bib.irb.hr · web viewpošto pv/t kolektor u osnovi predstavlja spoj sunčanog toplinskog kolektora...
TRANSCRIPT
SVEUČILIŠTE U ZAGREBU
FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA
DIPLOMSKI RAD br. 1444
IZVEDBA UPRAVLJAČKOG SUSTAVA HIBRIDNOG NAPONSKO-TOPLINSKOG
SUNČANOG MODULA
Ante Perić
Zagreb, veljača 2017.
ZahvalaZahvaljujem se prije svega svojim roditeljima koji su mi uvijek bili podrška i
usmjeravali me na pravi put. Koliko je god moje obrazovanje moj uspjeh, toliko je i
njihov. Osim roditelja, zahvaljujem se djevojci i prijateljima koji su znali uvijek izvući
ono najbolje iz mene. Zahvaljujem se jednako tako i mom mentoru, Prof. dr. sc.
Viktoru Šundi, na neizmjernom strpljenju i razumijevanju koje mi je pružio ne samo za
vrijeme pisanja rada već i za vrijeme cijelog studija. Na kraju se zahvaljujem Prof. dr.
sc. Željku Banu na pomoći pri izradi simulacija.
Sadržaj1. Uvod................................................................................................................................................1
2. Fotonaponski sustav........................................................................................................................2
2.1. Fotoelektrični efekt.................................................................................................................2
2.2. Sunčana ćelija..........................................................................................................................2
2.2.1. Vrste ćelija.......................................................................................................................6
2.2.2. Energija praga kristala kod raznih izvedbi ćelija...............................................................7
2.3. Fotonaponski modul................................................................................................................8
2.3.1. Povezivanje fotonaponskih ćelija i modula......................................................................9
2.3.1.1. Serijsko i paralelno povezivanje ćelija....................................................................10
2.3.1.2. Serijsko i paralelno povezivanje modula................................................................10
3. Hibridni naponsko-toplinski sunčani kolektori (PV/T)...................................................................12
3.1. Podjela PV/T kolektora prema mediju koji odvodi toplinu....................................................12
3.1.1. PV/T kolektor hlađen vodom.........................................................................................14
3.1.2. Izvedba radijatora s limom i okruglim cijevima..............................................................14
3.2. Toplinska i električna djelotvornost PV/T kolektora..............................................................16
3.2.1. Toplinska djelotvornost sunčanog kolektora.................................................................16
3.2.2. Električna djelotvornost fotonaponskog modula...........................................................18
3.3. Djelotvornost prekrivenih i neprekrivenih PV/T kolektora....................................................20
4. Eksperimentalni model sustava s hibridnim naponsko-toplinskim sunčanim kolektorom............22
4.1. Fotonaponski modul..............................................................................................................24
4.2. Aluminijski apsorber..............................................................................................................26
4.3. Cijevi za protok vode (radijator)............................................................................................26
4.4. Toplinska izolacija..................................................................................................................28
4.5. Spremnik za vodu..................................................................................................................28
4.6. Istosmjerna crpka..................................................................................................................29
4.7. Akumulatorska baterija.........................................................................................................30
4.8. Mehanička konstrukcija.........................................................................................................31
5. Upravljački sustav hibridnog naponsko-toplinskog sunčanog kolektora.......................................32
5.1. Silazni istosmjerni pretvarač..................................................................................................32
5.2. Algoritam praćenja točke maksimalne snage........................................................................35
5.3. Projekt silaznog istosmjernog pretvarača..............................................................................39
5.3.1. Dimenzioniranje silaznog pretvarača.............................................................................44
5.3.2. Projektiranje pretvarača u programu Eagle...................................................................47
5.4. Projekt upravljačkih funkcija prema sustavu protoka............................................................58
5.5. Simulacija sustava za upravljanje protokom koristeći programski alat Matlab/Simulink.....59
6. Zaključak........................................................................................................................................66
7. Literatura.......................................................................................................................................67
Popis slikaSlika 1 Električni model fotonaponske ćelije...........................................................................................3Slika 2 U-I karakteristika fotonaponske ćelije..........................................................................................4Slika 3 Osnovni parametri fotonaponske ćelije.......................................................................................5Slika 4 Efikasnost i energiju praga različitih ćelija....................................................................................8Slika 5 Slojevi fotonaponskog modula.....................................................................................................9Slika 6 Povezivanje ćelija u module, panele i polje..................................................................................9Slika 7 Serijsko i paralelno povezivanje ćelija........................................................................................10Slika 8 Serijsko povezivanje fotonaponskih modula..............................................................................11Slika 9 Paralelno povezivanje fotonaponskih modula...........................................................................11Slika 10 PV/T kolektori hlađeni zrakom.................................................................................................13Slika 11 PV/T kolektori hlađeni vodom..................................................................................................13Slika 12 PV/T kolektor s limom i okruglim cijevima...............................................................................15Slika 13 Uvećani presjek PV/T kolektora s limom i cijevima..................................................................15Slika 14 Uvećani presjek radijatora s limom i cijevima a) Radijator u PV/T kolektoru b) Radijator van PV/T kolektora.......................................................................................................................................16Slika 15 Gubici PV/T kolektora...............................................................................................................20Slika 16 Tipične krivulje toplinske djelotvornosti za prekriveni i neprekriveni PV/T kolektor................21Slika 17 PV/T sustav...............................................................................................................................22Slika 18 Fotonaponski modul serije SV60-225 tvrtke Solvis...................................................................24Slika 19 Aluminijski apsorber eksperimentalnog PV/T kolektora..........................................................26Slika 20 Radijator eksperimentalnog PV/T kolektora............................................................................27Slika 21 Spajanje radijatora na aluminijski apsorber.............................................................................27Slika 22 Toplinska izolacija eksperimentalnog PV/T kolektora..............................................................28Slika 23 Toplinski spremnik...................................................................................................................29Slika 24 Barwig potopna crpka..............................................................................................................29Slika 25 Skica mehaničke konstrukcije...................................................................................................31Slika 26 Sinkroni silazni pretvarač.........................................................................................................32Slika 27 Valni oblici sinkronog silaznog pretvarača................................................................................33Slika 28 Neisprekidani način rada..........................................................................................................34Slika 29 Granica između isprekidanog i neisprekidanog načina rada....................................................35Slika 30 Isprekidani način rada..............................................................................................................35Slika 31 Karakteristike fotonaponskog sustava.....................................................................................36Slika 32 Dijagram toka P&O algoritma..................................................................................................38Slika 33 Shema simulacijskog modela...................................................................................................39Slika 34 Shema podsustava “FN panel + pretvarač”..............................................................................39Slika 35 Simulacijski model sinkronog silaznog pretvarača u LTSpice-u................................................43Slika 36 Pretvarač projektiran pomoću programa za izradu tiskanih pločica Eagle...............................47Slika 37 Zaštita na ulazu pretvarača......................................................................................................48Slika 38 Otporna dijelila za mjerenje a) ulaznog napona pretvarača i b) izlaznog napona pretvarača. .48Slika 39 Linearni strujni senzori tipa ACS713ELCTR za mjerenje a) ulazne struje fotonaponskog panela i b) izlazne struje baterije........................................................................................................................49Slika 40 Ulazni kondenzatori, MOSFET-i za sklapanje pretvarača i izlazni LC filtar................................49Slika 41 MOSFET Q3 upravljan VOM1271 čipom...................................................................................50
Slika 42 IR2184PBF čip za upravljanje MOSFET-ima pretvarača............................................................50Slika 43 MOSFET Q4..............................................................................................................................51Slika 44 Analogni ulazi...........................................................................................................................51Slika 45 Digitalni izlazi...........................................................................................................................52Slika 46 Regulator napona PTN78000W................................................................................................52Slika 47 Shema mikroprocesora ATMEGA2560.....................................................................................53Slika 48 Mikroprocesor FT232RL...........................................................................................................53Slika 49 Kristalni oscilator Y1.................................................................................................................54Slika 50 ICSP konektor...........................................................................................................................54Slika 51 Konektor za povezivanje GSM modula SIM800LEVB................................................................54Slika 52 Shema cjelovite tiskane pločice u Eaglu...................................................................................56Slika 53 Shema tiskane pločice sa komponentama na prednjoj strani..................................................57Slika 54 Shema tiskane pločice s zrcaljenim komponentama na stražnjoj strani...................................57Slika 55 Dijagram upravljana crpkom....................................................................................................58Slika 56 Blokovska shema sustava za upravljanje protokom.................................................................60Slika 57 Matlab funkcija bloka Upravljanje protokom...........................................................................62Slika 58 Sunčevo zračenje na površinu fotonaponskog modula............................................................62Slika 59 Odnos temperatura bojlera, pumpe, vode u radijatoru i fotonaponskog modula bez potrošnje vode......................................................................................................................................................63Slika 60 Protok vode u cijevima.............................................................................................................63Slika 61 Protok vode u bojleru...............................................................................................................64Slika 62 Odnos temperatura bojlera, pumpe, vode u radijatoru i fotonaponskog modula s potrošnjom vode......................................................................................................................................................64Slika 63 Protok vode u cijevima za slučaj s potrošnjom vode................................................................65Slika 64 Snaga fotonaponskog modula.................................................................................................65Slika 65 Temperatura vode u pumpi.....................................................................................................65
Popis tablicaTablica 1 Osnovni podaci za razne vrste fotonaponskih ćelija.................................................................7Tablica 2 Skraćenice korištene u poglavlju 3.2......................................................................................19Tablica 3 Detaljne specifikacije fotonaponskog modula........................................................................25Tablica 4 Specifikacije potopne crpke...................................................................................................30Tablica 5 Tehnički podaci za akumulatorsku bateriju............................................................................30Tablica 6 Parametri simulacijskog modela............................................................................................41Tablica 7 Srednje vrijednosti gubitaka snage za MOSFET U1, MOSFET U2 i zavojnicu..........................44Tablica 8 Popis komponenti korištenih pri projektiranju štampane pločice..........................................55Tablica 9 Podaci korišteni u simulaciji...................................................................................................61
