seasc
in sec iunea p. Electronii liberi în stare de înghesuial din
sec iunea n constrân i s stea intr-un domeniu finit, trec în sec iunea p în mod liber, poart denumirea de difuzie. Dac nu intervine nici o alt cauz din exterior asupra acestei difuzii, ea continu pân ce num rul de particule se egaleaz între cele dou sec iuni care reflect
principiul de energie minim
i sile te
sau oblig
atomii din
material s ocupe pozi ii bine determinate in re eaua cristalin . Deplasarea electronilor din sec iunea n în p, in zona I r mân ionii pozitivi, golurile, iar deplasarea golurilor din sec iunea p în regiunea n, în zona II r mân ionii negativi, electronii. O trecere ulterioar a electronilor din zona I in zona II va fi frânat de prezen a sarcinilor negative, electroni care au aceea i sarcin
10
electric , se resping
reciproc. O trecere ulterioar a golurilor din zona I in zona II va fi frânat de prezen a sarcinilor pozitive, goluri care au aceea i sarcin electric , se resping reciproc. Concentra iile de electroni si goluri nu vor putea s se uniformizeze în cele dou sec iuni n i p, ci se va stabili o situa ie de echilibru pentru deplasarea electronilor i separat o situa ie de echilibru pentru deplasarea golurilor din acelea i zone. În cazul acesta rezult , sarcini pozitive +, necompensate în zona I
i
sarcini negative -,
necompensate în zona II. În prezen a jonc iunii n-p i a fenomenului de difuzie s-au separate sarcinile pozitive de cele negative din sec iunile cu care ele se compensau ini ial. Ca atare, va apare un câmp electric E intern i corespunz tor o tensiune U intern în zonele I si II.
Figura 2.2. Jonc iunea p-n
Pe ansamblul celor dou sec iuni n i p sarcina negativ va echilibra sarcina pozitiv , pe ansamblu semiconductorul î i p streaz neutralitatea electric . Aceasta a fost comportarea unei jonc iuni p-n în echilibru termic f
ac iuni perturbatoare exterioare.
Dac supunem aceast structur echilibrat intern ac iunii luminii va avea loc o perturba ie extern
i în acest sens exist dou posibilit ii. Dac lumina-fotonii va c dea
pe sec iunea p a semiconductorului, ei sunt absorbi i aici. Dac energia fotonilor este mai mare decât energia de activare, va genera perechi electroni-goluri, iar dac energia fotonului este mic , el va trece prin semiconductor cedându- i energia par ial sau total re elei cristaline care se va înc lzi f
a putea îns produce perechi de purt tori.
Electronii i golurile nou create se mi
liber în interiorul sec iunii p prin
fenomenul de difuzie. Electronii ajung la jonc iune unde vor fi atra i de sarcina pozitiv a zonei I si vor trece jonc iunea. Golurile vor fi respinse de zona I i sunt nevoite s r mân în sec iunea p. Astfel apare o separare a purt torilor de sarcin nou crea i i prezen a
11
câmpului electric E intern la jonc iune, ca urmare în sec iunea p apare o sarcin necompensabil pozitiv . Dac lumina-fotonii va c dea pe sec iunea n a semiconductorului, ei sunt absorbi i aici. Dac energia fotonilor este mai mare decât energia de activare, va genera perechi electroni-goluri. Electronii si golurile nou create se mi
liber în interiorul sec iunii p
prin fenomenul de difuzie. Golurile fiind in exces ajung la jonc iune unde vor fi atra i de sarcina negativ a zonei II i vor trece jonc iunea. Electronii vor fi respin i de zona I i sunt nevoite s mân în sec iunea n, ca atare în aceast sec iune n apare o sarcin necompensat negativ . Deci, în urma interac iunii fotonilor cu semiconductorul, în interiorul acestuia apar sarcini electrice pozitive în sec iunea p i sarcini electrice negative în sec iunea n i a unui câmp electric E foto cu sensul opus câmpului E intern. Dac num rul de fotoni este suficient, cele dou câmpuri se anuleaz reciproc i nu mai poate exista câmp intern care separe purt torii de sarcin . Aceasta este condi ia ce determin tensiunea în gol a homojonc iunii U intern. Dac închidem circuitul pe o rezistent de sarcin E prin acesta va trece un curent, deci se consum o energie electric
ce reprezint
o frac iune din energia fotonilor
inciden i. Frac iunea de energie a fotonilor inciden i se nume te randament n caracterizeaz
i
un anumit tip de foto-convertor. Pân în prezent s-au realizat celule
fotovoltaice cu un randament de aproximativ 11% .
2.3 AVANTAJELE ENERGIEI SOLARE Energia solar este destul de simplu de utilizat, direct de la soare mod normal pe P mânt. Soarele creeaz
i colectat în
energia printr-un proces termonuclear ce
converte te 650.000.000 tone de hidrogen în heliu în fiecare secund . Procesul genereaz ldur
i radia ii electromagnetice. C ldura r mâne în soare, fiind vital
în
men inerea reac iilor termonucleare. Radia ia electromagnetic (inclusiv lumina vizibil , infra-ro ie i ultra-violet ) este emanat în toate direc iile în spa iu. Doar o mic frac iune din radia ia total produs atinge P mântul. Radia ia ce
12
atinge suprafa a terestr este indirect sursa a aproape fiec rei forme de energie utilizat în prezent. Excep iile sunt energia geotermal , fisiunea i fuziunea nuclear . Chiar
i
combustibilii fosili î i datoreaz originea soarelui; cu mult timp în urm , ace tia erau plante i animale vii care depindeau de energia soarelui.
Figura 2.3. Panou foto-voltaic
Datorit naturii energiei solare, sunt necesare 2 componente pentru a ob ine un generator solar func ional. Aceste 2 componente sunt colectorul Colectorul colecteaz
radia ia incident
i o unitate de stocare.
i converte te o frac iune din ea în alte
forme de energie (electricitate sau doar c ldur ). Unitatea de stocare este necesar datorit
naturii inconstante a energiei solare, în anumite momente fiind posibil
receptarea doar a unei mici cantit i de radia ii. În timpul nop ii sau în zile foarte înnorate de exemplu, cantitatea de energie produs de colector va fi infim . Unitatea de stocare poate p stra energia suplimentar produs în timpul perioadelor de activitate maxim
io
poate elibera în perioade cu activitate sc zut a panoului solar. În practic se mai adaug i o baterie de rezerv , pentru situa iile în care cantitatea de energie necesar este mai mare decât cantitatea de energie produs colectare
i cea din unitatea de stocare. Metodele de
i stocare a energiei solare variaz în func ie de aplica iile în care este utilizat .
În general, exist 3 tipuri de colectori i multe forme pentru unit ile de stocare. Cele trei tipuri de colectori sunt plani, cu focalizare i pasivi. Colectorii plani sunt cei mai r spândi i. Sunt de fapt matrici de panouri solare pe o suprafa
dreapt . Pot avea aproape orice dimensiune iar energia produs depinde
direct de variabile precum dimensiune, orientare
13
i grad de cur enie. Aceste
variabile
afecteaz cantitatea de radia ii incidente pe colector. De multe ori, aceste
panouri colectoare dispun de dispozitive automate de orientare spre soare. Energia suplimentar câ tigat din pozi ionare este cu mult mai mare decât energia necesar ac ion rii motoarelor pentru corectarea orient rii panourilor.
Figura 2.4. Energia solar
Colectoarele cu focalizare sunt în esen
colectoare plane cu dispozitive optice
aranjate pentru a maximiza cantitatea de radia ie incident pe colector. În prezent sunt utilizate la scar redus în câteva loca ii. Cuptoarele solare sunt un exemplu pentru acest tip de colector. De i pot produce mai mari cantit i de energie într-un singur loc, ele pierd o parte din energie pe care panourile plane nu o pierd. Radia ia reflectat sol este de obicei captat
de
de colectoarele plane dar ignorat de cele cu focalizare (în
regiunile înz pezite, aceast energie reflectat poate fi prezent în cantitate foarte mare). O alt problem a colectoarelor cu focalizare este temperatura. Fragilele componente de siliciu ce absorb radia ia incident
î i pierd eficien a la temperaturi înalte, putând fi
iremediabil deteriorate dac se supraînc lzesc. Colectoarele cu focalizare, prin îns i natura lor, pot crea temperaturi foarte înalte i necesit protec ii pentru componentele de siliciu. Colectoarele pasive sunt complet diferite de celelalte 2 tipuri de colectoare. Colectoarele pasive absorb radia ia i o convertesc în c ldur în mod natural, f
a fi
special concepute în acest scop. Toate obiectele au proprietatea, pân la un anumit nivel, dar doar anumite obiecte (ex. pere i) vor putea produce suficient c ldur pentru ca procesul s fie economic. De multe ori, capacitatea lor natural de a converti radia ia în ldur , este cumva amplificat (prin vopsire cu o culoare neagr de ex.) i se adaug un sistem pentru transferul c ldurii spre o alt loca ie.
14
2.4 CELULA FOTOVOLTAIC O celul fotovoltaic (figura 2.3) din siliciu se compune dintr-o pl cu
de siliciu
de tip n, pe care se ob ine o sec iune de tip p prin difuzia unei impurit i acceptoare, realizându-se o jonc iune p-n, electrodul superior care în unele cazuri este acoperit cu un strat de protec ie transparent i un electrod inferior.
Figura 2.5. Celula fotovoltaic
2.4.1 MATERIALE FOLOSITE În prezent, materialele mai des folosite in construc ia celulelor fotovoltaice sunt materiale semiconductoare cum ar fi : •
Siliciu (Si) mono si policristalin, siliciu amorf
•
Membrane sub iri policristaline: diselenid de cupru-indiu (CuInSe2), telulura de cadmiu (CdTe)
•
Membrane sub iri monocristaline: arseniura de galiu (GaAs)
Pia a mondial este dominat de celule solare din Si cristalin si policristalin, constituind ¾ din vânz ri. Celulele PV din Si cristalin sunt fabricate prin taiere din lingouri sau monocristale de siliciu. Caracterul cristalin al unui material indic cât de perfect sunt ordona i atomii în structura cristalului. Siliciul, la fel ca i alte materiale semiconductoare cu celule solare, poate s apar în diverse forme: monocristalin, multicristalin, policristalin sau amorf.
15
În cadrul unui material monocristalin, atomii ce alc tuiesc cadrul cristalului se repet într-o manier foarte regulat , ordonat de la un strat la altul. Dimpotriv , într-un material compus din numeroase cristale mai mici, aranjamentul ordonat este afectat când trecem de la un cristal la altul. O schem
de clasificare pentru siliciu folose te o m rime aproximativ
a
cristalului i cuprinde de asemenea metodele care se folosesc în mod tipic la cre terea sau depunerea unui astfel de material. Intervalul de m rime a Metoda de depunere cristalului
Tip de siliciu
Prescurtare
Siliciu monocristalin
sc-Si
>10 cm
Zon de flotare Czochralski
Siliciu multicristalin
Mc-Si
1 mm - 10 cm
Turnare, foaie, band plat
Siliciu policristalin
pc-Si
1mm
Depunere de vapori chimici
Siliciu microcristalin
mc-Si
<1 mm
Depunere de plasm
Coeficientul de absorb ie a unui material indic cât de departe poate lumina ce are o lungime de und specific (sau energie) s penetreze materialul înainte de a fi absorbit . Un coeficient mic de absorb ie înseamn c lumina nu este absorbit u or de material. Din nou, coeficientul de absorb ie a unei celule solare depinde de doi factori: materialul ce alc tuie te celula i lungimea de und
sau energia luminii absorbite. Materialul cu
celul solar are o muchie abrupt a coeficientului s u de absorb ie. Motivul este acela lumina a c rei energie este sub zona de energie interzis a materialului nu poate elibera un electron, i astfel, nu este absorbit . Zona de energie interzis
a unui material semiconductor este o cantitate de
energie. Mai exact, este energia minim necesar pentru a mi ca un electron din starea sa legat în interiorul unui atom c tre o stare liber . Aceast stare liber este aceea în care un electron poate fi implicat în conduc ie.
16
Nivelul de energie mai joas a unui semiconductor se nume te "band de valen ". Iar nivelul de energie mai înalt în care un electron este liber s se mi te se nume te "band de conduc ie". Zona de energie interzis (notat adesea cu E9) este diferen a de energie între banda de conduc ie i banda de valen . ile cele mai importante ale unei celule solare sunt straturile semiconductoare, pentru c aici sunt elibera i electronii i se creeaz curentul electric, este zona activ
"unde se desf oar
ac iunea". Se folosesc mai multe materiale
semiconductoare diferite pentru a face straturile în tipuri diferite de celule solare, iar fiecare material are avantajele i neajunsurile sale. Costul i complexitatea fabrica iei pot varia pentru aceste materiale i structuri de dispozitive în func ie de mul i factori, inclusiv depunerea într-un mediu de vid, cantitatea i tipul materialului utilizat num rul de pa i implica i, nevoia de a muta celulele în diferite camere de depunere i altele.
Figura 2.6. Structura unei celule solare
O celul solar tipic const dintr-un înveli de sticl sau plastic sau un alt tip de înveli , un strat împotriva reflec iei, un contact frontal care permite electronilor s intre într-un circuit, un contact posterior care le permite s semiconductoare pe care electronii î i încep i î i încheie c
închid
circuitul i stratele
toria.
Dispozitivele fotovoltaice pot fi confec ionate din diverse tipuri de materiale semiconductoare, depuse sau aranjate în diverse structuri, pentru a produce celule solare care au o performan optim .
17
Principalele trei tipuri de materiale folosite la celulele solare: primul tip este siliciul, care se poate fi folosit în diverse forme, inclusiv monocristalin , multicristalin
i
amorf . Al doilea tip sunt membranele sub iri policristaline, cu dezbaterea specific a diseleniurii de cupru indiu (CIS), telurur de cadmiu (CdTe) i siliciu cu membran sub ire. în cele din urm , al treilea tip de material este membrana sub ire monocristalin , concentrându-ne în special pe celulele confec ionate cu arseniur
de
galiu.
2.4.2 STRATUL ANTIREFLECTANT Siliciul este un material gri str lucitor i poate ac iona ca o oglind , reflectând mai mult de 30% din lumina care cade pe el. Pentru a îmbun
i eficien a de conversie a
unei celule solare, se dore te minimizarea cantit ii de lumin reflectat
astfel încât
materialul semiconductor s poat capta cât mai mult lumin pentru a fi utilizat de electronii care se elibereaz . În mod uzual se folosesc dou tehnici pentru a reduce reflexia. Prima tehnic
este acoperirea suprafe ei superioare cu un strat sub ire de
monoxid de siliciu (SiO). Un singur strat reduce reflexia suprafe ei la aproximativ 10%, iar un al doilea strat poate reduce reflexia la mai pu in de 4%. O a doua tehnic const în texturarea suprafe ei superioare. Gravura chimic creeaz un model de conuri i piramide, care capteaz razele de lumin care în alte condi ii ar putea fi refractat în afara celulei. Lumina reflectat este reorientat în jos în celul , unde mai are înc o ans s fie absorbit .