1. UvodSunce je, neposredno ili posredno, izvor gotovo sve raspoložive energije na Zemlji.
Pod optimalnim uvjetima, na površini Zemlje može se dobiti 1 kW/m2, a stvarna
vrijednost ovisi o lokaciji, godišnjem dobu, dobu dana, vremenskim uvjetima itd. U
Hrvatskoj je prosječna vrijednost dnevne insolacije na horizontalnu plohu 3-4,5
kWh/m2. Europa nije na vrlo pogodnom području za eksploataciju, ali unatoč tome u
Europi je direktno iskorištavanje sunčeve energije u velikom porastu. Većinom je to
rezultat politike Europske unije i pojedinih država koji subvencioniraju instaliranje
elemenata za pretvorbu sunčeve energije u iskoristivi oblik energije.
Načini pretvorbe sunčeve energije u iskoristivi oblik energije su razni, a kad se radi o
pretvorbi sunčeve energije u električnu energiju još uvijek su najrasprostranjeniji
fotonaponski moduli. Fotonaponski moduli apsorbiraju do 80% sunčeva zračenja.
Međutim, samo 5-20% apsorbirane energije se pretvara u električnu energiju, dok je
ostatak neiskorištena toplinska energiju. Toplinska energija podiže radnu temperaturu
ćelije i do 35°C više od temperature okoline. Porastom temperature ćelije pada
električna djelotvornost fotonaponskog modula. Za veću djelotvornost pretvorbe
sunčeve energije u električnu energiju potrebno je smanjiti temperaturu sunčane
ćelije. To je moguće ostvariti upotrebom hibridnih naponsko-toplinskih sunčanih
kolektora.
Na Fakultetu elektrotehnike i računarstva u Zagrebu razvijen je eksperimentalni
model sustava s hibridnim naponsko-toplinskim sunčanim kolektorom koji koristi vodu
kao medij za odvođenje topline.
Rad je podijeljen na tri dijela. U prvom dijelu rada su detaljno opisani fotonaponski
modul i hibridni naponsko-toplinski kolektor. U drugom dijelu rada je opisan
eksperimentalni model sustava s hibridnim naponsko-toplinskim sunčanim kolektorom
te je dodatno pojašnjen sustav upravljanja jednim takvim sustavom. Treći dio rada
obuhvaća dio o izradi istosmjernog pretvarača te samu simulaciju sustava upravljanja
protokom.
1
2. Fotonaponski sustavFotonaponski sustav služi kako bismo pretvorili sunčevu energiju u električnu, a
glavno otkriće koje je dovelo do izrade današnjih sofisticiranih fotonaponskih panela
je fotoelektrični efekt.
Pojavu da svjetlost određene valne dužine kada obasjava neki metal (npr. cink ili
natrij) iz njega izbije elektron otkrio je još Becquerel 1939. Objašnjenje ove
kvantnomehaničke pojave, kojom se može proizvoditi električnu energiju, dao je
Einstein 1905., dok je prva moderna izvedba fotonaponske ćelije, koja iskorištava
fotoelektrični efekt, ostvarena tek 1954. u Bell Labs.
2.1. Fotoelektrični efektFotoelektrični efekt kojim se može proizvoditi električna energije nastaje kada foton
dovoljne energije pogodi elektron u neutralnom p-n poluvodičkom spoju. Poluvodič p-
tipa ima slobodne elektrone i nastaje kada se kristal silicija (4 valentna elektrona)
dopira 3-valentnim elementom, npr. borom, a n-tip ima slobodne šupljine (manjak
elektrona) i nastaje dopiranjem silicija 5-valentnim elementom, npr. fosforom. Na
spoju ova dva tipa poluvodiča, rekombinacijom elektrona i šupljina, nastaje neutralno
područje sa električnim poljem. Da bi foton u sudaru prebacio elektron kroz to polje
treba dobiti najmanje energiju jednaku tom polju. To praktično znači da svi fotoni koji
imaju energiju manju od potrebne ne mogu ostvariti fotoelektrični efekt, a svi elektroni
koji imaju veću energiju od potrebne ostvaruju izbacivanje samo jednog elektrona.
Različiti materijali imaju određeni iznos energije praga ili zabranjenog pojasa.
2.2. Sunčana ćelijaFotonaponska (sunčana) ćelija je elektronički element koji upadnu sunčevu energiju
pretvara izravno u električnu na principu, prethodno opisanog, fotoelektričnog efekta.
Na slici 1. je prikazan električni model fotonaponske ćelije.
2
Slika 1. Električni model fotonaponske ćelije
Kad fotonaponska ćelija nije osvijetljena, kroz nju protječe struja 𝐼𝑑 definirana
Shockleyjevom jednadžbom (1).
I d=I 0(eqUmkT−1)
(1 )
gdje je:
- I0 - reverzna struja zasićenja
- U - napon na sunčanoj ćeliji
- m - faktor idealnosti diode
- q - naboj elektrona
- k - Boltzmannova konstanta
- T - temperatura
Kada se fotonaponska ćelija osvijetli, stvaraju se parovi nosilaca koje razdvaja
električno polje u osiromašenom području. Posljedica toga je nastajanje fotostruje 𝐼𝑠 pa se osvijetljena fotonaponska ćelija ponaša kao strujni izvor. Ako je u izlaznom
krugu spojeno trošilo otpora R, u slučaju osvijetljene fotonaponske ćelije struja kroz
trošilo je dana izrazom (2).
I=I 0(eqUmkT−1)−I s(2 )
Zbog stvaranja fotostruje izlazna karakteristika fotonaponske ćelije se pomiče iz 1. u
4. kvadrant gdje je fotonaponska ćelija izvor struje, slika 2. Karakteristika
3
fotonaponske ćelije proteže se i u 1. i 3. kvadrant, ali se obično crta samo dio u 4.
kvadrantu jer je to radno područje fotonaponske ćelije u kojem ona daje električnu
energiju.
Slika 2. U-I karakteristika fotonaponske ćelije
Dogovorno se smjer fotostruje uzima kao pozitivan pa je uobičajeno karakteristiku
sunčane ćelije prikazati u 1. kvadrantu na način prikazan na slici 3. U tom slučaju
jednadžba (2) postaje jednadžbom (3).
I=I s−I 0(eqUmkT−1)
(3 )
Strujno-naponska karakteristika kraće se naziva U-I karakteristika i najpotpunije
opisuje fotonaponsku ćeliju. Karakteristične točke na U-I karakteristici, tj.
karakteristični parametri fotonaponske ćelije su:
- struja kratkog spoja 𝐼𝑘𝑠 – struja koja teče kad je napon na stezaljkama fotonaponske
ćelije jednak nuli.