2.4.3 CONTACTELE ELECTRICE Contactele electrice sunt esen iale pentru o celul fotovoltaic (FV) deoarece acestea pot face leg tura între materialul semiconductor i sarcina electric extern , cum ar fi un bec electric. Contactul posterior al unei celule - din partea opus luminii soarelui incidente este relativ simplu. Const de obicei dintr-un strat de aluminiu sau metal molibden. îns contactul frontal - de partea cu fa a la soare - este mai complicat. Când lumina solar cade pe celula FV, un curent de electroni circul pe toat suprafa a sa. Dac ata m contacte numai la marginile celulei, nu va func iona bine din cauza rezisten ei electrice
18
ridicate a stratului semiconductor superior. Numai un mic num r de electroni vor ajunge la contact. Pentru a colecta cea mai mare parte a curentului, trebuie s punem contacte de-a lungul întregii suprafe e a unei celule FV. Acest lucru se face în mod normal cu o "tij " de benzi metalice sau " tifturi". Totu i, punerea unei tije mari, care este opac , deasupra celulei umbre te p celulei este astfel redus
ile active ale celulei de soare. Eficien a de conversie a în mod semnificativ. Pentru a îmbun
i eficien a de
conversie, trebuie s minimiz m aceste efecte de umbrire. Contactele tijei de pe suprafa a superioar a unei celule tipice sunt proiectate pentru a avea multe tifturi conductive sub iri, r spândite în fiecare parte a suprafe ei celulei. O alt provocare a modelului celulei este minimizarea pierderilor de rezisten electric când aplic m contactele tijei la materialul celulei solare. Aceste pierderi sunt legate de proprietatea materialului celulei solare de a se opune circuitului unui curent electric, ceea ce duce la înc lzirea materialului. De aceea, când proiect m contactele tijei, trebuie s echilibr m efectele de umbrire cu pierderile de rezisten
electric . Abordarea
obi nuit const în proiectarea de tije cu multe tifturi sub iri i conductive, r spândite în fiecare parte a suprafe ei celulei. tifturile tijei trebuie s fie suficient de groase pentru a conduce bine curentul (cu rezisten
mic ), îns îndeajuns de sub iri ca s nu blocheze
mare parte din lumina inciden . Acest tip de tij men ine sc zute pierderile de rezisten , în timp ce umbre te numai aproximativ 3% pân la 5% din suprafa a celulei. Tijele pot fi scump de fabricat i pot afecta siguran a celulei. Pentru a face tije pentru suprafa a superioar , putem fie s depunem vapori metalici pe o celul printr-o masc , fie s le vopsim cu o metod serigrafic . Fotolitografia este metoda preferat pentru calitatea cea mai înalt , îns are costul cel mai mare. Acest proces implic transferarea unei imagini prin fotografie, ca în cazul tip riri moderne. O alternativ
la contactele tijei metalice este un strat de oxid conductor
transparent (TCO), cum este oxidul de cositor (SnO2). Avantajul TCO este c sunt aproape invizibile la lumina inciden
i formeaz o bun leg tur dinspre materialul
semiconductor c tre circuitul electric extern. TCO sunt foarte utile în procesele de fabrica ie ce implic un suprastrat de sticl , care este înveli ul p
19
ii cu fa a la soare a
unui modul fotovoltaic. Unele celule fotovoltaice cu membran sub ire, cum sunt siliciul amorf i telurura de cadmiu, folosesc suprastraturi. În acest proces, TCO este depus în general ca pe o membran sub ire pe suprastratul de sticl înainte de depunerea straturilor semiconductoare. Straturile semiconductoare sunt apoi urmate de un contact metalic care va fi de fapt partea inferioar a celulei. Dup cum se poate observa, celula este construit de fapt "invers", din partea superioar c tre cea inferioar . îns tehnica de construc ie nu este singurul lucru care determin dac pentru un anumit model de celul cea mai bun este o tij metalic sau TCO. Rezisten a foii semiconductorului este i ea o considera ie important . în cazul siliciului cristalin, de exemplu, semiconductorul poart
electronii îndeajuns de bine
pentru a ajunge la un tift al tijei metalice. Deoarece metalul conduce electricitatea mai bine decât un TCO, pierderile datorate umbririi sunt mai mici decât pierderile asociate cu utilizarea unui TCO. Siliciul amorf, pe de alt parte, conduce curentul foarte slab în direc ie orizontal . De aceea, el este avantajat de prezen a unui TCO pe întreaga sa suprafa .
2.5 DE LA CELUL LA MATRICE Celula fotovoltaic individual
este unitatea de baz
produce în general între 1
într-un sistem fotovoltaic. O celul
i 2 W, cu mult prea pu in
putere pentru
majoritatea aplica iilor. Dar putem m ri puterea, conectând mai multe celule împreun , formând entit i mai mari numite module. Modulele, la rândul lor, pot fi conectate pentru a forma unit i mai mari numite matrici, ce pot fi interconectate pentru a genera mai mult putere,
.a.m.d. În acest fel, putem construi un sistem fotovoltaic pentru a genera orice
cantitate de energie dorit , indiferent cât de mic sau mare.
Figura 2.7. Celul , modul, matrice
20
Module sau matrici individuale nu constituie un sistem fotovoltaic. Mai trebuie s dispunem i de structuri pe care s le mont m i îndrepta spre soare precum i componente ce preiau curentul continuu (DC) produs de module i matrici pentru a-l utiliza în aplica ii specifice.
Figura 2.8. Celul solar
Celula solar este blocul de baz al unui sistem fotovoltaic. Celule individuale pot varia ca i dimensiuni de la cca. 1 cm la 10 cm în diametru. O celul produce îns doar 1-2 W, putere insuficient pentru majoritatea aplica iilor. Un modul const în general din mai multe celule solare, de i materiale foarte sub iri precum silicon amorf i aliaj de cadmiu cu telur pot fi concepute direct în form modular , evitând stadiul de celule. Aceste dou
module siliconice produc aproximativ 50W
fiecare, generând suficient putere pentru iluminarea stradal utilizând o baterie de 12V. Acest tip de module pot fi conectate i în form matricial . Matricile sunt marile produc toare de putere, fiind compuse din multiple module. Ele pot produce pân la câ iva megawa i de putere.
2.6. UTILIZARE
Figura 2.9. Exemple de aplicare a tehnologiei solare
21
Dintre principalele utiliz ri ale energiei, cea mai pu in indicat este transportul. Pentru c sunt mari, vehicule relativ încete precum vapoarele s-ar putea alimenta cu ajutorul unor panouri solare de mari dimensiuni, pe când vehicule mici, rapide, n-ar putea. Singura modalitate de a alimenta o ma in strict cu energie solar ar fi prin utilizarea unei baterii înc rcat
de o sta ie solar
sta ionar . Ma inile electrice alimentate par ial cu
energie solar sunt deja disponibile, dar este pu in probabil c energia solar va reprezenta viitoarea surs de energie pentru transportul persoanelor.
Figura 2.10. Exemple de aplicare a tehnologiei solare
Energia solar are mari avantaje fa faptul c e regenerabil
de combustibilii fosili: primul avantaj este
i nu va disp rea atât de curând. Al doilea este efectul s u asupra
mediului înconjur tor. În timp ce arderea combustibililor fosili genereaz
o poluare
masiv a atmosferei i contribuie la probleme ecologice precum înc lzirea global
i ploile
acide, energia solar este complet nepoluant . Pentru a alimenta o fabric de electricitate cu combustibilul dorit, sunt uneori întregii planete. Din punct de vedere ecologic, este non-distructiv . Practic, poate fi adaptat pentru alimentarea unor diver i consumatori, cu excep ia transporturilor,
i poate chiar
i în transporturi, prin modific ri ale
modului curent de deplasare. În mod clar, energia solar este resursa viitorului.
2.7. RANDAMENTUL UNEI CELULE FOTOVOLTAICE Cea mai important
m rime caracteristic
a unei fotocelule este randamentul
conversiei si se poate calcula cu urm toarea formul :
U ⋅I (2.7.1) N f ⋅ h ⋅υ i are valori cuprinse între 0.07–0.14 % . unde: U - reprezint tensiunea la bornele celulei fotoelectrice η=
22
I - reprezint curentul eletric prin celul N f - reprezint num rul de fotoni inciden i într-o secund pe suprafa a luminat a jonc iunii h ⋅ υ - energia unui foton incident Valoarea randamentului cre te odat cu cre terea gradului de iluminare dar se reduce cu cre terea temperaturii. Din punct de vedere teoretic randamentul maxim este limitat de ciclul Carnot a carui valoare, având în vedere temperatura soarelui T1 = 60000K i a p mantului 0 T2 = 300 K ,este: T1 − T2 60000K − 3000 K = = 0.95% (2.7.2) T1 60000K ceea ce fa ce ca s fie superior celorlalte convertoare de energie care sunt limitate la valori ale randamentului mult mai mici . Cauzele reducerii randamentului sunt: ηc =
-30% din radia ia incident se reflect
i din acest motiv pe suprafa a celulei se dispun :
straturi antireflectante de TiO2 sau forme constructive multireflectante - o parte din fotoni nu formeaz perechi electron-gol cu durata de viat suficient de mare i perechea se recombin inainte de a genera un curent util i prin aceasta, energia fotonilor respectivi contribuie numai la înc lzirea neutil a celulei. - nu to i fotonii posed o energie cuprins într-o plaj optim , atât fotonii de mic energie cât celula f
i cei de mare energie nefiind utili (deoarece cei de mare energie str bat
a genera un electron liber);
- exist
pierderi de energie prin rezisten ele interne de contact i din aceast cauz
tehnologiile actuale sunt adaptate s mic oreze mult aceste rezisten e. - pierderi ca urmare a unei serii de procese ce se petrec în timpul conversiei electrice - procese care intervin dup ce energia radiant a fost transferat semiconductorului - pentru fiecare proces se poate defini cate o “eficienta partiala” - eficienta celulei rezult ca un produs al tuturor “eficien elor par iale” - p trunderea luminii prin suprafa - absorb ia incomplet - pierderi de tensiune - jum tate din energia absorbit de la soare se pierde sub forma de caldur Sistemele fotovoltaice prezint un factor de randament foarte sc zut, din cauz c realizarea celulelor cu siliciu necesit mult energie. O celul genereaz dup tocmai 4
23
sau 5 ani energia consumat la fabricarea ei. Cum durata sistemelor fotovoltaice este de 20 - 30 ani, factorul de randament poate ajunge în cele mai bune cazuri la valoarea de 6. Pentru a m rii eficien a celulelor fotovoltaice, trebuie avut in vedere faptul c radia ia solar prezint un spectru larg de frecven , adic o mare varietate de energii fotonice. Utilizând semiconductoare cu band interzis
mai larg , se ob in tensiuni mai
mari la bornele fotocelulei. Dar semiconductoarele cu band
interzis
mai larg
utilizeaz doar o mic parte din fotonii inciden i, fapt care are ca rezultat ob inerea unui curent sc zut. Din acest motiv pentru a ob ine performan e ridicate pentru o fotocelul trebuie aleas o valoare de compromis a l imii benzii interzise. Obi nuit se adopt
(1 ÷ 2)eU .
Figura 2.11. L imea benzii
O alt metod
de cre tere a randamentului celulei fotovoltaice se poate ob ine
prin folosirea unui panou fotovoltaic dotat cu o instala ie de urm rire a mi
rii soarelui,
razele acestuia fiind in permanen a perpendiculare pe panoul solar. Acest lucru va fi tratat in continuare.
2.8.COMPARA IE INTRE UN SISTEM FIX SI UNUL MOBIL DE CELULE FOTOVOLTAICE.
Calculul simplificat al raportului dintre energia captat de la un panou solar fix i energia unui panou cu sistem de urm rire a mi pe unghiul α între raza solar
rii soarelui pe cer se bazeaz numai
i orizontala locului (la momentul de timp t).
24
Figura 2.12. Orientare dup soare
Un panou solar fix care la momentul A, corespunz tor unghiului α va avea suprafa a perpendicular pe razele soarelui de valoare:
S A = S ⋅ sin α (2.8.1) Iar la momentul B corespunz tor unghiului α + dα , suprafa a este : S B = S ⋅ sin(α + dα ) = S (sin α ⋅ cos α − sin dα ⋅ cos α ) ≅ S (sin α + dα ⋅ cos α ) (2.8.2) Considerând mi carea aparent a soarelui pe cer de la r rit la apus, în intervalul de timp T, se poate scrie: ω ⋅T = π
(2.8.3) π i deci: dα = ω ⋅ dt = ⋅ dt (2.8.4) T Energia captat în intervalul de timp dt, la unghiul α , va fi : dW1 = K s ⋅ S A ⋅ dt ≅ K s ⋅ S ⋅ sin α ⋅ dt (2.8.5) unde : K s -constanta solar i are valoarea ( K s =1kw/ m 2 la cer senin); Energia total rezult prin integrare: T /2 S T W1 = ∫ K s ⋅ S A ⋅ dt = −2 K s ⋅ S ⋅ cos ωt T0 / 2 = 2 ⋅ K s ⋅ = 2 ⋅ K s ⋅ S ⋅ = 0.63 ⋅ K S ⋅ S ⋅ T ω π 0 (2.8.6) Energia captat cu ajutorul unui sistem de urm rire a soarelui este : W2 = K s ⋅ S ⋅ T (2.8.7) deorece suprafa a panoului este tot timpul orientat perpendicular pe razele Soarelui. Prin urmare raportul energiilor are valoarea:
W1 0.63 ⋅ K s ⋅ S ⋅ T = = 0.63 (2.8.8) W2 Ks ⋅ S ⋅ T ceea ce înseamn c un panou solar prev zut cu un sistem mobil de urm rire a mi
rii
soarelui capteaz cu 37% mai mult energie decât un sistem fix, f cându-l competitiv economic pe cel mobil la puteri mari i zone de radia ie zilnic permanent .
25
CAP 3. SISTEME DE POZI IONARE. PREZENTAREA SERVOMECANISMELOR Servomecanismele reprezint sisteme de ac ionare automatizate care determin rimi fizice specifice cum sunt pozi ia, viteza sau accelera ia pentru sarcini de natur mecanic . în accep ia general
i actual , servomecanismele sunt sisteme automate de
reglare a pozi iei unei sarcini mecanice cu ajutorul motoarelor de ac ionare . Ca mod de comand se face distinc ie între comanda continu (reglaj de tip analogic) i cea discontinu în impulsuri (reglaj de tip digital). 3.1. CLASIFICAREA SERVOMECANISMELOR În literatur exist mai multe criterii de clasificare a servomecanismelor. O prim clasificare s-a men ionat deja, dup tipul comenzii, respectiv dup natura semnalelor prelucrate,
se
deosebesc
servomecanisme
analogice
i
discrete
(digitale,
numerice).Clasificarea este important îns dup criterii specifice, dintre care principale sunt: a. caracterul mi
rii obiectului pozi ionat;
b. regimul de pozi ionare; c. tipul elementului de execu ie. Dup mi carea obiectului pozi ionat, servomecanismele se împart în dou categorii, cu mi care continu
i cu mi care discontinu sau incremental . În figura 3.1 este ar tat
structura unui mecanism cu mi care continu , destinat pentru comanda pozi ion rii pe o ax a unui panou fotovoltaic.
Figura 3.1. Servomecanism pentru pozi ionarea pe o axa a unui panou fotovoltaic.
26
În figura 3.2 se arat clasificarea servomecanismelor dup primul criteriu. Schemele din figura 3.2 a i b corespund sistemelor cu mi care continu a obiectului pozi ionat antrenat de un servomotor ce lucreaz analog. Partea de comand poate fi analogic sau discret , figura 3.2 b. Sistemele în care cel pu in unul din elementele componente lucreaz cu semnale numerice ( trenuri de impulsuri, coduri sau semnale e antionate) constituie sisteme discrete de reglare ( care pot fi cu mi care continu ). Schema din figura 3.2 c reprezint un sistem de pozi ionare discret cu servomotor pas cu pas.
a.
b.
c. Figura 3.2. Clasificarea servomecanismelor.