- napon praznog hoda 𝑈𝑝ℎ – napon koji postoji na stezaljkama fotonaponske ćelije u
režimu praznog hoda (tj. kad je I=0).
4
- točka maksimalne snage 𝑃𝑚 – točka u kojoj fotonaponska ćelija daje najveću
moguću snagu.
Osnovni parametri fotonaponske ćelije prikazani su na slici 3.
Slika 3. Osnovni parametri fotonaponske ćelije
Maksimalna snaga 𝑃𝑚 odgovara najvećoj mogućoj površini pravokutnika koji se može
upisati u U-I karakteristiku. U točki maksimalne snage vrijednost struje je 𝐼𝑚, a
napona 𝑈𝑚.
Struja kratkog spoja može se izračunati uvrštavanjem uvjeta U=0 u jednadžbu (3) pa
se dobije (4).
I ks=I s(4 )
Na isti se način može pronaći napon praznog hoda, uvrštavanjem uvjeta I=0 u
jednadžbu (3), te se dobije (5).
U ph=mkTqln( I sI 0+1)
(5 )
Dakle, napon praznog hoda ovisi o iznosu fotostruje 𝐼𝑠 i o struji zasićenja diode 𝐼0 za
koju je poželjno da je što manjeg iznosa.
5
Omjer napona praznog hoda i struje kratkog spoja naziva se karakteristični otpor i
označava s 𝑅𝑘 (6).
Rk=U ph
I ks(6 )
Snaga koju daje fotonaponska ćelija opisana je jednadžbom (7).
P=UI=U [I s−I 0(eqUmkT−1)− U
Rp ](7 )
Maksimalna snaga koju daje fotonaponska ćelija može se prikazati kao (8).
Pm=Um Im=U ph I ks FF(8 )
gdje je FF faktor punjenja (engl. Fill Factor).
Faktor punjenja je omjer površine pravokutnika čije su stranice 𝑈𝑚 i 𝐼𝑚 (najveći
pravokutnik koji se može upisati u U-I karakteristiku) i pravokutnika sa stranicama 𝑈𝑝ℎ i 𝐼𝑘𝑠. Vrijednost faktora punjenja govori o tome koliko se stvarna ćelija približava
idealnoj, odnosno koliki je utjecaj serijskog i paralelnog otpora ćelije. U praksi je
vrijednost faktora punjenja obično između 0,7 i 0,9 i opada linearno s omjerom 𝑅𝑠/𝑅𝑘 i 𝑅𝑘/𝑅𝑝.
Djelotvornost fotonaponske ćelije η definira se kao omjer između maksimalne snage
koju ćelija može dati 𝑃𝑚 i snage sunčeva zračenja koje upada na ćeliju 𝑃𝑢 (9).
η=Pm
Pu=
Pm
E A=Um ImEA
(9 )
gdje je 𝐸 ozračenje površine, a 𝐴 površina fotonaponske ćelije. Uvrštavajući izraz (8)
za maksimalnu snagu, slijedi (10).
6
η=FFU ph I ksEA
(10 )
Djelotvornost fotonaponske ćelije je to veća što je faktor punjenja bliži jedinici i što je
veći iznos struje kratkog spoja. Najveća djelotvornost fotonaponske ćelije pri
određenom ozračenju i temperaturi postiže se ukoliko je na fotonaponsku ćeliju
spojen optimalni iznos trošila, tj. ako ćelija radi u točki maksimalne snage.
2.2.1. Vrste ćelijaSunčane fotonaponske ćelije mogu biti izrađene od raznih tipova poluvodičkih
materijala, koji mogu biti složeni u različite strukture s ciljem postizanja što veće
efikasnosti. Za izradu fotonaponskih ćelija koriste se sljedeći poluvodički materijali i
tehnologije:
Silicij (Si) – uključujući monokristalni silicij (c-Si), polikristalni silicij (p-Si), i amorfni
silicij (a-Si).
Polikristalni tankoslojni materijali (polikristalni tanki film) – kao što su CdTe
kadmijtelurid, bakar-indij-diselenid, te tankoslojni silicij (amorfni silicij spada i u ovaj
tip).
Monokristalni tankoslojni materijali (monokristalni tanki film) – većinom izvedeni od
galij-arsenida (Ga-As).
Fotonaponske ćelije sa kaskadnom strukturom materijala –kombinacije raznih
poluvodičkih materijala u slojevima.
Tablica 1. ilustrira osnovne podatke za razne vrste fotonaponskih ćelija.
Tablica 1. Osnovni podaci za razne vrste fotonaponskih ćelija
Vrste ćelija Uph, V Jks, mA/cm2 η, % ProizvodnjaMonokristalna-Si 0,65 30 14 – 18 masovna
Polikristalna-Si 0,6 26 ~14 masovna
Amorfna-Si 0,85 15 ~8 masovna
7
Amorfna-Si, dva sloja 0,5 20 ~8,8 manje količine
Cd S / Cu2 S 0,7 15 ~12 manje količine
Cd S / Cd Te 1 25 ~10,7 manje količine
Ga In P As / Ga As - - ~21 manje količine
2.2.2. Energija praga kristala kod raznih izvedbi ćelijaTeorijska iskoristivost Sunčeve svjetlosti za proizvodnju električne energije u
fotonaponskoj ćeliji s jednim p-n prijelazom ograničena je energijom praga kristala i
nizom efekata gdje se gubi energija (npr. zagrijavanje i parazitne struje ovisno o
temperaturi). Od teorijskog maksimuma za silicij od 28% na 0oC u laboratoriju je
ostvareno 25%. Praktično se može postići djelotvornost i preko 50% kombiniranjem
više p-n spojeva zajedno i drugim naprednim rješenjima (npr. kvantne točke i
udubljenja) koja iskorištavaju potpunije spektar Sunčeva zračenja. Napon i
maksimalna djelotvornost na fotonaponskoj ćeliji ovise o energiji praga poluvodiča,
slika 4.
Slika 4. Djelotvornost i energiju praga različitih ćelija
2.3. Fotonaponski modul
8
Tipični fotonaponski modul načinjen od kristalnog silicija (c-Si ili p-Si) sastoji se od
transparentnog gornjeg sloja, enkapsulanta, donjeg sloja i okvira, slika 5. Gornji sloj
fotonaponskog modula mora imati visoki stupanj providnosti, biti otporan na
atmosferske prilike i zadržati stabilne karakteristike kod višegodišnje izloženosti
ultraljubičastom zračenju. Materijal koji se najčešće koristi je kaljeno staklo.
Enkapsulant služi kao zaštita solarnih ćelija ali i kao učvršćivač gornjeg i donjeg sloja.
I on mora biti visoko transparentan, stabilan pri visokim temperaturama i
ultraljubičastom zračenju. Materijal koji se najčešće koristi je etilen-vinil-acetat (EVA
film), kemijski spoj koji se prilikom zagrijavanja polimerizira i tako učvršćuje
konstrukciju modula. Donji sloj PV modula je tanki polimerni film koji ima dobru
otpornost protiv vlage i korozije, najčešće tedlar – polivinil-fluorid (PVF). Fotonaponski
modul se uokviruje u aluminijski okvir koji služi kao stabilizacija i omogućava
pričvršćenje na podlogu.
Slika 5. Slojevi fotonaponskog modula
2.3.1. Povezivanje fotonaponskih ćelija i modulaKombiniranim serijskim i paralelnim povezivanjem pojedinačnih sunčanih ćelija
nastaju fotonaponski moduli. Više fotonaponskih modula instaliranih zajedno čine
fotonaponski panel koji može imati instaliranu snagu od nekoliko kW. Više
fotonaponskih panela može formirati veću cjelinu koja se često naziva fotonaponsko
9
polje. Instalirana snaga fotonaponskog polja može biti od nekoliko kW do nekoliko
MW, slika 6.
Slika 6. Povezivanje ćelija u module, panele i polje
2.3.1.1. Serijsko i paralelno povezivanje ćelija
U-I karakteristika ovisna o načinu spoja prikazana je slikom 7. Paralelnim spajanjem
povećavamo iznos struje, dok serijskim spajanjem povećavamo iznos napona.
Određenim kombiniranim spojem dobijemo željeni napon i željenu struju modula.
Slika 7. Serijsko i paralelno povezivanje ćelija
10
Fotonaponski modul koji se sastoji od ns serijski i np paralelno spojenih ćelija može se
opisati izrazom (11).
I=np IPV−np I 0(eq
ak TC (U+ I R s
ns )−1)−U+ I R s
R p
(11 )
2.3.1.2. Serijsko i paralelno povezivanje modula
Fotonaponski se moduli kao i fotonaponske ćelije mogu spajati u seriju kako bi se
povećao napon ili u paralelu kako bi se povećala struja. Fotonaponska polja obično
su sastavljena od kombinacije serijski i paralelno spojenih panela kako bi se povećala
snaga. Fotonaponski moduli spojeni u seriju utječu na U-I karakteristiku na sličan
način kao i fotonaponska ćelija. Ukupni napon je zbroj napona pojedinih modula, slika
8.
Slika 8. Serijsko povezivanje fotonaponskih modula
Ako se želi postići veća struja potrebno je fotonaponske module spojiti u paralelu.
Utjecaj paralelno spojenih modula na U-I karakteristiku može se vidjeti na slici 9.
11
Slika 9. Paralelno povezivanje fotonaponskih modula
3. Hibridni naponsko-toplinski sunčani kolektori (PV/T)
Hibridni naponsko-toplinski sunčani kolektor (engl. Hybrid Photovoltaic/Termal
Collector – PV/T) je uređaj koji istovremeno pretvara Sunčevu energiju u električnu i
toplinsku energiju. Sastoji se od fotonaponskog modula i uređaja za odvođenje
topline koji se nalazi na poleđini modula. Svrha uređaja za odvođenje topline je
dvostruka. On osim što odvodi toplinu i skladišti je u spremniku topline, ujedno hladi
sunčane ćelije te tako poboljšava njihovu efikasnost u pretvorbi sunčeve energije u
električnu.
3.1. Podjela PV/T kolektora prema mediju koji odvodi toplinu
12
PV/T kolektori se mogu podijeliti, s obzirom na medij koji odvodi toplinu, na PV/T
kolektore hlađene vodom i PV/T kolektore hlađene zrakom. Svaki od njih se još
dodatno dijeli s obzirom na detalje u izradi apsorbera. Vrsta apsorbera igra vrlo važnu
ulogu u radu PV/T kolektora. Osim što pomoću njega odvodimo toplinu u spremnik
topline, ujedno hladimo sunčane ćelije čime se poboljšava njihova djelotvornost.
Na slici 10. su prikazani neki od najčešćih PV/T kolektora hlađenih zrakom, dok su na
slici 11. PV/T kolektori hlađeni vodom.
Prema [5] kolektori hlađeni vodom pokazali su bolje karakteristike od kolektora
hlađenih zrakom, odnosno njihova toplinska djelotvornost je u većini promatranih
slučajeva bila veća nego kod kolektora hlađenih zrakom. No ne može se tvrditi da je
uvijek bolje upotrijebiti kolektor hlađen vodom. Dosta toga ovisi o zemljopisnom
položaju i stvarnoj primjeni kolektora, koja se razlikuje od slučaja do slučaja.
Slika 10. PV/T kolektori hlađeni zrakom
13
Slika 11. PV/T kolektori hlađeni vodom
Na mjestima s niskom razinom sunčevog zračenja i vanjske temperature grijanje
prostora je potrebno gotovo tokom cijele godine te i PV/T kolektor sa zračnim
hlađenjem može biti koristan i isplativ. Dok je na mjestima s visokom razinom
sunčevog zračenja i vanjske temperature bolje koristiti PV/T kolektor s vodenim
hlađenjem, jer ga se može koristiti za grijanje i dogrijavanje vode u domaćinstvu ili
vode za centralno grijanje, kada je to potrebno.
U daljnjem tekstu će se razmatrati PV/T toplinski kolektor hlađen vodom čiji je
apsorber građen od lima i cijevi.
3.1.1. PV/T kolektor hlađen vodomProblemi poput niske fotonaponske djelotvornosti, arhitekturalne neujednačenosti i
prostorne ograničenosti na krovovima za instalaciju odvojenih fotonaponskih i
toplinskih sustava su bili glavni uzročnici pojave hibridnih PV/T sustava s vodenim
hlađenjem, odnosno s vodom kao medijem za odvođenje i skladištenje topline. Kada
bismo usporedili toplinsku i električnu energiju dobivenu na jednom krovu od dva
14
odvojena sustava jednakih površina s toplinskim i fotonaponskim kolektorima sa
toplinskom i električnom energijom dobivenom od jednog PV/T sustava na istom tom
krovu uspostavilo bi se da je energija koju smo dobili upotrebom PV/T sustava
zamjetno veća.
3.1.2. Izvedba radijatora s limom i okruglim cijevimaOvaj koncept radijatora je najlakši za izradu, a djelotvornost mu je slična kao i kod
drugih PV/T kolektora hlađenih vodom. Jedan takav kolektor prikazan je na slici 12.
na kojoj možemo vidjeti da je na pozadinu fotonaponskog modula pričvršćen lim s
cijevima kroz koje ide voda, a sve skupa je još dodatno izolirano da bi se što više
umanjili gubitci topline konvencijom.
Slika 12. PV/T kolektor s limom i okruglim cijevima
Uvećani presjek jednog takvog kolektora prikazan je na slici 13. gdje se jasno vidi
kako cijevi na metalnom limu naliježu izravno na fotonaponski modul te se sve izolira
s prednje strane staklenim pokrivačem, a sa zadnje strane izolacijom koji služe kako
bi se smanjili toplinski gubici.
15
Slika 13. Uvećani presjek PV/T kolektora s limom i cijevima
Ovakav PV/T kolektor se zapravo može promatrati kao kombinacija fotonaponskog
modula i sunčevog toplinskog kolektora, te se njegova djelotvornost može izračunati
kombinacijom njihovih djelotvornosti.
3.2. Toplinska i električna djelotvornost PV/T kolektoraZa izračun toplinske i električne djelotvornosti PV/T kolektora promatrat ćemo PV/T
kolektor hlađen vodom gdje je apsorber izrađen upotrebom cijevi i lima kao prema
slici 14.
16
Slika 14. Uvećani presjek radijatora s limom i cijevima: a) Radijator u PV/T kolektoru, b) Radijator van PV/T kolektora
Pošto PV/T kolektor u osnovi predstavlja spoj sunčanog toplinskog kolektora i
fotonaponskog modula, možemo ih promatrati odvojeno. Prvog kako bismo došli do
koeficijenta toplinske djelotvornosti, a drugog kako bismo došli do električne
djelotvornosti.
3.2.1. Toplinska djelotvornost sunčanog kolektoraKoeficijent toplinske djelotvornosti je odnos korisne topline koju odvodimo iz kolektora
u jedinici vremena i ukupne energije Sunčevog zračenja u jedinici vremena na
površinu kolektora (12).
ηt=Qu , k
AkG(12 )
Ukupnu korisnu toplinu koju odvodimo iz kolektora u jedinici vremena možemo
prikazati pomoću razlike temperature vode na izlazu i ulazu kolektora pomnoženom s
masenim protokom vode i toplinskom konstantom vode:
17
Qu , k=m cv (T iz−T ul )(13 )
Odnosno, možemo je prikazati kao razliku apsorbirane topline koja dolazi na površinu
kolektora i gubitaka topline kolektora koji su određeni razlikom srednje temperature
apsorbera kolektora i temperature okoline kolektora, pomnoženima sa koeficijentom
gubitaka kolektora:
Qu , k=Ak [S−U g , k (T sr−T ok ) ](14 )
Pošto je srednju temperaturu apsorbera teško izračunati ili izmjeriti, formulu (14) zapisujemo kao:
Qu , k=Ak Fo ,t [S−Ug , k (T iz−T ok ) ](15 )
gdje je Fo,t faktor odvođenja topline iz kolektora i dan je izrazom (16).