O alt clasificare se face dup regimul de pozi ionare, adic referitor la aspectul curbelor de varia ie a accelera iei, vitezei i deplas rii obiectului pozi ionat. În acest sens se face distinc ia între: a. Pozi ionarea punct cu punct continu ; b. Pozi ionarea incremental sau intermitent ; c. Pozi ionarea prin conturare; d. Pozi ionarea prin urm rire i copiere. 27
Exemple ale regimului de pozi ionare punct cu punct, se întâlnesc la g urirea în coordonate i diverse pozi ion ri ale sculei sau piesei de prelucrat la ma ini unelte, schema de principiu fiind cea din figura 1.2 c. Servomecanismele de pozi ionare incremental sau intermitent , se deosebesc de cele anterioare prin repetarea diagramei precedente a ciclului de pozi ionare de un num r foarte mare de ori. Servomecanismele de pozi ionare prin conturare se supun condi iilor de realizare a unor contururi, adic
a unor curbe închise, descrise de func ii implicite de forma
F(x,,y,z), unde x,y,z sunt coordonate spa iale, ce pot fi exprimate i ca func ii parametrice de tip x(t), y(t), z(t). O curb plan sau în spa iu se realizeaz prin compunerea mi
rilor
dup una, dou sau, respectiv trei coordonate carteziene sau unghiulare. Func iile se ob in prin interpolare numeric
în unit i de calcul specializate în logic
cablat
sau
programat . În acest caz servomecanismul este un simplu executant, convertind semnalele x(t), y(t), prelucrate întru-un bloc de calcul numeric, în deplas ri pe cele dou axe ale obiectului de pozi ionare. Aceea i problem , a descrierii unei traiectorii, se pune la orientarea spa ial a unor antene de recep ie sau a instala iilor de panouri fotovoltaice pentru captarea energiei solare maxime. În acest caz controlul mi
rii se face dup dou grade de libertate azimut
i eleva ie. În cazul urm ririi pozi iei soarelui este necesar controlul vitezelor de antrenare a instala iei de captare, dup cele dou axe, azimutal
i de eleva ie.. Legile de varia ie a
vitezelor, dup azimut i respectiv eleva ie, au expresiile: ωa = ωe =
k (sin ϕ − cos ϕ ⋅ tgδ ⋅ cos ω e t )
(3.1.1)
sin 2 ω e t + sin ϕ ⋅ sin δ − cos ϕ ⋅ tgδ k ⋅ cos δ ⋅ tgϕ ⋅ sin ⋅ ω e
(3.1.2) 1 − sin ϕ ⋅ sin δ + cos ϕ ⋅ cos ω e t în care ϕ este latitudinea geografic a locului, δ eleva ia maxim a soarelui la data calendaristic , ω e - viteza de rota ie ecuatorial 1/1440 rot/min, t- timpul diurn între ore având ca origine miezul zilei, k- factor de propor ionalitate i k=15 dac ϕ exprim în grade. Servomecanismele pentru conturare au urm toarele caracteristici importante:
28
i δ se
-
conversia cu o anumit precizie a unui semnal variabil în timp în deplasare se face cu bucle de pozi ie i vitez bine puse la punct;
-
comanda vitezei este subordonat comenzii de pozi ie;
-
pentru precizie corespunz toare sistemul de transmisie mecanic trebuie executat riguros, cu jocuri i frec ri minime.
Servomecanismele de urm rire i copiere se caracterizeaz prin existen a unui prag de insensibilitate ce determin
o abatere între pozi ia de referin
i cea m surat .
Alegerea acestui prag este rezultatul unui compromis între precizie
i stabilitatea
sistemului.
3.2. ELEMENTE DE STRUCTUR A SERVOMECANISMELOR 3.2.1. ELEMENTE DE EXECU IE În sistemul de pozi ionare elementul de execu ie reprezint
elementul de
ac ionare, motorul, cu observa ia c acesta are un caracter dual, conversia energiei din electric în mecanic
i respectiv conversia informa iei în pozi ie a panoului pozi ionat.
De cele mai multe ori prin element de execu ie se în elege ansamblul amplificator finalelement de ac ionare, iar informa ia de comand constituie în acest caz m rimea de execu ie a sistemului automat.
Figura. 3.3. Schema bloc a elementului de execu ie.
Dup
tipul elementului de execu ie, servomecanismele se clasific
în:
- servomecanisme electrice, care folosesc motoare electrice de ac ionare a obiectului pozi ionat; -
servomecanisme electromecanice, care folosesc ca elemente de execu ie electromagne i, cuplaje, frâne sau ambreaje comandate electrice;
-
servomecanisme fluidice, care folosesc ca elemente de ac ionare motoare hidrauluice sau pneumatice. 29
Servomecanismele electrice sunt ma ini electrice proiectate special pentru a lucra în servosisteme de pozi ionare. Ele trebuie sa aib urm toarele performan e: 1. gam larg de modificare a vitezei în ambele sensuri; 2. func ionare stabil la vitez foarte mic ; 3. constante de timp cât mai reduse; 4. fiabilitate i robuste e ridicate; 5. raport cuplu/moment de iner ie cât mai mare; 6. suprasarcin dinamic admisibil mare; 7. caracteristici de reglare liniare. Servosistemele electrice care satisfac aceste condi ii sunt servomotoarele de c.c cu excita ie separat , servomotoarele pas cu pas i mai recent servomotoare de c.a trifazate fie asincrone, fie sincrone. Servomotorul de c.c cu excita ie separat este tipic pentru caracteristicile sale de reglare liniar . El este consacrat în pozi ionarea de mare precizie cu controlul vitezei, în variante adecvate (rotor disc, rotor pahar). 3.2.2. TRADUCTOARE UTILIZATE ÎN SERVOMECANISME. Pentru m surarea i respectiv conversia unor m rimi mecanice ( pozi ie, vitez , accelera ie, for , cuplu ) în m rimi electrice se utilizeaz traductoare. De i principal sunt simple, realizarea traductoarelor este de multe ori foarte delicat f când apel la materiale scumpe i la tehnologii de vârf. Structura de principiu a unui traductor este ar tat în figura 2.2, X fiind m rimea de m surat, U1 semnalul electric rezultat în urma conversiei, iar U2 semnalul electric prelucrat.
Figura 3.4. Structura unui traductor
30
Tipurile de traductoare pentru m surarea pozi iei sau deplas rii sunt cele mai numeroase. Mai mult, traductoarele de pozi ie sunt folosite ca elemente secundare în traductoarele de for , cuplu, accelera ie. În acestea rolul traductorului de pozi ie este de a genera un semnal electric la ie ire. Locul de plasare al traductorului în sistemul de pozi ionare depinde de procedeul de comparare a m rimii de referin
cu cea m surat . Practic este mai simpl compararea
unor semnale electrice, conform schemei din figura 3.4 , ceea ce presupune dou traductoare de pozi ie.
Figura 3.5. Plasarea traductoarelor în sistemul de pozi ionare
Traductoarele de pozi ie sunt de mai multe tipuri în func ie de m rimea m surat i de func ionarea lor, pot fi analogice sau numerice. Cele analogice se caracterizeaz prin traducerea unei pozi ii prin m surarea unei m rimi electrice propor ional cu deplasarea. Cele analogice sunt: -
Poten iometrele: traductoare de pozi ie rezistive, ce transform
deplasarea
mecanic intr-o tensiune; -
Traductoare inductive: înlocuiesc în m sur tot mai mare poten iometrele datorit
fiabilit ii mai bune, explicat
prin eliminarea contactului alunec tor specific
poten iometrului; Traductoarele de pozi ie numerice se întâlnesc în dou variante incrementale i absolute. -
Traductoarele incrementale se bazeaz
pe principiul m sur rii pozi iei prin
num rarea unor diviziuni înscrise pe o rigl sau un disc -
Traductoarele absolute se bazeaz pe acela i principii constructive ca i cele
incrementale în privin a citirii, îns discul sau rigla incremental sunt înlocuite cu elemente codificate (absolute). Discul sau rigla se codific de obicei în codul binar sau în codul Gray.
31
3.2.3 TRANSMISIA MECANIC Leg tura constructiv asigurat
între elementul de ac ionare i obiectul pozi ionat este
de transmisia mecanic . Problemele specifice transmisiei mecanice sunt
alegerea tipului de transmisie, calculul pe baza parametrilor mecanici impu i servomecanismului si identificarea ansamblului transmisie-sarcin
ca element al unui
sistem automat . 3.2.3.1 ALEGEREA TIPULUI TRANSMISIEI Alegerea tipului de transmisie mecanic se face dup urm toarele criterii: -
specificul obiectului pozi ionat ;
-
corelarea caracteristicilor mecanice statice cuplu-vitez ale servomotorului cu cele ale sarcinii;
-
regim dinamic optim;
-
corectarea
factorului
de
propor ionalitate
pentru
asigurarea
stabilit ii
servomecanismului cu sistem automat. Dup primul criteriu tipul transmisiei este determinat de caracterul particular al sarcinii i de tipul mi
rii al elementului de ac ionare.
O clasificare se poate face astfel: Sarcina în rota ie: - ac ionare direct : - role pentru band -tamburi -cabestan -prin intermediul reducerii de vitez : -reductor -curea de transmisie -angrenaj melcat -overdrive Sarcin în transla ie: -ac ionare direct : -motor liniar -electromagnet -prin intermediul reducerii de vitez : - urub conduc tor - urub cu bile -cremalier -combina ii În cazul pozi ion rii a unui panou fotovoltaic în dou axe, se alege un sistem mecanic cu sarcin în rota ie, iar ac ionarea se face prin intermediul reducerii de vitez cu reduc toare cu mai multe trepte de reducere.
32
Figura 3.6. Transmisie rigid cu reductor
Cele mai importante rela ii de calcul pentru dimensionarea unui sistem de reducere a vitezei sunt exprimate mai jos :
z2 ⋅ Ω 2 (3.2.1) z1
Viteza : Ω1 =
Ω J 2 = m2 ⋅ 2 Ω1
Iner ia : J = J 1 + J 2 ;
2
(3.2.2)
z12 Frecarea vâscoas : B = B2 ⋅ 2 (3.2.3) z2 z 1 Sarcina static : M r = M 2 1 ⋅ (3.2.4) z2 η 3.2.3.2 PARAMETRII MECANICI AI SERVOMECANISMELOR Pentru caracterizarea servomecanismelor se folosesc o seam de parametrii ce constituie i date de proiectare. Se disting astfel : I.
Parametrii ciclului de pozi ionare i durata de accelerare, mers i frânare.
II.
Sarcina static Mr i iner ial J, la arborele servomotorului.
III.
Frecarea vâscoas , reprezint cuplul opus mi
IV.
Rezolu ia
mi
rii
obiectului
reglat
rii propor ional cu viteza. reprezint
deplasarea
minim
programabil exprimat în unit i de lungime sau unghi. V.
Precizia de reglare se define te ca diferen a între m rimea impus surat
i cea real ,
cu un mijloc mai exact decât traductorul existent în structura
sistemului. Precizia este apreciat experimental, deoarece depinde de numero i factori, în special traductoare, partea mecanic , între inere etc.
33
Pentru m rirea preciziei se iau m suri, în special de natur mecanic , în faza de proiectare cum sunt : -
eliminarea jocurilor în transmisie prin folosirea unor transmisii pretensionate sau de precizie;
-
rigidizarea structurii mecanice pentru a înl tura vibra iile;
-
mic orarea frec rilor prin folosirea unor lag re, ghidaje i circuite de lubrefiare adecvate;
-
utilizarea unor componente electronice de precizie în partea electronic
i de
automatizare; -
protejarea servomecanismului la perturba ii externe.
3.3. SISTEME DE POZI IONARE CU MCC Aceste servomotoare de c.c. se caracterizeaz prin posibilitatea de reglare a vitezei în limite largi (1 : 10.000 i chiar mai mult) prin intermediul unei p
i de
comand electronic relativ simple. Servomotoarele de c.c. au caracteristici mecanice i de reglaj practic liniare, cuplu de supraînc rcare mare greutate specific mic , absen a autopornirii, moment de pornire redus. Dezavantajele sunt legate de colector, fenomene de comuta ie, uzur
i scânteiere.
Elemente constructive ale ser vomotorului de cc. Constructiv servomotoarele de c.c prezint acelea i elemente ca i ma inile de c.c. Dup tipul rotorului se deosebesc servomotoare: -
cu rotor cilindric;
-
cu rotor disc (cu întrefier axial);
-
cu rotor pahar.
Solu ia constructiv este afectat decisiv i de sistemul de excita ie care poate fi : - excita ie electromagnetic ; - excita ie cu magne i permanen i; - excita ie hibrid . Servomotorul cu rotor cilindric este cel mai apropiat de construc ia ma inilor de c.c clasice.
34
În tabelele în care în care se prezint seria de servomotoare cu rotor cilindric i excita ie prin magne i permanen i, se observ c nu este important puterea nominal (nici nu se d ) ci cuplul i tura ia inând cont de regimul de func ionare specific. În ultimul timp s-a generalizat excita ia cu magne i permanen i pân la puteri foarte mari (sute de KW), deosebirile constructive fiind impuse de materialul magnetic utilizat. Astfel, magne ii de tip ALNICO caracteriza i de induc ie remanent
mare i câmp
coercitiv redus determin o solu ie constructiv ca în figura 3.7.
Figura 3.7. Structura unui servomotor cu magne i ALNICO.
Polii se realizeaz direct din material magnetic, iar pentru reducerea efectului demagnetizat al reac iei indusului se prev d t lpi polare din o el electrotehnic. Datorit câmpului coercitiv redus, magne ii au lungimi mari i magnetizarea se face în interiorul ma inii cu ajutorul unor bobine speciale plasate în jurul magne ilor permanen i. Carcasa din material feromagnetic serve te la închiderea liniilor câmpului de excita ie, magne ii permanen i fiind lipi i cu r ini epoxidice. Pentru materialele magnetice ALNICO cu induc ie magnetic mai sc zut dar câmpuri coercitive i energii mai ridicate (TYCONAL) magne ii se plaseaz pe coard ca în figura 3.8.
Figura 3.8. Structura unui servomotor cu magne i TYCONAL.
35
Liniile de câmp nu se mai închid prin carcas , care poate fi din aluminiu i induc ia poate fi mai mare în întrefier. În ambele variante prezentate num rul de poli este limitat din considerente fizice la 4-8 poli, fiind mai sc zut la ma inile mai mici. Utilizarea magne ilor permanen i cu metale rare cu energii magnetice ridicate i induc ii remanente de ÎT i chiar mai mari, de tip Samarium-Cobalt, Neodym, etc, conduce la un volum sc zut al magne ilor i deci dimensiuni reduse ale ma inii. Datorit pre ului mare al acestor magne i foarte performan i se construiesc doar servomotoare de putere mic , pentru aplica ii aerospa iale. În privin a rotoarelor cilindrice, care ne intereseaz pe noi in aceast lucrare, se execut la un raport între diametru i lungime cu valori < 0,3 iar înf ur rile valorice sunt executate pentru a suporta un timp limitat curen i de 5-10 ori curentul nominal. Constantele de timp electrice pentru aceste servomotoare sunt în general sub 10 ms dar mai mari decât la cel lalte servomotoare de c.c.