Fo ,t=m cv
A kU g , k
[1−eA kU g,k F
'
mc v ](16 )
F' je faktor efikasnosti kolektora i dan je izrazom:
F '=
1U g , k
W [ 1U g,k [Dv+(W−Dv ) F ]
+ 1K s
+ 1π Duhv ]
(17 )
gdje je:
- W - razmak među cijevima
- Dv - vanjski promjer cijevi
- Du - unutarnji promjer cijevi
- hv - koeficijent prijenosa topline za vodu
F je faktor efikasnosti lima dan izrazom:
18
F=tanh ( x )
x(18 )
gdje je x dan izrazom (19).
x=√U g, k
kδ (W−Dv
2 )(19 )
Varijabla k predstavlja toplinsku provodnost lima, a δ je debljina lima.
Odnos Dv i Du dan je izrazom:
Dv=Du+ t(20 )
gdje je t/2 debljina stjenke cijevi.
3.2.2. Električna djelotvornost fotonaponskog modulaElektrična djelotvornost fotonaponskog modula se računa kao umnožak struje i
napona u točci maksimalne snage u odnosu na Sunčevo zračenje koje pada na
površinu kolektora (21).
ηel=ImUm
A kG(21 )
Na električnu djelotvornost u realnim uvjetima djeluju i određeni gubici uzrokovani
grijanjem ćelija te je dana kao električna djelotvornost fotonaponskog modula u
standardnim uvjetima kad joj se oduzmu gubici prema formuli:
ηel=η0 [1−β (T−25 °C ) ](22 )
gdje je β temperaturni koeficijent sunčane ćelije.
U tablica 2., dani su opisi i mjerne jedinice svih skraćenih naziva koji su korišteni u
poglavlju 3.2.
19
Tablica 2. Skraćenice korištene u poglavlju 3.2.
Naziv Jedinica OpisAk m2 Površina kolektora
cv J/(kg*K) Specifična toplinska konstanta vode
Du m Unutarnji promjer cijevi
Dv m Vanjski promjer cijevi
F - Faktor efikasnosti lima
F' - Faktor efikasnosti kolektora
Fo,t - Faktor odvođenja topline iz kolektora
G W/m2 Ukupno sunčevo zračenje na površinu
hv W/(m2K) Koeficijent prijenosa topline za vodu
Im A Struja u točci maksimalne snage
k W/(mK) Toplinska kondukcija lima
Ks W/(m*K) Kondukcija spone između lima i cijevi
m kg/s Maseni protok u sekundi˙Qu , k J/s ili W Ukupna korisna toplina u jedinici vremena
S W/m2 Prikupljeno sunčevo zračenje
T K Temperatura fotonaponskog modula
Tok K Temperatura okoline
Tul K Temperatura vode na ulazu
Tiz K Temperatura vode na izlazu
Tsr K Srednja temperatura apsorbera
Ug,k W/m2K Koeficijent ukupnih gubitaka topline kolektora
Um V Napon u točci maksimalne snage
W M Razmak između cijevi
β - Temperaturni koeficijent učinkovitosti ćelija
δ m Debljina lima
ηel - Električna učinkovitost
η0 - Električna učinkovitost u standardnim uvjetima
ηt - Toplinska učinkovitost
20
3.3. Djelotvornost prekrivenih i neprekrivenih PV/T kolektora
Kao što smo već zaključili kod PV/T kolektora Sunčeva energija se pretvara u toplinu
na isti način kao i kod konvencionalnih sunčanih toplinskih kolektora. Stvarno
pretvaranje se odvija u apsorberu gdje se korisna toplina odvodi cijevima iz kolektora
prema spremniku topline. No prije nego što se toplina preda apsorberu dogode se
određeni gubitci topline. Gubici mogu nastati reflektiranim zračenjem ili konvekcijom
topline u okolinu kao što je prikazano na slici 15.
Slika 15. Gubici PV/T kolektora
Kod nekih PV/T kolektora dodaje se stakleni pokrivač kako bi se smanjili gubitci
topline konvekcijom u okolinu, no time se smanjuje i ukupna apsorbirana energija, jer
se dio Sunčevog zračenja reflektira od staklenog pokrivača. Sveukupno gledano,
pokazalo se da je toplinska djelotvornost kod PV/T kolektora sa staklenim pokrivačem
ipak veća nego kad ga nema. Stakleni pokrivač utječe i na električnu djelotvornost, i
to negativno. Električna djelotvornost se smanjuje jer na same ćelije dolazi manje
Sunčevog zračenja zbog reflektiranja od staklenog prekrivača, a isto tako
povećanjem temperature sunčanih ćelija one postaju manje efikasne.
21
Na slici 16. su prikazane tipične krivulje toplinske djelotvornosti za prekriveni i
neprekriveni PV/T kolektor.
Slika 16. Tipične krivulje toplinske djelotvornosti za prekriveni i neprekriveni PV/T kolektor
Kao što je uobičajeno u praksi, toplinska djelotvornost sunčanih PV/T kolektora je
prikazana u odnosu na razliku temperatura ulaznog fluida i okoline, podijeljenima s
iznosom direktnog Sunčevog zračenja na površinu kolektora.
Kao zaključak, odluku da koristimo prekriveni ili neprekriveni PV/T kolektor nije tako
lako donijeti. Trebamo odvagnuti što nam je bitnije, toplinska ili električna energija i je
li potrebno staklo kao neka vrsta zaštite kolektora.
22
4. Eksperimentalni model sustava s hibridnim naponsko-toplinskim sunčanim kolektorom
Princip rada eksperimentalnog modela prikazan je na slici 17. Osim PV/T kolektora
koji skuplja toplinsku i električnu energiju eksperimentalni model se sastoji od još dva
podsustava:
- sustav protoka i spremanja toplinske energije
- sustav toka i spremanja električne energije
Slika 17. PV/T sustav
Sustav protoka i spremanja toplinske energije sastoji se od cijevi, spremnika toplinske
energije i pumpe. Ukoliko je spremnik toplinske energije moguće postaviti iznad PV/T
kolektora utoliko se pumpa može izostaviti, jer će se zbog zagrijavanja vode u
apsorberu PV/T kolektora uspostaviti prirodna cirkulacija vode kroz sustav, ali ako se
pumpa izostavi onda neće biti moguće upravljati brzinom protoka, a time ni
toplinskom djelotvornošću sustava.
23
Sustav toka i spremanja električne energije ostvaren je istosmjernim pretvaračem i
akumulatorom. Istosmjerni pretvarač predaje akumulatoru električnu energiju, a na
akumulator je spojena pumpa koja je troši.
Eksperimentalni model hibridnog naponsko-toplinskog sunčanog sustava sastoji se
od sljedećih komponenti:
- PV/T kolektor
- akumulacijska baterija
- spremnik za vodu
- potopna crpka
- silazni istosmjerni pretvarač bez galvanskog odvajanja
PV/T kolektor je sastavljen od:
- fotonaponskog modula
- aluminijskog apsorbera
- cijevi za protok vode (radijatora)
- toplinske izolacije
Navedene komponente će biti dodatno objašnjene u sljedećim poglavljima.
24
4.1. Fotonaponski modulFotonaponski modul je serije SV60-225 tvrtke Solvis. Modul je od polikristalnog
silicija, a detaljne specifikacije modela kao i mehanički podaci dani su u tablici 3. Sam
izgled modula prikazan je na slici 18. Bitno je napomenuti da su podaci u tablici 3
dobiveni mjerenjem pod nominalnim ispitnim uvjetima (eng. Standard Test
Conditions, STC).