36
CAP 4. SIMULAREA SISTEMULUI DE POZI IONARE Prin simulare se în elege testarea unui sistem mecanic sau electronic, în func ie de calculele i dimension rile teoretice, înainte ca acesta s fie realizat practic. Un proiect simulat, care trece cu bine de toate regimurile de func ionare ce se întâlnesc în func ionarea practic , poate fi cu cea mai mare încredere executat practic f
a distruge
i sau piese componente lui. Simularea se poate aplica anumitor par i componente proiectate sau întregului sistem. Ca avantaje simul rii unui sistem complex, sunt multe, cele mai importante fiind : -
eliminarea riscului de a defecta anumite par i componente din sistem;
-
eliminarea riscului de a arde piese electronice sau ma ini electrice;
-
eliminarea riscului de a rupe din i sau ro i din ate din mecanismele de ac ionare;
-
în cazul apari iei unui defect la oricare parte component , simulându-se acel defect se poate g si cu u urin
cauza lui. Astfel se înl tur reapari ia acelui defect, sistemul
func ionând în parametrii optimi. Simularea se realizeaz utilizând calculatorul cu ajutorul anumitor programe de calculator specifice. În cazul simul rii unui sistem de pozi ionare, format dintr-un circuit electronic ce comand un servomotor ce ac ioneaz un mecanism de reglare a pozi iei se utilizeaz programe ca PSPICE sau MATLAB SIMULINK.
4.1. TIPURI DE POZI IONARE A PANOURILOR FOTOVOLTAICE Un panou fotovoltaic, pentru a lucra la randament maxim, el trebuie sa capteze fluxul maxim de lumin . Acest lucru se realizeaz îndreptând panoul în spre soare, razele solare c zând perpendicular pe panou. Ca orientare, un panou fotovoltaic se poate pozi iona dup o ax , sau în cazul nostru dup dou axe. În cazul pozi ion rii dup
o ax , panoul fotovoltaic urm re te doar traiectoria
soarelui, unghiul de înclinare reglându-se manual în func ie de anotimpuri. De exemplu iarna, panoul fotovoltaic se regleaz la un unghi de 30 0 , iar vara unghiul de înclinare trebuie s fie de 60 0 fa
de normala solului. În cazul zonelor cu latitudine mic , unghiul
de înclinare poate chiar s fie 90 0 , cum se întâmpl la Ecuator de dou ori pe an.
37
Figura 4.1. Pozi ionare pe o singur ax a unui panou fotovoltaic
În cazul pozi ion rii unui panou fotovoltaic dup dou axe, sunt necesare dou sisteme mecanice de rotire. În acest caz unghiul cu normala solului se regleaz automat, a se face acest reglaj manual în func ie de anotimpuri. Aceste panouri ce se pozi ioneaz automat sunt ideal de folosit pe vehiculele lente, aflate în mi care. În cazul unui vapor care plute te liber, chiar dac vaporul se mi
formând un cerc, panoul
fotovoltaic este orientat, tot timpul în spre soare.
Figura 4.2. Pozi ionare dup dou axe a unui panou fotovoltaic
4.2. PRINCIPIUL POZI ION RII Cele dou
sisteme de pozi ionare pe fiecare ax sunt identice, diferind doar
mecanismele de ac ionare, principiul de func ionare fiind acela i. Panoul fotovoltaic în cazul în care este orientat corect în spre soare i capteaz fluxul maxim de lumin , laturile paralele sunt luminate cu un flux egal de lumin . În cazul în care panoul nu este îndreptat
38
spre soare, o latur este luminat mai puternic decât cealalt . Fluxul de lumin ce cade pe cele dou laturi se poate m sura cu ajutorul a câte dou fotocelule pe fiecare ax . Astfel panoul este rotit pân când cele dou m rimi de intrare sunt aproximativ egale.
. Figura 4.3. Panou fotovoltaic orientat în spre Soare
4.3. SIMULAREA SISTEMULUI DE POZI IONARE CU SPICE. Pentru a simula sistemul de pozi ionare pe cele dou axe, am pornit mai întâi cu simularea pe o singur ax a acestui sistem. Folosind microcontrolerul PIC16F877A, s-a putut construi un comparator digital al celor dou semnale de intrare. Semnalele de intrare sunt fotodiode polarizate invers ce î i modific c derea de tensiune pe ele în func ie de fluxul de lumin ce le deschid. Astfel în simulare, neputând simula soarele i influen a lui asupra fotodiodelor, am asociat acestor fotocelule surse de tensiune ce pot fi prescrise s
i modice valoarea liniar sau exponen ial în timp.
Semnalele analogice de la intrare sunt convertite în semnale digitale, comparate i la ie irea microcontrolelui rezult un semnal gen 0/1, adic 0/5V, în func ie de m rimile de intrare. Pentru a simula func ionarea microcontrolerul în PSPICE mai întâi l-am construit din blocuri formate din relee ce pot s
i modifice starea prestabilind o tensiune de
ac ionare ( Von).
39
Figura 4.4 . Schema de simulare a pozi ion rii, dup o singur ax
În schema de mai sus, sursele de tensiune V2 i V3 sunt surse liniar variabile, V2 i modific valoarea cresc tor de la 4 la 5V, iar V3 î i modific valoarea descresc tor de la 5 la 4V. Ini ial am simulat cu valori ale tensiunii între 0 i 5V , dar experimental am observat ca fotocelulele expuse la lumina solar , în func ie de intensitatea luminoas ele i modific valoarea între 4 i 5 V. Cele dou switch-uri au rolul de a întrerupe mi carea panoului într-un sens sau altul la cap t de curs . Se observ ca semnalul de intrare de la microcontroler este comparat dup care, dac eroarea este pozitiv , prin dioda D2 se comand releul S1 . În cazul în care eroarea este negativ , prin dioda D3 se comand releul S2, realizându-se mi carea în cel lalt sens. Sensibilitatea sistemului comparator poate fi reglat , modificând pragul de ac ionare (Von) al celor dou relee S1 i S3. Cu cât ele ac ioneaz la o diferen mai mic de tensiune, întregul sistem este mai sensibil, cu cât ac ioneaz la o diferen mai mare, sistemul nu este a a de sensibil, dar este mai stabil.
40
de tensiune
Celelalte dou relee înseriate cu comanda releelor de ac ionare, sunt comandate de cele dou microîntrerup toare , fiind folosite pe post de protec ie limitând mi carea la sfâr it de curs .
Figura 4.5. Schema de simulare a pozi ion rii, dup dou axe
În schema de mai sus este realizat întregul sistem electronic de pozi ionare dup dou axe, fiind realizat din dou scheme de pozi ionare pe o singur ax . Func ionarea este aceea i
i pentru pozi ionarea pe cealalt
microcontrolerului sunt conectate dou
ax . Se mai observ
la ie irea
pun i H, formate din câte 4 tranzistoare ce
comand cele dou servomotoare. Cele dou comparatoare lucrând la fel, simularea mi
rii dup cele dou axe se
simuleaz pe grafice diferite, pentru a putea bine diferen a evolu ia m rimilor de ie ire în func ie celor de intrare.
41
Figura 4.6. Simularea sistemului de pozi ionare pe orizontal (rotire)
Figura 4.7. Simularea sistemului de pozi ionare pe vertical (înclinare)
Se observ din graficele de mai sus cum m rimile de intrare î i modific liniar valorile, în func ie de pozi ia soarelui. Dac exist dezechilibru, ie irea comparatorului comand mecanismele de execu ie într-un sens sau altul în func ie de m rimile de intrare. În cazul echilibrului, adic m rimile de intrare dou câte dou sunt egale sau aproximativ egale, cu o toleran
de ordinul a 100-400mV, bine prestabilit , întregul sistem neavând
nici o reac ie, mecanismele nefiind comandate. Este necesar ca echilibrul s se realizeze cu o anumit toleran , pentru ca panoul s nu intre într-o stare de comparare i c utare continu a soarelui, astfel întregul sistem nefiind stabil i având un consum mai mare de energie. Optim este atunci când panoul se orienteaz in spre soare f mi
s mai fac
ri de c utare cât mai multe i repetate, nefiind necesar o pozi ionare atât de
precis .
42
Cap. 5. IMPLEMENTAREA SISTEMULUI DE POZI IONARE 5.1. STRUCTURA SISTEMULUI DE POZI IONARE Sistemul de pozi ionare a panoului fotovoltaic are în alc tuirea sa mai multe p componente mecanice, electrice
i
i electronice. Întregul sistem de pozi ionare este
proiectat pentru un panou fotovoltaic de putere mic , mult mai u or decât un panou de putere mare (150W), de aceea servomecanismele, servomotoarele i partea de ac ionare sunt dimensionate pentru putere mic .
Figura 5.1 Schema bloc a instala iei de urm rire a soarelui
Elementele care compun instala ia de urm rire dup Soare sunt prezentate în figura de mai sus. Instala ia se compune dintr-un panou solar destinat s încarce cu energie acumulatorul de energie electric , energia stocat
fiind utilizat aliment rii unor
consumatori. Acumulatorul de energie este necesar deoarece noaptea datorit faptului c radia ia solar este insuficient , consumatorul consum energie electric . Regulatorul de tensiune are rolul de a supraveghea
procesul de înc rcare-
desc rcare a acumulatorului. Blocul de comand
cu microcontrolerul PIC16F877A, realizeaz
servomotoarelor, servomotoare folosite pentru pozi ionarea automat
a panoului solar
astfel încât razele solare s cad mereu perpendicular pe suprafa a acestuia.
43
comanda
Pentru a întelege func ionarea în ansamblu a instala iei trebuie s în elegem i s tim principiile de func ionare a elementelor componente.
5.2. PANOUL FOTOVOLTAIC Conversia direct
a energiei solare în energie electric , bazat
pe efectul
fotovoltaic, constituie, modul cel mai comod de a utiliza energia solar , datorit siguran ei în exploatare si între inerii u oare. Aceste sisteme sunt indicate în zonele izolate, neracordate la sistemul energetic na ional, unde pre ul racord rii la aceste sisteme este ridicat si nejustificat economic. Panourile solare (panouri fotovoltaice, baterii solare) transform energia primit de la soare in curent electric continuu de 12V cc. sau 24V cc. Pot fi rigide, semi-rigide sau flexibile. Construc ia special permite ca tensiunea de ie ire sa fie constant chiar la înc lzirea puternic a panoului. De asemenea, le permite sa genereze energie electrica si când sunt par ial umbrite.
Figura 5.2. Panou fotovoltaic rigid
Figura 5.3 Panou fotovoltaic flexibil
44
Panourile pot fi montate pe diverse tipuri de suporturi: - suporturi fixe - suporturi care urm resc mi carea soarelui pentru cre terea performan elor panoului. La rândul lor, acestea pot fi pasive sau active: Descriere general Panourile
fotovoltaice
monocristaline
consumatorilor de energie electric
de mic
se
utilizeaz
pentru
alimentarea
putere în zone în care nu exist
re ea
electric . Se pot integra în sisteme hibride în combina ie cu generatoare eoliene sau micro-hidrogeneratoare.
Avantaje •
construc ie simpl , rigid
•
randament ridicat
•
durat lung de via
•
costuri de între inere mici
Figura 5.4 Consumul la aparatele electrocasnice
Prin colectoarele solare fotovoltaice se pot alimenta la o cas de vacan urm torii consumatori: becuri electrice cu consum redus de energie, aparat de radio i televizor, frigider, pomp de ap submersibil .
45
Panoul fotovoltaic folosit în sistemul de pozi ionare. Panoul fotovoltaic pozi ionat este distribuit de firma LP ELECTRIC ROMANIA, fiind cu celule monocristaline de siliciu, laminate în foi de etilen-vinil acetat (EVA), rigidizate cu sticl
securit si Tedlar, pentru a oferi protec ia ideal
împotriva
trunderii umezelii i a coroziunii saline. Sticla securit, a c rei caracteristic de baz este transparen a ridicat la radia ia solar direct
i difuz , este fixat în rama de
aluminiu cu ajutorul unui etan siliconic care asigur protec ia împotriva tensiunilor mecanice
i a factorilor de mediu. Izola ia electric
ridicat
dintre celulele
monocristaline i rama de aluminiu reduce riscul scurgerilor de curent, care sunt cauza principlal a pierderilor din instala iile fotovoltaice.
Figura 5.5. Panou fotovoltaic UPS 005 M5 02 PSP
Datele tehnice panoului solar pozi ionat
Model : UPS 005 M5 02 PSP Tip : 5W/12V Pmpp : 5Wp Pmin : 4,66Wp Impp : 0,28A Vmpp : 17,1V Voc : 21V Isc : 0,33A To i parametrii panoului au fost m sura i la o temperatur de 25 0 C. 5.3. ECHIPAMENTUL MECANIC Întregul sistem mecanic ce pozi ioneaz panoul fotovoltaic, este compus din dou servomecanisme, un servomecanism de rotire ce execut mi carea pe orizontal a unui platou pe care se situeaz mecanismul de înclinare la care este ata at panoul fotovoltaic. 46
Ambele mecanisme sunt reductoare cu mai multe trepte de reducere, folosite ini ial în alte aplica ii, ele fiind adaptate cu succes pentru pozi ionarea panoului solar.
5.3.1. SERVOMECANISMUL DE POZI IONARE PE ORIZONTAL Ini ial acest servomecanism, era folosit la rotirea unui robinet de gaz ce regla temperatura întru-un cuptor termic, m rind sau mic orând flac ra de topire din cuptor. Mecanismul era ac ionat de un motora asincron ce era alimentat la o tensiune de 220V, 50Hz, având o putere de 1,6VA. Pe axul de ie ire al mecanismului era montat un poten iometru ce avea rolul de a informa sistemul de comand cu informa ii privind pozi ia axului. Motora ul l-am înlocuit cu un servomotor de 12V c.c, puterea de 3W, cu n1=3000rpm, folosit în aparatura video, pentru a deplasa sania în care se introduce caseta video. Motora ul de c.c l-am ata at la mecanismul de rotire, prinderea lui realizându-se printr-o flan , ce adapteaz
prinderile motora ului nou la prinderile mecanismului.
Poten iometrul de pozi ie a fost demontat de pe ax, nefiind utilizat la realizarea acestei aplica ii.
Figura 5.6. Mecanismul de rotire cu primele 4 trepte reduc toare
În imaginea de sus, se pot observa ro ile din ate ce alc tuiesc patru trepte reduc toare, pinionul ce angreneaz
roata final
mecanism.
47
i motora ul ce ac ioneaz
întregul
Figura 5.7. Reductorul final
În imaginea de mai sus este ar tat un reductor, compus dintr-un pinion i o roat din at ce are un raport de reducere de 5,86 ori. Mecanismul de rotire, ini ial avea patru trepte de reducere, experimental observând nevoia unui raport de reducere mult mai mare, s-a mai ad ugat înc o treapt cu raport de reducere mult mai mare, pentru ca mecanismul de rotire s fie cât mai lent. Mecanismul de rotire este alc tuit dintr-o transmisie cu ro i din ate, la contactul dintre ro i, are loc o întrep trundere a din ilor unei ro i în golurile dintre din ii celeilalte, efectându-se transmiterea mi
rii de rota ie. Raportul de transmitere se define te ca raportul vitezelor
unghiulare a dou ro i din ate.
ω1 d 2 z 2 (5.3.1) = = ω 2 d1 z1 unde : d1,2 – diametrul de divizare ale ro ilor din ate; z1,2 – num rul de din i ale ro ilor din ate; i1, 2 =
Figura 5.8. Ro ile mecanismului de rotire.
48
În figura de mai sus ro ile din ate au urm toarele diametre: d1=11mm; d2=40mm; d3=9mm; d4=40mm; d5=10mm; d6=49mm; d7=23mm; d8=45mm; d9=22mm; d10=129mm; din care rezult rapoartele de transmisie; d 40 i1, 2 = 2 = =3,63 ; (5.3.2) d1 11 d 40 i3 , 4 = 3 = =4,44 ; (5.3.3) d4 9 d 49 i5 , 6 = 6 = =4,9; (5.3.4) d 5 10 d 45 i 7 ,8 = 8 = =1,95; (5.3.5) d 7 23 d 129 i9,10 = 9 = =5,86; (5.3.6) d10 22 ii,e= i1,2 x i3,4 x i5,6 x i7,8 x i9,10=902,439 (5.3.7) n d din rela ia : i1, 2 = 1 = 2 (5.3.8) n 2 d1 3000rpm rezult c n2 = =3,32rpm, (5.3.9) 902,439 ceea ce înseamn c panoul face o rota ie de 3600 în 18sec.
Figura 5.9. Carcasa mecanismului de rotire
Întregul mecanism se afla într-o carcas de metal cu dimensiunile 150mm x 125mm x 95mm, pe care se prinde o flan
cu rulmen i pe care st a ezat roata final .
49
5.3.2. SERVOMECANISMUL DE POZI IONARE PE VERTICAL Mecanismul ce realizeaz pozi ionarea panoului pe vertical , este preluat de la un înregistrator de caracteristici folosit ca martor la reglarea presiunii într-o instala ie de alimentare cu ap dintr-o topitorie. Acest mecanism avea rolul doar de a bobina hârtia pe care se marca graficele respective. Mecanismul ini ial era compus dintr-un servomotor de bifazat de 220V , 50 Hz, de putere mic , încastrat într-un sistem cu mai multe reductoare cu o reducere final de 14 ori, de unde ie irea era conectat la un sistem mecanic cu înc dou trepte reduc toare. Pentru a putea folosi acest mecanism la realizarea sistemului de pozi ionare pe vertical , a fost nevoie sa aduc mari modific ri asupra acestui mecanism. În primul rând motora ul bifazat a fost înlocuit cu un motora de c.c din aparatura audiovideo, cu n1=3000rpm, alimentat la 12V, identic cu cel folosit la mecanismul de pozi ionare pe orizontal . Acest motora a fost prins printr-o flan
ce îl leag la reductor.
Din cauz ca reducerea ce o realiza acest sistem cu reductoare, nu era satisf
tor de
mare, folosind un al doilea mecanism, identic cu acesta am preluat de la el înc dou trepte de reducere. Astfel mecanismul de pozi ionare are patru trepte reduc toare.
Figura 5.10. Mecanismul de înclinare
De panoul fotovoltaic este prins un segment de roat din at ce este angrenat împreun cu panoul, de c tre mecanismul de înclinare. Acest segment de roat din at împreun cu pinionul ce îl angreneaz , realizeaz o reduc tor de vitez de 9 ori, ce face ca panoul fotovoltaic s se mi te foarte încet. La început panoul a fost ac ionat de mecanismul de înclinare cu un sistem biel manivel . Avantajul acestui sistem biel manivel era c se putea realiza practic u or, dar dezavantajul era c acest sistem reducea
50
viteza de doar dou ori iar la capetele de curs provoca un balans al panoului, lucru ce nu este permis într-un sistem de pozi ionare.
Figura 5.11. Ro ile mecanismului de rotire.
În figura de mai sus ro ile din ate au urm toarele diametre: d1=11mm; d2=31mm; d3=16mm; d4=31mm; d5=11mm; d6=31mm; d7=16mm; d8=31mm; d9=19mm; d10=170mm; din care rezult rapoartele de transmisie; d 31 i1, 2 = 2 = =2,81 ; (5.3.10) d1 11 d 31 i3, 4 = 3 = =1,93 ; (5.3.11) d 4 16 d 31 i5,6 = 6 = =2,81; (5.3.12) d 5 11 d 31 i7,8 = 8 = =1,93; (5.3.13) d 7 16 d 170 i9,10 = 9 = =8,94; (5.3.14) d10 19 ii,e= i1,2 x i3,4 x i5,6 x i7,8 x i9,10=263,1 (5.3.15) dar se tie c primul reductor are o reducere de 14 ori de unde rezult reducerea final a vitezei este 14x263,1=3683,4 ori
51
ni d 2 = (5.3.16) ne d 1 3000rpm rezult c n2 = =0,81rpm, (5.3.17) 3683.4 o rota ie complect ar face-o în 74 secunde. din rela ia : ii ,e =
Pe vertical panoul parcurge doar jum tate de cerc, din cauza segmentului de roat , ceea ce înseamn c panoul î i schimb starea din pozi ie vertical în pozi ie orizontal , sau invers în 37 secunde.
Figura 5.12. Sistemul de pozi ionare dup cele dou axe
Întregul sistem de pozi ionare pe vertical , împreun cu panoul fotovoltaic sunt situate pe un platou rotund. Acest platou este de fapt un platou de la un aparat pickup, din material plastic, folosit aici datorit încerc rii de a reduce greutatea ce apas pe axul mecanismului ce execut rotirea. Panoul fotovoltaic pentru a putea executa rotirea pe vertical este inut de dou picioare, prinse pe acest platou din plastic.
52
5.4 ECHIPAMENTUL ELECTRIC 5.4.1 ACUMULATORUL În cazul în care consumatorii utilizeaz mai pu in energie electric decât cea produs cu ajutorul panoului solar, se folose te o baterie (un acumulator) pentru a se înmagazina acest surplus de energie. Aceast rezerv de energie electric serve te la alimentarea consumatorilor atunci când energia produs de c tre panoul solar nu este suficient (pe timpul nop ii, în zilele cu nori etc).
Figura 5.13. Baterie de acumulatori
De asemenea bateria are rolul de a asigura o tensiune constant (în general se folose te 12V), spre deosebire de celulele solare care furnizeaz o tensiune ce variaz func ie de intensitatea luminii soarelui. Alegerea bateriei se face dup urm torul algoritm: •
se estimeaz consumul zilnic necesar sistemului (Wh);
•
se înmul
•
se adun 30%, ce reprezint factorul de siguran ;
•
rezultatul ob inut se împarte la tensiunea nominal a bateriei (de ex 12V) i
te cu num rul de zile pentru care se dore te autonomie de func ionare;
rezult capacitatea bateriei (Ah);
5.4.2. LIMITATORII DE CAP DE CURS La cap tul cursei de rotire i înclinare, sistemul de pozi ionare este echipat cu limitatori de curs ce au rolul de a informa blocul de comand cu informa ia de atingere unui punct de minim sau de maxim a pieselor mobile. În cazul în care se dep
te acest
punct de minim sau de maxim, pot ap rea defec iuni grave. La servomecanismului ce
53
execut rotirea panoului se pot rupe cablurile de leg tur , iar la servomecanismului ce execut înclinarea se pot rupe din i ale ro ilor din ate sau limitatorii.
Figura 5.14. Micro-întrerup toare folosite ca limitatori (stânga-vertical , dreapta-orizontal )
5.5. ECHIPAMENTUL ELECTRONIC Reprezint partea cea mai important acestui bloc se comand
a instala iei deoarece prin intermediul
motoarele de curent continuu ale servomecanismelor, care
rotesc panoul solar astfel încât acesta s urm reasc mi carea soarelui pe tot parcursul zilei. Blocul de comand cuprinde senzori care indic nivelul de iluminare, limitatorii i microcontrolerul, care in func ie de ace ti senzori comand servomotoarele. Sistemul de comand are la baz conversia cu o anumit precizie a unui semnal variabil în func ie de nivelul de iluminare într-o m rime electric (tensiune) acest lucru realizându-se prin intermediul a patru senzori i anume fotodiode.
5.5.1. BLOCUL DE ALIMENTARE Mai întâi începem prezentarea p
ii electronice cu blocul de alimentare al
microcontrolerului. Stabilizarea tensiunii la 5V se face cu circuitul integrat LM 7805.
Figura 5.15. Schema de alimentare a microcontrolerului Dioda D1 are rolul de a proteja întregul circuit la inversarea neglijent a polarit ii bateriei, care duce la defectarea componenetelor electronice din circuit.
54
5.5.2. REGULATORUL DE TENSIUNE Regulatorul de înc rcare-desc rcare trebuie s
fie prezent în sistemele foto-
voltaice dotate cu acumulatoare de energie. Regulatorul de tensiune are rolul de a proteja bateria. El trebuie s efectueze dou opera ii: una din opera ii este aceea de a proteja bateria de supraînc rcare atunci când este soare puternic i consumul de energie este mic, iar cealalt opera ie este de a proteja bateria de desc rc ri excesive atunci când vremea este rea. Atât supraînc rcarea, cât i desc rcarea excesiv a bateriei sunt deosebit de periculoase pentru aceasta i îi reduc considerabil durata de func ionare.
Figura 5.16. Schema regulatorului de tensiune
Figura 5.17. Simularea regulatorului de tensiune Din simularea de mai sus, se poate observa stabilizarea tensiunii la 14,21V , independent de varia ia tensiunii de la intrare. Aceast schem este doar un stabilizator de tensiune, neavând capacitatea de a întrerupe înc rcarea bateriei atunci când este înc rcat capacitate maxim .
55
la
5.5.3. FOTODIODELE
Figura 5.20. Fotodoida : a-realizarea tehnologic a fotodiodei b-simbolul grafic c-modul de conectare în circuit
Fotodioda este o jonc iune pn
polarizat în sens invers, al c rei curent este
controlat prin intermediul perechilor electroni-goluri produse prin absorb ia luminii în interiorul i în vecin tatea regiunii de tranzi ie a jonc iunii (fig. 5.20, a). Simbolul grafic al fotodiodei este ar tat în figura 5.20, b. Ea se conecteaz în circuit ca în figura 5.20, c. În lipsa luminii, prin circuit trece curentul invers (de satura ie) al jonc iunii, care este numit „curent de întuneric", de ordinul microamperilor la fotodiodele cu germaniu i de ordinul nanoamperilor la cele cu siliciu. Sub ac iunea luminii se genereaz purt tori care m resc curentul prin jonc iune pân la valori de sute de microamperi. Constructiv, fotodiodele sunt introduse în capsule metalice sau din mase plastice, prev zute cu fereastr transparent în zona jonc iunii pn. Sensibilitatea fotodiodei, definit ca raportul dintre varia ia de curent, i m rimea fluxului luminos ce provoac aceast varia ie, este func ie de obicei i de pozi ia fluxului luminos fa
de jonc iune. Caracteristica spectral
a fotodiodelor, care reprezint curba de varia ie a sensibilit ii în func ie de lungimea de und a luminii incidente, are maximul s u deplasat de obicei în domeniul ro ului i infraro ului, sensibilitatea pentru spectrul vizibil fiind de aproximativ 50—75% din sensibilitatea maxim .
56
Figura 5.21. Caracteristicile fotodiodei a- caracteristicile curent-tensiune b- caracteristicile curent-iluminare c- caracteristica spectral d- caracteristica de frecven
5.5.4. AC IONAREA MOTOARELOR DE CURENT CONTINUU Pentru a antrena un motor de curent continuu este suficient s -l conect m la o surs de tensiune. Astfel motorul începe o mi care de rotire. Pentru a schimba sensul de rota ie este suficient s invers m polaritatea. Pentru a comanda un motor de c tre un microcontroler este necesar un element de comuta ie care este capabil s porneasc
i
întrerup curentul ce trece prin motor. În cele ce urmeaz prezentarea se face cu relee, ulterior acestea vor fi substituite cu tranzistoare.
Figura 5.23. Ac ionarea unui motor de curent continuu
În prima figur este schema de conectare pentru ac ionarea unui motor de curent continuu. Dac la intrarea A se aplic un nivel logic „1” (Obs. nivelul de tensiune trebuie
57
fie suficient de mare pentru a putea ac iona releul) se va aclan a releul, fapt ce va determina trecerea unui curent prin spirele motorului, lucru care va duce la o mi care de rota ie a axului s u. Figura urm toare arat posibilitatea de rotire a motorului în sens invers.
Figura 5.24. Ac ionare în sens invers
Similar cu cele discutate anterior, dac se aplic o tensiune logic la intrarea B motorul va fi ac ionat corespunz tor. Puntea tip “H” pentru ac ionarea unui motor de curent continuu Pentru a putea îns modifica direc ia de rotire a motorului i în timpul func ion rii este nevoie de o punte de tip „H“ ca în figura urm toare.
Figura 5.25. Schem bloc a unei pun i tip „H“
Pentru a roti motorul într-un sens este necesar închiderea a dou relee. În urm toarea figur s-au închis releele A i D iar B i C au r mas deschise.
58
Figura 5.26. Deschiderea unei p
i a pun ii
Similar pentru a roti motorul în sens invers se comand releele B i C.
Figura 5.27. Deschidere invers a pun ii
Niciodat nu este permis ac ionarea simultan a releelor A i C, respectiv B i D. Dac
acest caz apare, sursa de alimentare a circuitului este pus
la mas , lucru
neacceptabil. Pentru a controla mai bine comportamentul motorului, i pentru a putea regla viteza în locul releelor se folosesc tranzistori. Astfel schema devine:
59
Figura 5.28 - Punte „H“ cu tranzistori
Pentru a proteja tranzistorii de tensiunea suplimentar
generat
de c tre motor
în momentul frân rii circuitului mai trebuie ad ugate patru diode de protec ie.
Figura 5.39. Diode de protec ie
Tranzistorii, fiind circuite semiconductoare, au o rezisten
intern . Crescând
curentul ce trece prin ei, va cre te i cantitatea de c ldur ce trebuie disipat . Ca element de protec ie suplimentar s-au ad ugat siguran motoarelor, pentru a se proteja sursa de alimentare a montajului. 60
de 1A pe alimentarea
Figura 5.40. Comanda servomotoarelor de cc.
În figura 5.40 este prezentat varianta de punte H cu 6 tranzistoare folosit la ac ionarea motoarelor de cc. Puntea H propriu-zis este format din 4 tranzistoare (T1n, T1p, T2n i T2p), la care se adaug dou tranzistoare ce comand defazat etajul final (T1d i T2d). Puntea este comandat de patru pini I/O din microcontroler – RC4 i RC5, respectiv RC6 i RC7. Deoarece dac ambele ie iri sunt în starea SUS simultan vor conduce practic toate tranzistoarele din schem , sursa de alimentare va fi scurtcircuitat , existând pericolul ca unul sau mai multe tranzistoare s se distrug . Evitarea acestei probleme se face setând la ini ializarea programului RC4,RC5,RC6 i RC7 în starea JOS. Dac RC4 = 1 i RC5 = 0 motorul se va roti într-un sens, iar dac RC4 = 0 i RC5 = 1 motorul se va roti în sens contrar. Schimbarea sensului de rota ie se face trecând pentru un scurt timp linia RCx (care a fost anterior în starea SUS) în starea JOS i apoi setând cealalt linie RCy în l logic.
5.5.5. SCHEMA BLOCULUI DE COMAND . REALIZAREA CABLAJULUI IMPRIMAT În figura de mai jos este prezentat schema electric a blocului de comand . Aceast schem a fost realizat pe blocuri în Pspice i simulat cu acela i program. Din cauz c PSPICE-ul nu are i op iunea de a crea cablajul imprimat dup schem , am fost nevoit s refac aceast schem în programul DipTrace, pentru a putea realiza pl cile imprimate.
61
Figura 5.41. Schema electric a blocului de comand
Fiec rei componente electronice în schema electric , i se asociaz forma ei real i dimensiunile ei reale, pentru ca i cablajul final s fie cel real. Dac citim schema de mai sus se observ cum tensiunea de ie ire a panoului fotovoltaic, este stabilizat
i alimenteaz în acela i timp cu bateria întregul circuit.