Slika 18. Fotonaponski modul serije SV60-225 tvrtke Solvis
25
Tablica 3. Detaljne specifikacije fotonaponskog modula
Model SV60-225
Vršna snaga Pm [W] 225
Dozvoljeno odstupanje snage [W] -0/+4,9
Struja kratkog spoja Iks [A] 8,22
Napon praznog hoda Uph [V] 36,6
Nazivna struja In [A] 7,69
Nazivni napon Un [V] 29,3
Dozvoljeno odstupanje napona i struje [%] ±10
Temperaturni koeficijentiNominalna radna temperatura ćelije (NOCT) [°C] 48,2±2
Temperaturni koeficijent snage PMPP [%/K] -0,41
Temperaturni koeficijent struje ISC [%/K] 0,05
Temperaturni koeficijent napona UDC [%/K] -0,29
Mehanički podaciDimenzije (VxŠxD) [mm] 1663 x 998 x 35
Masa [kg] 21,5
Broj i vrsta ćelije 60, p-Si, 156 x 156 mm
Enkapsulacija ćelije Etilen-vinil acetat (EVA)
Staklo 4 mm kaljeno sunčano staklo
Pozadina Višeslojna poliesterska folija
Okvir Okvir od anodiziranog aluminija sa dvostrukom stjenkom i
otvorima za drenažu
Priključna kutija Tyco SOLARLOK sa 3 zaštitne diode, IP65
Priključni kablovi Kabel 4 mm2, dužine 1000 mm, SOLARLOK priključnice
Radni uvjetiTemperaturno područje [°C] -40 do +85
Maksimalni napon sustava [V] 1000
Maksimalno opterećenje [Pa] Ispitano do 5400 Pa (opterećenje snijegom)
Otpornost na udar Tuča promjera 25 mm pri brzini 23 m/s
26
4.2. Aluminijski apsorberNa poleđinu fotonaponskog modula pričvršćen je aluminijski apsorber prikazan na
slici 19. Dimenzije apsorbera su 1588 x 918 x 3 mm, te je njegova uloga u sustavu da
što bolje prikupi dozračenu Sunčevu energiju na prednju plohu fotonaponskog
modula i prenese toplinu prema kolektoru. Aluminij je odabran zbog male mase,
dobre toplinske provodnosti te visoke otpornosti prema koroziji. Kako bi se ostvario
što bolji toplinski kontakt apsorbera i PV modula nanesen je tanki sloj termovodljive
paste između apsorberske ploče i stražnje strane modula.
Slika 19. Aluminijski apsorber eksperimentalnog PV/T kolektora
4.3. Cijevi za protok vode (radijator)Radijator je izrađen kao sustav cijevi kroz koji protječe rashladni medij, tj. voda.
Izgrađen je od aluminija zbog male mase, dobre toplinske provodnosti i visoke
otpornosti prema koroziji što je jako bitno jer se koristi voda kao rashladno sredstvo.
Na gornjem i donjem kraju nalaze se priključci za uspostavljanje zatvorenog
cirkulacijskog kruga, s napomenom da je priključak pumpe na donji kraj zbog
potiskivanja tople vode prema gore. Korišteni radijator prikazan je na slici 20., dok je
27
na slici 21. prikazano spajanje radijatora na aluminijski apsorber. U apsorberu su
izbušene rupe u kojima će se nalaziti temperaturni senzori.
Slika 20. Radijator eksperimentalnog PV/T kolektora
Slika 21. Spajanje radijatora na aluminijski apsorber
28
4.4. Toplinska izolacijaNakon što je radijator pričvršćen na apsorber i postavljen na PV modul postavlja se
toplinska izolacija na radijator da bi se smanjili toplinski gubici te da se stražnja strana
PV/T sustava dodatno ne zagrijava, što bi moglo utjecati na električnu djelotvornost.
Izolacija je napravljena od dva sloja. Prvi sloj debljine 3 mm sa zalijepljenom
aluminijskom folijom s vanjske stranu prikazan je na slici 22. Koristi se SOFLEX
refleksna folija za radijatore proizvođača Saarpor Kleckhardt GMBH. Drugi sloj
predstavlja polikarbonatna Lexan ploča. Takav polikarbonat otporan je na udarce, ima
izvrsnu optičku prozirnost i protupožarna svojstva, malu masu te otpornost na
habanje (trošenje). Uz navedena svojstva ima pojačanu UV zaštitu i dobar je toplinski
izolator zahvaljujući brojnim komorama mirnog zraka. Koriste se za ostakljivanje i
natkrivanje krovova i prozora industrijskih građevina, komercijalnih rasadnika i
staklenika, staklenih verandi, krovova bazena, zimskih vrtova, staklenika, sportskih
dvorana itd.
Slika 22. Toplinska izolacija eksperimentalnog PV/T kolektora
4.5. Spremnik za voduKao toplinski spremnik koristi se plastična bačva od 100 litara unutar aluminijskog
okvira, slika 23. Gornji dio čepa je izrezan i umjesto tog dijela stavljen je okrugli dio od
pleksiglasa u kojemu su izbušene rupe s navojima za cijevi tople i hladne vode. Na
cijev tople vode spaja se i priključak iz vodovoda. Na dnu spremnika nalazi se
29
priključak putem kojeg se ispušta voda nakon što je gotovo ispitivanje ili u slučaju
kada je potrebno uliti novu količinu hladne vode. Spremnik se nalazi u aluminijskom
okviru, a između spremnika i okvira nalazi se toplinska izolacija. Za toplinsku izolaciju
odabran je stiropor u granulama koji omogućuje lako popunjavanje prostora između
spremnika i okvira.
Slika 23. Toplinski spremnik
4.6. Istosmjerna crpkaZa prisilnu cirkulaciju vode hibridno naponsko-toplinskog sunčanog kolektora koristi
se Barwig potopna crpka oznake 0333 koja se preko akumulatorske baterije spaja na
izvor napajanja. Specifikacije crpke su navedene u tablici 4. Na slici 24. je prikazana
slika fizičkog izgleda crpke.
Slika 24. Barwig potopna crpka
30
Tablica 4. Specifikacije potopne crpke
MODEL Barwig potopna crpka 0333Nazivni napon 12 V
Potrošnja struje 1,5 – 2 A
Maksimalna usisna visina 1 m
Maksimalni kapacitet crpke 12 l/min
Vremensko ograničenje rada na Un 30 min
Maksimalna radna temperature 50 °C
Masa 140 g
Duljina kabela 1 m
Maksimalni tlak pražnjenja 0,6 bar
Visina 0,85 mm
Promjer 0,48 mm
4.7. Akumulatorska baterijaTehnički podaci za akumulatorsku bateriju su dani u tablici 5.
Tablica 5. Tehnički podaci za akumulatorsku bateriju
MODEL NP38-12Nazivni napon 12 V
Specifična gustoća energije 32 Wh/kg
Gustoća energije 83 Wh/l
Unutarnji otpor 7,5 mΩ
Maksimalna struja pražnjenja 300 A
Struja kratkog spoja 500 A
Dimenzije D x Š 197 mm x 165 mm
Masa 14,2 kg
31
4.8. Mehanička konstrukcijaPV/T kolektor je postavljen na dasku s kotačima. Osim PV/T kolektora na dasci s
kotačima se nalazi i dodatna polica koja je namijenjena za smještavanje pretvarača i
akumulatora. Na dasci, ispod police, nalazi se mjesto za spremnik tople vode. Skica
mehaničke konstrukcije prikazana je na slici 25.
Slika 25. Skica mehaničke konstrukcije
32
5. Upravljački sustav hibridnog naponsko-toplinskog sunčanog kolektora
Upravljački sustav služi za upravljanje pumpom i istosmjernim pretvaračem.
Upravljanje pumpom je ostvareno na način da se senzorima mjeri temperatura vode
na određenim dijelovima sustava te se pokušava postići što veća toplinska
djelotvornost sustava, kada je to potrebno. Upravljanje istosmjernim pretvaračem
ostvareno je korištenjem algoritma praćenja točke maksimalne snage, kojim se
pokušava u svakom trenutku u točci najveće snage predavati električnu energiju iz
PV/T kolektora u akumulator.
5.1. Silazni istosmjerni pretvaračSinkroni silazni pretvarač proizvodi regulirani napon koji je niži od ulaznog napona, a
može isporučiti visoke struje pri malim gubicima snage. Kao što je prikazano na slici
26., sinkroni silazni pretvarač sastoji se od dva MOSFET-a, izlaznog induktiviteta i
kondenzatora. Kod sinkronog pretvarača ciklus uklapanja/isklapanja dva MOSFET-a
je sinkroniziran kako bi se osigurao regulirani izlazni napon i spriječilo istodobno
uklapanje MOSFET-a (engl. shootthrough).
Slika 26. Sinkroni silazni pretvarač
MOSFET Q1 je spojen izravno na ulazni napon kruga. Kada je Q1 u vođenju, struja
njime teče trošilom. Za to vrijeme Q2 je isklopljen i povećava se struja induktiviteta
koja nadopunjava energijom C komponentu filtra i teče kroz trošilo. Kada se Q1
isklopi, Q2 je u vođenju i struja njime teče trošilom. Tijekom tog vremena, smanjuje se
struja induktiviteta.