Stabilizatorul este dimensionat pentru o tensiune reglat de 14,4V ce poate înc rca i acumulatorul. În circuitul regulatorului este montat un LED, cu scopul de a sesiza func ionarea panoului. Circuitul electric se alimenteaz cu dou tensiuni. Prima tensiune de 12V, are rolul de a alimenta pun ile H tranzistorizate pentru a alimenta motoarele, iar tensiunea de 5V are rolul de a alimenta microcontrolerul, fotodiodele i interfa a de programare. Rezisten ele ce polarizeaz
invers fotodiodele sunt de 22 Kohmi, cele ce
alimenteaz ledurile sunt de 1 Kohm, cele ce alimenteaz
micro-întrerup toarele au 10k
ohmi, iar cele de comand a tranzistoarelor pilot a pun ii H sunt de 10 Kohmi. Tranzistoarele folosite pe post de pilo i sunt de tipul BC 547, iar tranzistoarele ce alc tuiesc pun ile H i regulatorul de tensiune sunt de medie putere de tipul BD 139 i complementarul s u BD 140.
62
Aceast schem a fost construit practic mai întâi pe o plac de teste, dup ce s-au mai f cut ajust ri i corec ii practice, inând cont de acestea s-a ref cut schema i s-a trecut la realizarea cablajului imprimat cu ajutorul calculatorului.
Figura 5.42. Realizarea schemei electrice pe plac de teste
Pe placa de mai sus, se observ leg turile dintre componente, realizate cu fire iar fotodiodele sunt lipite pe aceea i plac . Datorit realiz rii pl cii într-un mod dezordonat, exist riscul ruperii firelor, apari iei scurt-circuitului accidental între pinii pieselor ducând la distrugerea lor. Avantajul este c
se realizeaz
într-un timp mai scurt decât cel
imprimat i se pot aduce modific ri în schem .
Figura 5.44. Realizarea cablajului imprimat cu programul DipTrace.
63
Datorit complexit ii schemei am fost nevoit s creez un cablaj cu dou straturi, lucru ce duce la folosirea unui cablaj dublu placat, complicându-se realizarea practic a pl cii. Imprimarea traseelor pe cablajul brut s-a realizat cu o folie A4-pnp-blue, pe care mai întâi am listat cele dou cablaje, folosind o imprimant laser, iar cu ajutorul fierului de c lcat am lipit aceast
folie pe ambele par ii ale pl cii. A trebuit s
suprapunerea punctelor pe ambele p
potrivesc
i mai întâi. Prin înc lzire, traseele imprimate de pe
folie se lipesc pe plac , iar în urma exfolierii, ele r mânând pe plac . Aceast plac am introdus-o într-un vas cu Cl-Fe3, aceast solu ie realizând corodarea cuprului neacoperit de pe plac .
Figura 5.45. Cablajul imprimat spate
Figura 5.46. Cablajul imprimat fa
Figura 5.47. Realizarea practic a cablajului
64
(în oglind )
5.6. MICROCONTROLERUL 5.6.1.INTRODUCERE ÎN LUMEA MICROCONTROLEROR. GENERALITA I Dezvoltarea în domeniul circuitelor integrate a f cut posibil înmagazinarea a sute de mii de tranzistoare într-un singur cip. Aceasta a fost o premiz pentru produc ia de microprocesoare, i primele calculatoare au fost f cute prin ad ugarea perifericelor ca memorie, linii intrare-ie ire, timere i altele. Prin cre terea volumului capsulei s-a ajuns la crearea circuitelor integrate, care con in atât procesorul cât i perifericele. A a s-a întâmplat cu primul cip con inând un microcalculator, sau ce va deveni cunoscut mai târziu ca microcontroler a luat fiin . Microcontrolerele sunt componente electronice care înglobeaz în ele majoritatea componentelor dintr-un calculator PC, binen eles toate de mai mici dimensiuni. Astfel acestea au: unitate central , porturi, memorii, convertoare analog numerice ( o parte din ele ), etc. Ele pot fi programate simplu, iar num rul de instruc iuni ce pot fi utilizate întrun program este destul de mare pentru aplica ii obi nuite. Spre exemplu, PIC16F877A are o memorie de program de 8K , dar în cele mai multe situa ii nu se foloseste la capacitatea ei maxima.
5.6.2. DIFEREN A DINTRE MICROCONTROLER I MICROPROCESOR. Microcontrolerul difer de un microprocesor în multe feluri. În primul rând i cel mai important este func ionalitatea sa. Pentru a fi folosit, unui microprocesor trebuie s i se adauge alte componente ca memorie, sau componente pentru primirea i trimiterea de date. Pe scurt, aceasta înseamn c microprocesorul este inima calculatorului. Pe de alt parte, microcontrolerul este proiectat s
fie toate acestea într-unul singur. Nu sunt
necesare alte componente externe pentru aplicarea sa pentru c toate perifericele necesare sunt deja incluse în el. Astfel, economisim timpul i spa iul necesare pentru construirea de aparate. Microcontrolerele PIC difer de microprocesoare si de microcontrolerele de tip mai vechi prin structura sa intern . Microchip folose te structura de tip Harward, iar microprocesoarele i microcontrolerele mai vechi sunt create pe structura Von Neumann.
65
Vitezele de lucru specifice chipurilor de tip Von Neumann sunt mai ridicate în general, dar asta nu înseamn c chipurile sunt neap rat mai performante. Acest lucru se explic prin faptul c microcontrolerele clasice i PC-urile sunt mai complexe i mai scumpe. PIC-urile reprezint un compromis rezonabil între performan e i pre . Pentru extrem de multe aplica ii acestea sunt mai mult decât suficiente iar pre ul i faptul c au dimensiuni foarte mici le fac extrem de utilizate în ultimii ani. În plus, acestea au un set de instruc iuni extrem de redus (max. 35), mai u or de utilizat i de înv at pe de rost.
5.6.3 MICROCONTROLERUL PIC 16F877A Comanda servomotoarelor este realizat
cu ajutorul microcontrolerului PIC
16F877A. Unitatea central ofer o serie de facilit i descrise în foaia de catalog i prezentate succint în continuare, dar hot râtoare pentru alegerea acestui tip de microcontroler au fost: •
pre ul rezonabil al controlerului
•
memoria FLASH simplific
dezvoltarea aplica iilor, permi ând
reprogramarea de un num r extrem de mare de ori; •
capabilitate sporit de curent pe pin I/O de 25 mA;
•
consumul de putere este redus ( sa suporte stand-by sau sleep – moduri care limiteaza consumul de curent la câ iva miliamperi când un circuit este inactiv);
Îns
pentru a putea în elege func ionarea sa este necesar cunoa terea
caracteristicilor microcontrolerului cât i a arhitecturii centrale.
5.6.4 ARHITECTURA UNIT
II CENTRALE
Un microcontroler este un calculator realizat într-un singur cip (circuit integrat), con ine unitatea central de prelucrare (CPU, Central Processing Unit) i o serie de periferice. În aplica iile simple, un echipament poate con ine un singur circuit - chiar microcontrolerul. Cele mai multe microcontrolere pot func iona cu un num r minim de componente externe între care aproape întotdeauna un cristal cu cuar
i una sau mai
multe rezisten e. Un microcontroler modern con ine majoritatea blocurilor prezentate în figura 1.1
66
Figura 5.48. Structura general a unui microcontroler modern
PIC16F877 apar ine unei clase de microcontrolere de 8 bi i cu arhitectur RISC. Structura lui general este ar tat în schi a urm toare reprezentând blocurile de baz .
Figura 5.49. Schi a microcontrolerului
Memoria
program
FLASH-
pentru
memorarea
unui
program
Pentru c memoria ce este f cut în tehnologia FLASH poate fi programat
scris.
i tears mai
mult decât odat , aceasta face microcontrolerul potrivit pentru dezvoltarea de component . EEPROM- memorie de date ce trebuie s fie salvate când nu mai este alimentare. Este în mod uzual folosit pentru memorarea de date importante ce nu trebuie pierdute dac sursa de alimentare se întrerupe dintr-o dat . De exemplu, o astfel de dat este o temperatur
prestabilit
în regulatoarele de temperatur . Dac
în timpul întreruperii
aliment rii aceast dat se pierde, va trebui s facem ajustarea înc o dat la revenirea aliment rii. Astfel componenta noastr EEPROM face mai u oar memorarea permanent
pierde în privin a auto-men inerii. Memoria
aplicarea microcontrolerelor la aparate unde se cere
a diferitor parametri (coduri pentru transmi toare, viteza
motorului, frecven ele receptorului, etc.).
67
RAM- memorie de date folosit
de un program în timpul execut rii sale.
În RAM sunt memorate toate rezultatele intermediare sau datele temporare ce nu sunt cruciale la întreruperea sursei de alimentare. Portul A i B sunt conexiuni fizice între microcontroler i lumea de afar . Portul A are 5 pini, iar portul B are 8 pini. Unitatea de procesare central
are rolul unui element de conectivitate între
celelalte blocuri ale microcontrolerului. Coordoneaz
lucrul altor blocuri i execut
programul utilizatorului. 5.6.5. CARACTERISTICILE MICROCONTROLERULUI PIC16F877A Principalele caracteristici ale microcontrolerului PIC16F877A sunt urm toarele: • Unitate central RISC performant pe 8 bi i • 35 de instruc iuni; • toate instruc iunile se execut
într-un ciclu, cu excep ia salturilor care necesit
dou cicluri; • frecven a de operare - 20 MHz; - 200 ns (minim) - durata de execu ie a unei instruc iuni; • 8192 cuvinte de memorie program (Flash); • 368 x 8 bi ii RAM; • 256 x 8 bi ii EEPROM; • fiecare instruc iune este codificat pe 14 bi i; • magistral de date pe 8 bi i; • stiv hardware pe 8 niveluri; • convertor Analog - Digital pe 10 bi i cu 8 intr ri • moduri de adresare oferite: direct , indirect
i relativ ;
• exist 14 surse de întrerupere: - folosind pinul extern RB0/INT; - la dep irea TMR0 (overflow); - la schimbarea st rii pinilor PORTB<4:7>;
68
- la încheierea scrierii în EEPROM.
Periferice • 33 pini I/O cu setarea individual a direc iei; • capabilitate sporit de curent pentru comanda direct al LED-urilor sau a unei alte
sarcini: - 25 mA în starea SUS; - 25 mA în starea JOS; • TMR0: timer / num
tor pe 8 bi i cu prescaler programabil pe 8 bi i.
Facilit i speciale • sunt garantate tipic 100.000 cicluri scriere- tergere memorie FLASH; • este garantat men inerea informa iei în memoria EEPROM peste 40 de ani; • exist
un timer ac ionat la punerea sub tensiune
i unul pentru pornirea în
siguran a oscilatorului cu cuar ; • Watchdog Timer (WDT) cu propriul oscilator RC pentru func ionare sigur ; • protec ia programului din FLASH contra citirii neautorizate; • mod de operare SLEEP cu reducerea semnificativ a puterii consumate; • oscilator cu op iuni programabile.
Tehnologie CMOS FLASH/EEPROM îmbun • Putere redus
it
i vitez de operare ridicat ;
• Operare static ; • Domeniu extins de tensiuni de alimentare:
2.0 V - 5.5 V; • Putere redus – curent de alimentare tipic: - < 2 mA la VDD = 5 V, 8 MHz; - 15 µA (tipic) la VDD = 2 V, 32 kHz - < 0.5 mA la VDD = 2 V, în a teptare (stand-by)
Porturi I/O Reprezin cea mai comun facilitate hardware a controlerelor. Un port este de obicei un grup de 8 linii, care pot fi utilizate individual ca intrare sau ca ie ire i care este adresat ca un singur octet. Microcontrolerul PIC16F877 are 4 porturi I/0, porturile A, B, C i D.
69
Fiecare linie poate fi configurat
independent ca intrare sau ie ire, pot fi
configurate rezisten e de pull-up pe intr ri i uneori pe ie iri (o rezisten
de valoare
ridicat conectat la tensiunea de alimentare VDD).
Figura 5.40. O structur tipic cu porturi digitale i intr ri – ie iri analogice
În cadrul unui microcontroler pot exista pini care pot debita sau consuma un curent sporit (10-40 mA) fa
de 2-5 mA la pinii obi nui i. Este important de consultat
foaia de catalog a microcontrolerului pentru a nu dep i curentul de alimentare total maxim admis pentru microcontroler. Circuitul PIC16F877A se prezint în capsule PDIP i SOIC a a cum se observ în figura de mai jos:
Figura 5.41. Dispunerea terminalelor – capsul PDIP
70
Figura 5.42. PIC 16F877A varianta de capsula PDIP
Pinii microcontrolerului PIC16F877 sunt în num r total de 40, împ
i în dou
rânduri, având urm toarea semnifica ie: Nr. Pin
Semnifica ie
Nr.Pin
Semnifica ie
1
MCLR/Vpp - Master clear input (active low) RA0/AN0 - Port A RA1/AN1 - Port A RA2/AN2/Vref/CVref - Port A RA3/AN3/Vref - Port A RA4/TOCK1/C1OUT - Port A RA5/AN4/SS/C2OUT - Port A RE0/RD/AN5 - Port E RE1/WR/AN6 - Port E RE2/CS/AN7 - Port E Vdd - Positive Power Supply Vss - Ground OSC1/CLKIN - Oscillator OSC2/CLKOUT - Osciallator RC0/T1OSO/T1CKI - Port C RC1/T1OSI/CCP2 - Port C RC2/CCP1 - Port C RC3/SCK/SCL - Port C RD0/PSP0 - Port D RD1/PSP1 - Port D
21
RD2/PSP2 - Port D
22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
RD3/PSP3 - Port D RC4/SDI/SDO - Port C RC5/SDO - Port C RC6/TX/CK - Port C RC7/RX/DT - Port C RD4/PSP4 - Port D RD5/PSP5 - Port D RD6/PSP6 - Port D RD7/PSP7 - Port D Vss - Ground Vdd - Positive Power Supply RB0/INT - Port B RB1 - Port B RB2 - Port B RB3/PGM - Port B RB4 - Port B RB5 - Port B RB6/PGC - Port B RB7/PGD - Port B
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Figura 5.43. Tabel reprezentând semnifica ia pinilor microcontrolerului PIC 16F877A
PORT A este un port bidirec ional de 10 bi i. Registrul corespunz tor care controleaz direc ia se nume te TRISA. Prin setarea unui bit din TRISA, pinul respectiv devine intrare, iar prin tergerea bitului din TRISA pinul devine ie ire. Citirea registrului PORT A corespunde citirii st rii pinului, pe când scrierea PORT A înseamn memorarea unei valori logice.
71
Toate opera iile de scriere sunt de tip read-modify-write. În acest sens, o scriere la port implic citirea st rii pinilor, modificarea valorii i scrierea noii valori în latch-ul de date. Pinul RA4 este multiplexat cu semnalul de tact pentru Timer0, fiind notat RA4/T0CKI pin. Intrarea RA4/T0CKI este de tip Trigger Schmitt (VILMax = 0.2 VDD; VIHmin = 0.8 VDD). To i ceilal i pini RA au praguri de tensiune TTL când sunt configura i ca intr ri (VILMax = 0.8 V pentru 4.5 V
VDD
5.5 V, respectiv 0.15 VDD pentru alte valori ale
VDD; VIHmin = 2 V) i niveluri de tensiune CMOS (VOLMax = 0.6 V la IOL = 8,5 mA; VOHmin = VDD – 0.7 V) când sunt configura i ca ie iri. Toate aceste niveluri de tensiune sunt valabile i pentru Portul B PORT B este un port bidirec ional de 8 bi i, iar registrul care controleaz direc ia se nume te TRISB. Prin setarea unui bit în TRISB, pinul corespunz tor devine intrare, iar prin tergerea bitului din TRISA, pinul devine ie ire. Fiecare pin al PORTB are o rezisten
de pull-up de valoare ridicat
realizat cu
un tranzistor MOS. Patru pini ai portului PORTB, RB4:RB7 pot cauza o întrerupere, care se întâmpl când starea lor se schimb de la unu logic la zero logic i invers. Numai pinii configura i ca intrare pot cauza aceast întrerupere s se întâmple (dac fiecare pin RB4:RB7 este configurat ca o ie ire, nu va fi generat o întrerupere la schimbarea st rii. Tensiunea de alimentare Microcontrolerul este proiectat s func ioneze la tensiunea standard de alimentare de 5 V, îns
exist tot mai multe variante de microcontrolere care opereaz la tensiuni
reduse de 3 sau 3.3 V sau chiar în domenii de tensiune 2 – 6 V, cu men iunea c o tensiune de alimentare redus afecteaz de obicei negativ frecven a maxim de operare. Func ionarea la tensiune de alimentare redus apropiat de cea limit din catalog poate fi uneori înso it de erori i de aceea se recomand alimentarea microcontrolerului la tensiunea standard de 5V. Oscilatorul / generatorul de tact Ca orice sistem sincron, microcontrolerul dispune fie de un oscilator extern cu cuar , fie de un cristal cu cuar asociat unui oscilator intern, fie de varianta mai ieftin dar mai pu in precis – utilizarea unui rezonator ceramic. Circuitul oscilator este folosit
72
pentru a da microcontrolerului un ceas-clock. Ceasul este necesar pentru ca microcontrolerul s execute programul sau instruc iunile din program. Exist modele care ofer un oscilator RC intern (economisind deci 1-2 pini din capsul , aspect deosebit de important mai ales la capsulele mici ) sau extern, dar la care frecven a de operare variaz pronun at cu tensiunea de alimentare, temperatura, abaterile tehnologice, valoarea nominal a R i C. Asemenea aplica ii sunt recomandate doar acolo unde o varia ie serioas a frecven ei de operare nu deranjeaz performan ele. Frecven ele de tact tipice variaz în prezent între 4 i 50 MHz. Aceast frecven de operare nu ofer m sur absolut a capacit ii de procesare a controlerului, exprimat în MIPS (millions of operations per second), deoarece num rul de perioade necesar execut rii unei instruc iuni variaz
de la o familie de controlere la alta, iar unele
instruc iuni necesit mai multe cicluri decât altele. O exprimare realist este MIPS/MHz, care indic câte instruc iuni se execut la fiecare MHz al tactului. Frecven e de tact mari implic evident atât consum de putere mai ridicat cât i o emisie mai pronun ate de unde electromagnetice. Pentru PIC16F877A în varianta tipic de func ionare la 20 MHz, fiecare instruc iune se execut în 200 ns. Oscilatorul cu cristal( XT ) se afl intr-o carcas metalic cu doi pini pe care este înscris
frecven a la care cristalul oscileaz . Mai este necesar câte un condensator
ceramic de 27pF cu cel lalt cap t la mas de a fi conecta i la fiecare pin.
Figura 5.44. Conectarea oscilatorului cu cristal Un asemenea element se nume te rezonator ceramic i este reprezentat în scheme ca cel de mai sus. Pinii centrali ai elementului sunt masa, iar pinii terminali sunt conecta i la pinii OSC1 i OSC2 ai microcontrolerului. Când se proiecteaz
un montaj, este
recomandat ca oscilatorul s fie cât mai aproape de microcontroler, pentru a elimina orice interferen de pe liniile pe care microcontrolerul prime te tactul de ceas.
73
Intrarea de Reset Activarea Reset ini ializeaz controlerul, acesta reluând execu ia ca la o nou punere sub tensiune. Cel mai frecvent este ca intrarea Reset s fie activ JOS, existând i variante active SUS. Majoritatea noilor microcontrolere vor porni la punerea sub tensiune cu pinul Reset conectat la alimentare (VDD), dar unele modele mai vechi necesit un circuit RC de pornire sigur . Protec ia la sc derea tensiunii de alimentare Acest modul reseteaz controlerul dac tensiunea de alimentare a sc zut sub o anumit valoare, prestabilit
i men ine starea de Reset pân la revenirea tensiunii de
alimentare la valoarea nominal . Se ob ine astfel o protec ie eficient
împotriva
comport rii cu erori la tensiuni reduse de alimentare. Exist o serie de circuite externe cu 3 pini care efectueaz aceast func ie sau regulatoare liniare integrate care au o ie ire de Reset destinat a fi conectat la pinul omonim al microcontrolerului Timere Un timer (Timer) este în cel mai simplu caz un num
tor programabil. Semnalul
de tact este ob inut de la oscilatorul controlerului sau poate fi un semnal aplicat unui pin. Unui timer i se poate asocia un prescaler pentru a m ri capacitatea de num rare. Num rarea poate avea loc în sens cresc tor sau descresc tor, dar este prestabilit pentru un tip de controler. Un timer poate genera o întrerupere la dep ire (atunci când con inutul s u devine zero). De obicei timer-ul poate fi citit i scris în timpul func ion rii, facilitate care permite generarea unor intervale de timp extrem de precise. Timerele moderne ofer în plus facilit i de comparare i sau captur . Prin captur se stocheaz valoarea timer-ului în momentul în care apare o tranzi ie activ la unul din pinii controlerului, iar op ional se poate genera o întrerupere. Prin comparare se genereaz o întrerupere când timer-ul ajunge la o valoare prestabilit .
Figura 5.45. Facilit ile de captur
74
i comparare.
PWM - Modulatorul în durat Modulatorul în durat st rii SUS
produce un tren de impulsuri cu durata programabil a
i JOS, prin aceasta permi ându-se modificarea factorului de umplere.
Semnalul PWM se poate utiliza direct de exemplu pentru comanda unei diafragme piezoelectrice sau intensit ii luminoase a unui LED, sau se poate filtra i amplifica i atunci poate comanda un motor de curent continuu sau o alt sarcin .
Figura 5.46. Modulatorul în durat
i generarea unui semnal analogic.
Curentul de iesire Fiecare linie de intrare –ie ire( I/O) a PIC16F877A poate controla un curent de 25 mA în ambele sensuri, respectiv atât în starea SUS (curentul iese din circuit), cât i în starea JOS (curentul intr în circuit). Pentru sarcini care necesit un curent de valoare mai mare, sunt necesare unul sau mai multe tranzistoare externe de comand . Dac tensiunea de alimentare pentru circuitul comandat este mai mare de Vcc, un tranzistor extern este obligatoriu de folosit.
5.6.6 DISPLAY LCD HDM-16116H ALFANUMEIC PE 1x16 CARACTERE LCD-ul din cadrul aplica iei este un display alfanumeric f
iluminare cu
posibilitatea de afi are pe o linie, putând fi afi ate 16 caractere. Acest tip de display este foarte popular
i se regase te în monitoare, imprimante, în numeroase montaje cu
microcontrolere i mai ales la pl cile de dezvoltare folosite în scop didactic. În scopul realiz rii acestei prezent ri a display-ului s-a folosit documenta ia de specialitate [Hit00]. Afi ajele LCD proiectate cu HD44780, modulul pentru LCD fabricat de Hitachi, nu sunt scumpe i sunt u or de folosit, i chiar posibil s produc verificarea datelor afi ate folosind cei 8x80 pixeli ai afi ajului. Afi ajele LCD Hitachi con in un set de caractere ASCII plus simboluri japoneze, grece ti i matematice. 75
Display-ul este controlat de un integrat Hitachi HD44780A00 ( Fig.5.47 ), acest controler de display este de tip “ dot – matrix ” , adic un caracter este reprezantat printro matrice de puncte.
Figura 5.47. Diagrama bloc a controlerului H44780A00
Principalele avantaje ale display-ului sunt : -
plaja larg între 3 si 7V de alimentare ;
-
func ionarea de la o temperatura de la 0 pana la 50 grade celsius ;
-
posibilitatea de stocare la temperaturi cuprinse între -20 i 70 grade celsius;
-
posibilitatea de conectare pe 4 sau pe 8 bi i(putem observa modul de interconectare a microcontrolerului cu display-ul în fig.5.48 ).
-
pre sc zut de achizi ie ;
76
Figura 5.48 – Diagrama pinilor pentru conectarea pe 4 bi i a display-ului
O alte posibilitate de conectare ar fi cea pe 8 bi i , ceea ce ar mari considerabil viteza de afi are pe LCD. Pentru un bus de 8 bi i, afi ajul are nevoie de o tensiune de alimentare de +5v i 11 linii I/O. Pentru un bus de 4 bi i sunt necesare doar liniile de alimentare i 7 linii. Observ m c dezavantajul major in cazul conexiunii pe 8 bi i ar fi fost necesitatea a dou porturi pentru utilizarea display-ului, unul pentru control si unul pentru data fa
de
varianta pe 4 bi i , care utilizeaz un singur port, pentru date i control. Dup cum se observa din figura 5.48, display-ul are 14 pini. Pinii de alimentare ( Vss si Vdd). Vss- 0V, se leaga la masa, in montaj ( - ) , iar Vdd- tensiunea de alimentare la +5V ( nominal ). Pentru reglarea contrastului exist pinul Vee care este legat la tensiune printr-o rezistenta semireglabil Pinii de control ai display-ului ( RS , E si R/W ) . În cazul conect rii display-ului pe 4 bi i sunt folosi i doar pinii RS si E , R/W fiind legat la masa ( - ). Linia Enable (E) permite accesul la afi aj prin intermediul liniilor R/W i RS. Când aceast linie este LOW, LCD-ul este dezactivat i ignor semnalele de la R/W i RS. Când linia (E) este HIGH, LCD-ul verific starea celor dou linii de control i r spunde corespunz tor. Linia Read/Write (R/W) stabile te direc ia datelor dintre LCD i microcontroler. Când linia este LOW, datele sunt scrise în LCD. Când este HIGH, datele sunt citite de la LCD. Tipul datelor de pe liniile de date este interpretat de c tre LCD prin linia Register select (RS), când este LOW, o instruc iune este scris în LCD. Când este HIGH, un caracter este scris în LCD.
77
Figura 5.49. Diagrama bloc a Display-ului Starea logic a liniilor de control: E “0” Accesul la LCD dezactivat “1” Accesul la LCD activat R/W “0” Scrie date în LCD “1” Cite te date din LCD RS “0” Instruc iuni “1” Caracter Pinii de date ( D0, D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7 ) – sunt pinii pe care sunt primite (sau transmise ) date de la microcontroler ( c tre microcontroler ) spre a fi afi ate. În cazul conexiunii pe 4 bi i transmiterea datelor se face doar pe pinii D4 .. D7. Scrierea datelor în LCD se realizeaz în câ iva pa i: - se seteaz bitul R/W LOW - se seteaz bitul RS în 0 sau 1 logic (instruc iune sau caracter) - se trimit datele c tre liniile de date (dac se execut o scriere) - se seteaz linia E pe HIGH - se citesc datele de la liniile de date (dac se execut o citire) Citirea datelor de la LCD se realizeaz similar, cu deosebirea c linia de control R/W trebuie s fie HIGH( pentru modul pe 8 bi i ). Când trimitem un HIGH c tre LCD, el se va reseta i va accepta instruc iuni. Instruc iunile tipice care sunt transmise c tre un afi aj LCD dup
reset sunt: pornirea afi ajului, activarea cursorului
i scrierea
caracterelor de la stânga spre dreapta. În momentul în care un LCD este ini ializat, el este preg tit sa primeasc date sau instruc iuni. Dac recep ioneaz un caracter, el îl va afi a i va muta cursorul un spa iu la dreapta. Cursorul marcheaz loca ia urm toare unde un caracter va fi afi at. Când dorim s scriem un ir de caractere, mai întâi trebuie s set m adresa de start, i apoi s trimitem câte un caracter pe rând. Caracterele care pot fi afi ate
78
pe ecran sunt memorate în memoria video DD RAM (Data Display RAM). Capacitatea memoriei DD RAM este de 80 bytes.
Figura 5.50. Display LCD HDM-16116H
Afi ajul LCD mai con ine 64 bytes CG RAM ( Character Generator RAM). Aceast memorie este rezervat pentru caracterele definite de utilizator. Datele din CG RAM sunt reprezentate sub form de caractere bitmap de 8 bi i. Fiecare caracter ocup maxim 8 bytes în CG RAM, astfel num rul total de caractere pe care un utilizator poate le defineasc este 8. Pentru a afi a caracterul bitmap pe LCD, trebuie setat adresa CG RAM la punctul de start (de obicei 0) i apoi s fie scrise datele în afi aj. Viteza de r spuns a controlerului de LCD este cuprinsa intre 40 si 120 microsecunde (us) pentru scriere i citire. Alte opera ii pot dura pân la 5 ms. În acest timp microcontrolerul nu poate accesa LCDul. Utilizarea LCD-ului într-un proiect se face foarte simplu folosind software-ul “mikroC”. Exist un set de func ii care deservesc la ini ializare, comanda i afi are de caractere, aceste func ii putând fi folosite direct in program, nefiind nevoie sa includem alte fi iere pentru compilare. Principalele func ii din libr rie sunt : -
void Lcd_Init(unsigned short *port); - Ini ializeaz cu configura ia pinilor implicita ( standard ). Exist
LCD la “port” i posibilitatea
ini ializ rii cu configura ia pinilor dorit de utilizator. În cadrul acestei aplica ii s-a folosit configura ia standard. -
void Lcd_Config(unsigned short *port, unsigned short RS, unsigned short EN, unsigned short WR, unsigned short D7, unsigned short D6, unsigned short D5, unsigned short D4) - Ini ializeaz
LCD la “port”
cu configura ia pinilor dorita de utilizator. -
void Lcd_Out(unsigned short lin, unsigned short col, char *text) – Afi eaz “text“ pe LCD la linia i coloana specificat ( parametrii lin i col ).
79
5.6.7 AFI ARE PE LCD Mediul MikroC dispune de o librarie ce tie s lucreze cu display-uri LCD de 1x16, 2x16 caractere i chiar i cu display-uri grafice cum ar fi cel de celular Nokia 3310. Comunicarea între microcontroler i LCD poate fi pe 4 bi i sau pe 8, fiecare având avantaje i dezavantaje. În cadrul aplica ie este conectat pe 4 bi i. Configurarea pinilor este cea standard, existând i posibilitatea de a configurare proprie a utilizatorului. Libr ria pentru LCD de 1x16 caractere este larg , în aplica ie fiind folosite urm toarele comenzi : Lcd_Init(&PORTD) – Ini ializeaz LCD pe portul D al microcontrolerului ; Lcd_Out(linie, coloana,”text de afi at”) – Afi eaz un text la linia i coloana prescrisa; Lcd_Chr_Cp(ch) – Afi eaz caracterul “ch” la pozi ia curent a cursorului ; Lcd_Out_Cp(“text de afi at”) – Afi eaz un text la pozi ia curent a cursorului; Lcd_Cmd(Lcd_Clear) – terge ce este afi at pe LCD ; Lcd_Cmd(Lcd_Cursor_On) – Afi eaz cursorul la pozi ia unde a r mas ; Lcd_Cmd(Lcd_Cursor_Off) – Nu mai afi eaz cursorul ; Lcd_Cursor_Blink_On() – Afi eaz cursorul intermitent ; Lcd_Cursor_Blink_Off() – Afi eaz cursorul permanent ; Lcd_Shift_Right
- Shiftez datele afi ate pe LCD prin shiftarea datelor din
memoria RAM a LCD-ului;
5.7. PROGRAMATORUL JDM de MICROCONTROLERE PIC Programatorul folosit pe parcursul realiz rii proiectului de fa
este un
programator de tip JDM.. Schema original a programatorului a fost proiectata cu un soclu de 18 pini încorporat pe placa sa pentru a programa microcontrolerele PIC din seria 12 i cu o mufa serial prin care se realiza interconectarea cu unul din porturile seriale ale calculatorului. Varianta prezenta este una imbun
it , ea dispunând de un soclu
adi ional de 40 de pini, cu ajutorul c ruia se pot programa microcontrolerele PIC din seriile 16 i 18, i de o mufa serial la care sunt disponibili pinii necesari program rii microcontrolerului.