33
Slika 27. prikazuje osnovne valne oblike sinkronog silaznog pretvarača u
neisprekidanom (kontinuiranom) načinu rada. Ukupna promjena struje induktiviteta od
vrha do vrha (engl. peak-to-peak) je struja ΔIL. Napon UQ2 je izglađen LC filtrom čime
se dobiva regulirani istosmjerni napon na izlazu. Faktor vođenja D je određen
vremenom vođenja tranzistora Q1 i definiran je izrazom (23).
D=tON ,Q1
tON ,Q 1+tOFF ,Q1=U IZ
UUL
(23 )
Ako je faktor vođenja D jednak 1, MOSFET Q1 je u vođenju 100 % vremena i izlazni
napon je jednak ulaznom naponu. Za faktor vođenja 0,5 MOSFET Q1 je isklopljen
50% vremena čime izlazni napon poprima 50 % ulaznog napona.
Slika 27. Valni oblici sinkronog silaznog pretvarača
Do isprekidanog načina rada dolazi kada se srednja vrijednost struje trošila smanjuje,
primjerice zbog smanjenja potrošnje nekog uređaja. Pri tome je valovitost struje
prigušnice nepromijenjena. Kada se srednja vrijednost struje trošila toliko smanji da
minimalna vrijednost struje prigušnice padne na nulu, dosegnut je isprekidani način
34
rada. Potrebno je odrediti minimalnu vrijednost induktiviteta L=Lmin koja za zadanu
srednju vrijednost struje trošila osigurava neisprekidani način rada. Koriste se izrazi
za minimalnu i maksimalnu vrijednost struje prigušnice (24), (25).
Imax=U IZ( 1R +1−D2 L f sk )
(24 )
Imin=U IZ( 1R−1−D2 L f sk )
(25 )
Na granici između neisprekidanog i isprekidanog načina rada je Imin = 0, te slijedi:
(Lf )min=(1−D )R2
(26 )
Za zadanu radnu frekvenciju pretvarača potrebna minimalna vrijednost induktiviteta
jednaka je:
Lmin=(1−D )R2 f sk
(27 )
Na slikama 28., 29., i 30. redom je prikazana struja trošila pri neisprekidanom načinu
rada, na granici između isprekidanog-neisprekidanog i u isprekidanom načinu rada
pretvarača.
35
Slika 28. Neisprekidani način rada
Slika 29. Granica između isprekidanog i neisprekidanog načina rada
Slika 30. Isprekidani način rada
5.2. Algoritam praćenja točke maksimalne snageStrujno-naponska karakteristika fotonaponskog sustava ovisi o promjenama
temperature panela, sunčevog zračenja i opterećenja. Algoritam za praćenje točke
maksimalne snage (engl. Maximum Power Point Tracking – MPPT) implementiran je
u učinskom pretvaraču kako bi osigurao maksimalnu izlaznu snagu iz sustava unatoč
navedenim promjenama ulaznih veličina.
36
Osnovni zadatak MPPT algoritama je traženje točke maksimalne snage na strujno-
naponskoj karakteristici fotonaponskog sustava i pozicioniranje radne točke sustava u
točku maksimalne snage, odnosno što bliže toj točki. Pri tome treba uzeti u obzir da
karakteristika, a time i položaj točke maksimalne snage ovisi o intenzitetu sunčevog
zračenja i temperaturi fotonaponskih panela. S porastom sunčevog zračenja cijela
karakteristika, a time i točka maksimalne snage, pomiče se prema gore. S porastom
temperature ćelija cijela karakteristika, a time i točka maksimalne snage, pomiče se
ulijevo.
Karakteristika fotonaponskog sustava prolazi kroz tri karakteristične točke u kojima su
definirani najvažniji parametri ćelije, slika 31.:
- struja kratkog spoja Iks
- napon otvorenog kruga Uok
- točka maksimalne snage Pm
Slika 31. Karakteristike fotonaponskog sustava
MPPT algoritam implementiran je u učinskom pretvaraču, točnije u istosmjernom
pretvaraču napona koji je sastavni dio pretvarača preko kojega se fotonaponski
sustav priključuje na elektroenergetsku mrežu ili na trošilo, ovisno o primjeni sustava.
Najčešće korišteni algoritmi su:
- pomakni i osmotri (engl. Perturb and Observe - P&O)
37
- inkrementalni algoritam (engl. Incremental Conductance - InCond)
- upravljanje neizrazitom logikom (engl. Fuzzy Logic Control - FLC)
U daljnjem tekstu MPPT algoritam P&O će biti detaljnije objašnjen.
MPPT algoritam „pomakni i osmotri“ ubraja se u tzv. hill-climbing algoritme, kao i
Inkrementalni algoritam. Naziv su dobili po tome što se kod njih radna točka
fotonaponskog sustava pomiče u smjeru porasta snage.
Ovaj algoritam u diskretnim koracima mijenja napon istosmjerne veze između
fotonaponskog sustava i pretvarača, pri čemu predznak promjene snage i predznak
promjene napona određuju sljedeći korak. Ako je predznak promjene snage pozitivan,
zadržava se isti predznak promjene napona, tj. ako je napon u prethodnom koraku
povećan, i u sljedećem koraku će biti povećan, i obrnuto. Ako je predznak promjene
snage negativan, odnosno ako se snaga u odnosu na prethodno stanje smanjila,
mijenja se predznak promjene napona. Drugim riječima, promjena napona zadržava
isti predznak sve dok vrijedi uvjet (28).
dPdU
>0
(28 )
Detaljni dijagram toka P&O algoritma prikazan je na slici 32.
Ovaj algoritam postiže vrlo visoku djelotvornost pri konstantnom sunčevom zračenju.
Dodatne prednosti su jednostavna implementacija i mala računalna snaga potrebna
za provedbu.
Postoje dva velika nedostatka. Ako se sunčevo zračenje brzo mijenja, algoritam može
izgubiti pravi smjer prema točki maksimalne snage. To je posebno izraženo ako se
sunčevo zračenje mijenja kontinuirano, a ne skokovito. U tom slučaju se i krivulja
mijenja kontinuirano pa je algoritmu nemoguće odrediti mijenja li se snaga uslijed
promjene napona ili uslijed promjene sunčeva zračenja. Ako se sunčevo zračenje
mijenja skokovito, promjena krivulje događa se gotovo trenutno i tada je algoritmu
lakše odrediti pravi smjer prema točki maksimalne snage.
38
Slika 32 Dijagram toka P&O algoritma
Drugi nedostatak je osciliranje oko točke maksimalne snage. Ovo se događa zbog
toga što je promjena napona diskretna uslijed čega napon i struja gotovo nikada ne
pogode točno točku maksimalne snage već osciliraju oko nje. Veličina oscilacija ovisi
o iznosu promjene napona jednog koraka. Što je veća promjena napona, veće su
oscilacije. Međutim, što je veća promjena, algoritam brže dođe u točku maksimalne
snage. Prema tome, potrebno je pronaći optimalan korak promjene napona jer
relativno mali korak uzrokuje sporo pronalaženje točke maksimalne snage što može
uzrokovati velike gubitke u proizvodnji energije pri bržim promjenama sunčeva
zračenja, ali u isto vrijeme smanjuje oscilacije oko točke maksimalne snage.
Relativno velik korak osigurava brže pronalaženje točke maksimalne snage, ali može
39
uzrokovati velike oscilacije oko točke maksimalne snage, što također dovodi do
gubitka u proizvodnji električne energije.
5.3. Projekt silaznog istosmjernog pretvaračaU sklopu diplomskog rada [9] korištenjem Matlab/Simulink i Plecs programskog
paketa simuliran je fotonaponski modul i sinkroni silazni pretvarač upravljan pomoću
P&O MPPT algoritma. Shema simulacijskog modela se sastoji od upravljačkog i
energetskog dijela, slika 33. Energetski dio je simuliran u Plecs-u i predstavlja
električki model fotonaponskog modula i sinkronog silaznog pretvarača spojenog na
trošilo, slika 34. Upravljački dio se sastoji od bloka ugrađene funkcije i predstavlja
P&O MPPT algoritam, opisan u prethodnom poglavlju.