80
Figura 5.51. Programatorul JDM RS232
Prin aceast a doua muf serial se poate programa microcontrolerul “În Circuit”, s
mai fim nevoi i s
scoatem microcontrolerul la fiecare programare. Aceast
metod este cea utilizata i aici. Placa de baz dispune la rândul ei de o muf serial unde sunt conecta i pinii de programare, iar printr-un cablu serial microcontrolerul poate fi programat foarte simplu cu o singur condi ie i anume placa de baz sa fie alimentat .
5.8. REALIZAREA PROGRAMULUI IN LIMBAJUL DE PROGRAMARE C Pentru ca un microcontroler PIC 16F877A s execute opera iile prezentate mai sus care descriu func ionarea schemei (panoul solar s urm reasc mi carea soarelui ) este necesar s
se scrie
un program care s
implementeze acest lucru. Scrierea
programului poate fi f cut intr-un limbaj de nivel înalt, cu ajutorul compilatoarelor C, Basic sau Pascal, sau in limbajul de asamblare specific microcontrolerului PIC. Scrierea unui program este mai u oar intr-un limbaj de nivel înalt deoarece aceste compilatoare traduc de fapt limbajul de nivel înalt în limbajul de asamblare(un fi ier cu extensia "asm") i în acela i timp se genereaz codul ma in ce este stocat într-un fi ier cu extensia "hex". Acest fi ier con ine instruc iunile i datele ce trebuie trimise c tre memoria PIC-ului, cu ajutorul unui inscriptor. Limbajul de nivel înalt simplific
programarea, permi ând
scrierea intr-un rând sau in câteva rânduri a ceea ce ar necesita multe linii de program în limbaj de asamblare. Comenzile recunoscute de microcontroler sunt cele binare. Limbajul de asamblare este mai evoluat, con ine instruc iuni ce sunt u or de re inut, i pentru transformarea acestora in cod ma in avem nevoie de un compilator. Un program scris în limbajul de asamblare nu este destul de vizibil i de aceea pot exista gre eli de concep ie a programului, sau erori de programare, de i instruc iunile sunt corecte.
81
Scrierea programului se realizeaz de obicei intr-un editor ce permite salvarea liniilor de comand introduse. Scrierea programului a fost realizat în C, utilizând compilatorul MicroC. Acest lucru se poate observa în figurile urm toare (Fig 5.52 ,Fig 5.53) Programul care urmeaz procesul de urm rire a mi
a fi inscrip ionat în microcontroler
i care
coordoneaz
rii soarelui este prezentat în continuare.
Program Solar : #define #define #define #define
pauza 20 tmp 20 dif 40 pas 20
// Timp in mS- pauza dupa actionare // Temporizarea unui pas // Dif in mV dintre comparatii // Timpul de actioanare a motoarelor
//const pauza = 20, tmp = 20, dif = 40, pas =20 ; unsigned short n , cnt; int tm = 0, tlong, t[4], ch[3]; char *tc, txt[5]; void main() { INTCON = 0; //Nici o intrerupere OPTION_REG = 0x80;
ADCON1 = 0x82; ADCON0 = 0x41; PIR1.ADIF = 0; TRISA PORTB TRISB PORTC TRISC
= = = = =
0xFF; 0xFF; 0xFF; 0x00; 0x00;
// // // // //
1 000 0010 configurare PortA si E Analogice: VDD=Vref+, VSS=Vref-, RE2-RE0-Digital,RA0-RA5-Analog 01 000 001 - setare : frecventa Fosc/8,canal 0(RA0), convertor pornit, conversie oprita resetare flag AD
// canale Analogice // Limitatoare (intrari) //C este initializat cu 0 //C este Output
LCD_Init(&PORTD); LCD_Cmd(LCD_CURSOR_OFF); LCD_Cmd(LCD_CLEAR);
// initialize (4-bit interface connection) // send command to LCD (cursor off) //
Lcd_Out(1,1,"Proiect"); Lcd_Out(2,1,"diploma"); Delay_ms(2000); LCD_Cmd(LCD_CLEAR); cnt = 0; t[0]=t[1]=t[2]=t[3]=t[4] = 0; n = 0; while (1) { do {
82
t[n] = ADC_read(n); t[n] = t[n] * 5; if (n < 2) { IntToStr(t[0],txt); LCD_Out(1,1,txt); IntToStr(t[1],txt); LCD_Out(2,1,txt); } else { IntToStr(t[2],txt); LCD_Out(1,1,txt); IntToStr(t[3],txt); LCD_Out(2,1,txt); } Delay_ms(1); n++; if (n == 4) n = 0; } while (n==0);
// ia val ADC de la canalul "n"
// scrie pe linia 1 si apoi pe 2
if (cnt >= tmp) { if ( (abs(t[0] - t[1])) > dif ) // Reglare Axa Orizontala { if ( (PORTB.F1==1)&&(t[0] > (t[1]+ dif)) ) //Miscare Stanga { PORTC.F4=1; Delay_ms(pas); PORTC.F4=0; LCD_Out(1,7,"st"); } else if ( (PORTB.F2==1) && (t[1] > (t[0]+dif)) ) // Miscare Dreapta { PORTC.F5=1; Delay_ms(pas); PORTC.F5=0; LCD_Out(1,7,"dr"); } } else if ( (abs(t[2] - t[3])) > dif ) // Axa Oriz este echil => Reg axa Ver { if ( (PORTB.F4==1)&&(t[2] > (t[3]+dif)) ) //Miscare Sus { PORTC.F6=1; Delay_ms(pas); PORTC.F6=0; LCD_Out(1,7,"jos"); } else if ( (PORTB.F3==1) && (t[3] > (t[2]+dif)) ) // Miscare Jos { PORTC.F7=1; Delay_ms(pas); PORTC.F7=0; LCD_Out(1,7,"sus"); }
83
} else cnt = 0; } else cnt++; //if ( ((abs(t[2] - t[3])) < dif ) ) Delay_ms(pauza); LCD_Cmd(Lcd_CLEAR);
cnt = 0;
} }
Setarea corect a compilatorului in limbajul C este obligatorie pentru a putea compila programul scris.
Figura 5.52. Configurarea compilatorului
Figura 5.53. Compilarea programului
84
Dup
scrierea programului este necesar
testarea acestuia. Chiar dac
microcontrolerul este de tip flash i poate fi rescris în caz c programul nu func ioneaz , este preferabil eliminarea erorilor de programare înainte de conectarea lui în circuit. Programul fiind scris
i compilat, compilatorul salveaz
liniile de comand
introduse în format assembler i hex, fisierul .hex acesta trebuie introdus in PIC. Aceast opera ie se nume te înscriere i se execut cu ajutorul unui inscriptor (sau programator). Acest inscriptor se bran eaz
cu ajutorul unei mufe la un port
al
calculatorului . Avantajul este c acest inscriptor nu necesit surs de alimentare separat . Fiecare inscriptor are i un mic program specific, care interpreteaz acel fi ier hex i il trimite in memoria unui PIC. Acest program este ICPROG. Programarea microcontrolerului se poate observa in figura urm toare (Fig 5.54).
Fig 5.54. Programarea (înscrip ionarea) cu succes a microcontrolerului
85
Cap 6. FUNC IONAREA INSTALA IEI Pentru rotirea panoului solar s-a folosit patru senzori (fotodiode) care iluminate i modific valoarea în func ie de fluxul de lumin ce cade pe ele. Ace ti senzori care dau informa ii despre pozi ia soarelui sunt conecta i
la
intr rile analogice ale microcontrolerului. Atât timp cat razele solare sunt perpendiculare pe suprafa a panoului, cei patru senzori trimit microcontrolerului informa ii aproximativ egale, astfel sistemul nu reac ioneaz , el î i men ine starea pân la urm toarea citire i comparare a semnalelor. În momentul în care valoarea unei fotodiode este mai mare decât cealalt pe o anumit ax , ceea ce coincide cu mi carea soarelui, microcontrolerul sesizeaz acest lucru i comand rotirea panoului solar pe axa respectiv pân în momentul în care Soarele este din nou perpendicular pe panoul solar, realizându-se echilibrul fotodiodelor. Reglarea pragului de sensibilitate se face modificând în program diferen a de tensiune dintre fotocelule, la care sistemul reac ioneaz . Citirea informa ilor date de senzori se face astfel, se citesc senzorii de pe axa ox, dup care se citesc senzorii de pe oy, iar reac ia microcontrolerului este în aceea i ordine. Pentru ca microcontrolerul s nu reac ioneze la schimb ri ale ilumin rii senzorilor, far a fi provocate de soare ci de altceva, nori sau p
ri, s-a creat o temporizare a reac iei
microcontrolerului pe ambele axe. Acest timp este o constant
i se modific în program.
Comanda motoarelor este f cut în impulsuri, din cauza iner iei mari a ro ilor din ate a servomecanismelor, comanda continu face ca servomecanismul s nu se opreasc la timp, durata acestor impulsuri reglându-se în program. Instala ia de urm rire este prev zut cu patru limitatoare de curs . Aceste limitatoare de curs
sunt m rimi de intrare pentru microcontroler, reprezentând un buton normal
deschis cu revenire, conectat la un pin de intrare i care determin trecerea acestui pin în starea 0 sau 1 logic. În momentul în care motorul se rote te spre dreapta
i se atinge astfel cursa
maxim pe care o poate face servomotorul, adic limitatorul din dreapta va fi ac ionat, lucrul acesta este sesizat de microcontroler care va comanda oprirea motorului i rotirea
86
motorului doar în spre stânga. Acest lucru se repet
i la rotirea în sens invers sau la
înclinarea panoului în ambele sensuri. Mersul spre stânga i spre dreapta sau sus i jos al panoului, se realizeaz inversarea tensiunii de alimentare a motoarelor. Acest lucru se realizeaz
setând ca ie iri
patru pini ai portului C adic RC4-RC5 i RC6-RC7, prin care se comand tranzistoarelor celor dou pun i H. Tabelul de adev r corespunz tor st rii pinilor este urm torul : Nr crt 1
Starea motorului pe OX
RC4
RC5
0
0
Stop: motorul e oprit
2
1
0
Rotire spre stânga
3
0
1
Rotire spre dreapta
RC6
RC7
0
0
Stop: motorul e oprit
2
1
0
Rotire sus
3
0
1
Rotire jos
Nr crt 1
Starea motorului pe OY
Figura 6.1. Sistemul de pozi ionare în starea final
87
prin
deschiderea
CONCLUZII
Solu ia propus
pentru pozi ionarea automat a panoului solar dup
Soarelui a fost cea prezent
mi carea
în cursul acestui proiect, având la baz patru senzori care
ofer informa ii cu privire la mi carea Soarelui, solu ie care, ca la orice servomecanism de urm rire a pozi iei se caracterizeaz prin existen a unui prag de insensibilitate ce determin o abatere între pozi ia de referin
i cea m surat . Alegerea acestui prag este
rezultatul unui compromis între precizie i stabilitatea sistemului Lucrarea de fa
a constituit de asemenea
i o introducere in domeniul
microcontrolerelor; studiul, analiza, m rimilor de intrare-ie ire într-un microcontroler, a elementelor de interfa are la un microcontroler, i a mediului de programare i compilare. Utilizarea unui microcontroler în solu ionarea sistemului de comand
i control a
unui sistem de pozi ionare (urm rire) are avantajul flexibilit ii implement rii practice a solu iei, deoarece solu ia aleas poate fi modificat Folosirea unei instala ii de urm rire a mi
i optimizat soft. rii Soarelui m re te randamentul unui
panou fotovoltaic cu pan la 35%, inându-se cont i de pierderile de energie datorate consumului propriu al instala iei. Implementarea practic
a fost realizat
punându-se accent pe componente
electronice, mecanisme i piese u or accesibile, dar i elemente specifice acestei aplica ii, cum ar fi panoul fotovoltaic. Ca de exemplu, elementul de comand microcontroler ce se g se te cu u urin
în comer
de pe placa electronic
este un
i se programeaz foarte repede.
Pun ile de tranzistoare sunt cu tranzistoare bipolare de medie tensiune, iar fotocelulele sunt fotodiode normale. Mecanismele ce execut pozi ionarea pe cele dou axe sunt reductoare ce pot fi preluate de la orice alt tip de aplica ie ce folose te reduc toare cu trepte mari de reducere a vitezei. Servomotoarele sunt motora e folosite în aparatura video. Cel mai dificil a fost achizi ia panoului fotovoltaic, din cauza num rului mic de firme din România ce se ocup cu distribuirea de panouri fotovoltaice, el fiind la un pre mai mare. 88
Ca posibile dezvolt ri acestui sistem de orientare automat amintim: •
crearea unui sistem de pozi ionare de dimensiuni mari pentru aplica ii de puteri de ordinul KW-lor ;
•
dimensionarea unor mecanisme de pozi ionare, capabile de a fi mult mai precise i cu un consum de energie mai mic;
•
implementarea unui sistem digital de comand
cu microcontroler ce poate
comanda înc rcarea bateriei de acumulatori, eliminându-se regulatoarele de tensiune analogice. •
dotarea sistemului cu diver i senzori suplimentari, cum ar fi de temperatur , de m surarea curentului i a tensiunii de înc rcare a bateriei de acumulatori, etc.
Aceast
lucrare a fost realizat
cu ajutorul unor oameni deosebi i care au
contribuit financiar i m-au ajutat la procurarea anumitor piese mecanice. Mul umesc domnilor: Dr. Ing. Emil Mateia ( reprezentant PHILIPS- Germania), Dr. Ing. Erwin Orszari Dr. Ing. Cristi Orszari (director adjunct Uzina O elu-Ro u).
89
BIBLIOGRAFIE
1. Aspecte practice în conversia fotovoltaic a energiei solare - Marius Paulescu, Zeno Schlett, Editura Mirton Timisoara 2002 2. Conversia fotovoltaic a energiei solare - Marius Paulescu, Zeno Schlett, Editura Mirton Timisoara 2001 3.Sisteme cu microcontrolere orientate pe aplica ii - Mircea Popa Editura Politehnic Timi oara 2003 4. Microcontrolerul risc PIC16F84A si aplica ii - Aurel Gontean, Editura Orizonturi Universitare 2004, Timi oara 5. Note de aplica ie în electronica digital (Hobby, Microcontrolerul PIC16F84, Achizi ii de date) - Cristian Pârvu, Editura Albastr , Cluj-Napoca 2002 6.Servomecanisme - Dorin Popovici Universitatea tehnic Timisoara, facultatea de Electrotehnic , 1992 7.OPTOELECTRONIC
- Emil Voiculescu , Tiberiu Mali a
8.ELECTRONICA - E.Damachi, A.Tunsoiu, L.Dobos, N.Tomescu 9.www.mikroelektronica.co.yu 10.www.ic-prog.com
90