Slika 33. Shema simulacijskog modela
40
Slika 34. Shema podsustava “FN panel + pretvarač”
Fotonaponski modul je simuliran strujnom jednadžbom prema izrazu (29) koji je
detaljno opisan u poglavlju 2.
I=I s−I 0(eq (U− I R s )
αkT −1)−(U+ I R s
R p )(29 )
Na Ir signal je spojen blok ''Signal builder'' koji predstavlja intezitet sunčevog
zračenja. Kondenzator C1 služi za suzbijanje algebarske petlje. Na osnovu signala
Upv i Ipv tj. vrijednosti izlaznog napona i struje fotonaponskog modula P&O MPPT
algoritam određuje potrebni fakor vođenja D u svakom koraku. Faktor vođenja D se
prosljeđuje ''Symmetrical PWM'' bloku koji generira impulse frekvencijom od 50 kHz.
Blokom ''Subsystem'' se generiraju dva impulsa u protutaktu za sklapanje FET1 i
FET2 tranzistora. Fotonaponski modul je spojen na ulaz pretvarača preko
kondenzatora Cul. Na izlazu pretvarača je spojen otpor ili naponski izvor od 12 V koji
predstavlja bateriju. Mjerenje sadrži pet stavki:
- struju i napon na izlazu fotonaponskog modula
- struju i napon na izlazu pretvarača
41
- struju i napon induktiviteta pretvarača
- snagu na izlazu FN modula i pretvarača
- faktor vođenja D
Za potrebe simulacije, parametri fotonaponskog modula kao i parametri pretvarača su
određeni koristeći stvarne kataloške vrijednosti. Vrijednost inteziteta sunčevog
zračenja je odabrana proizvoljno dok je baterija modelirana kao fiksni naponski izvor.
Parametri su prikazani tablicom 6.
Tablica 6. Parametri simulacijskog modela
BLOK PARAMETAR VRIJEDNOST MJERNA JEDINICAFotonaponski modul Pm 225 -0/+4.9 W
Iks 8,22 ± 0,822 AUph 36,6 ± 3,66 VIn 7,69 ± 0,769 AUn 29,3 ± 2,93 VRs 0,3 ΩRp 300 ΩC1 1e-12 FI0 1,4e-8 AT 298 Km 1,2 -
Cul Cul 270e-6 FESR (R1) 0,063 Ω
Pretvarač FET 1 Ron 0,0017 Ω
FET 2 Ron 0,0017 Ω
L1 L1 22e-6 HESR (R2) 0,00335 Ω
Ciz Ciz 470e-6 FESR (R3) 0,01 Ω
Ciz1 Ciz1 470e-6 FESR (R4) 0,0017 Ω
42
PWM fsk 50e3 Hz
P&O MPPT ΔD 0,00001 -Dmin 0,1 -Dmax 0,9 -
Baterija U_bat 12 V
Sama simulacija je rađena za četiri slučaja:
- za mali otpor trošila od 0,1 Ω
- za srednji otpor trošila od 2 Ω
- za veći otpor trošila od 50 Ω
- sa spojenim naponskim izvorom od 12 V koji predstavlja bateriju
Pri simulaciji rada pretvarača poštovala su se dva uvjeta. Prvi uvjet određuje
maksimalnu vrijednost otpora za koju pretvarač ulazi u isprekidani način rada. Prema
izrazu (27) uređenjem jednadžbe za vrijednost induktiviteta zavojnice L1 i frekvencije
sklapanja fsk iz tablice 6 dobije se izraz (30).
Riz<2.21−D
(30 )
S obzirom da je vrijednost faktora vođenja D ograničena na maksimalnu vrijednost od
0,9, pretvarač će ući u isprekidani način rada za otpore veće od 22 Ω.
Drugi uvjet određuje opseg vrijednosti otpora trošila za koju fotonaponski modul može
raditi u točki maksimalne snage. Uređenjem strujnih i naponskih transformatorskih
jednadžbi silaznog pretvarača dobije se vrijednost otpora trošila za točnu vrijednost
faktora vođenja D, izraz (31).
Rt=RmD2
(31 )
Gdje Rm predstavlja optimalni iznos otpora fotonaponskog modula i dan je izrazom
(32).
43
Rm=U m
Im(32 )
Prema kataloškim podacima za nazivne vrijednosti Rm iznosi 3,81 Ω. Za opseg
faktora vođenja [0,1 0,9], opseg otpora trošila iznosi [0,0381 3,086] Ω.
U prvoj simulaciji, za mali otpor trošila od 0,1 Ω, prekidač radi u neisprekidanom
načinu rada, ali zbog male vrijednosti otpora teče velika izlazna struja što dovodi do
povećanih gubitaka snage pretvarača.
Druga simulacija je urađena za otpor trošila od 2 Ω. Pretvarač ostaje u
neisprekidanom načinu rada. Fotonaponski modul radi u točki maksimalne snage,
kao i u prethodnom slučaju. Vrijednost faktora vođenja je puno veća nego u
prethodnom slučaju. Prema izrazu (31) za optimalni iznos otpora fotonaponskog
modula pri maksimalnom intezitetu zračenja faktor vođenja iznosi 0,724. Zbog veće
vrijednosti otpora manja je struja na izlazu pretvarača te su gubici snage jako mali.
Kod treće simulacije, za otpor trošila od 50 Ω, pretvarač radi u isprekidanom načinu
rada. Zbog vrijednosti trošila koja je izvan opsega [0,0381 3,086] Ω, fotonaponski
modul više ne radi u točki maksimalne snage i iznosi samo 22 W. Faktor vođenja je
konstantan i iznosi 0,9 radi ograničenja na toj vrijednosti. Snage fotonaponskog
modula i pretvarača su gotovo jednake te isprekidani način rada ne uzrokuje dodatni
pad snage u odnosu na fotonaponski modul.
Zadnja simulacija je urađena sa naponskim izvorom kao trošilom koji predstavlja
bateriju. Pretvarač radi u neisprekidanom načinu rada. Zbog konstantnog izlaznog
napona pretvarača struja prati promjenu snage. Fotonaponski modul se nalazi u točki
maksimalne snage. Faktor vođenja je gotovo konstantan i za 12 V izlaznog napona
pretvarača i napona fotonaponskog modula u točki maksimalne snage od ≈29 V
iznosi ≈0,41. Pretvarač također postiže visoku učinkovitost.
Simulacija gubitaka sinkronog silaznog pretvarača tj. proračun gubitaka je urađen
pomoću programskog alata LTSpice. Na slici 35. je prikazan simulacijski model.
44
Slika 35 Simulacijski model sinkronog silaznog pretvarača u LTSpice-u
Proračun gubitaka je simuliran za pretvarač sa konstantnim izlaznim naponom od 12
V i otporom trošila 0,64 Ω. Prema tome izlazna struja iznosi ≈18 A, pri čemu se dobije
snaga od ≈220W. To je vrijednost snage koju fotonaponski panel daje pri
maksimalnom ozračenju i radi u točki maksimalne snage. Gubitcima pretvarača
gotovo u potpunosti doprinose gubitci sklapanja i vođenja MOSFET-a i gubitci
zavojnice. MOSFET-i su upravljani generatorima impulsa koji rade u protutaktu. Za
izlazni napon od 12 V faktor vođenja D treba iznositi 0,41. S obzirom da MOSFET U1
vodi D·T vremena, a MOSFET U2 (1-D)·T vremena, pri čemu T iznosi 20 μs, dobiju
se vremena vođenja pojedinog MOSFET-a. LTSpice ima mogućnost proračunavanja
srednje vrijednosti dobivenog signala, te su srednje vrijednosti gubitaka snage
prikazani tablicom 7.
Tablica 7. Srednje vrijednosti gubitaka snage za MOSFET U1, MOSFET U2 i zavojnicu
ELEMENT GUBITCI [mW]MOSFET U1 922,01
MOSFET U2 1406,2
ZAVOJNICA 1183,3
5.3.1. Dimenzioniranje silaznog pretvaračaOdabran je silazni pretvarač koji napon fotonaponskog panela spušta sa 29 V na 12
V koliko je na bateriji. Za odabir i proračun vrijednost komponenti pretvarača potrebna
su četiri parametra:
45
- vrijednost ulaznog napona
- potrebni izlazni napon
- maksimalna izlazna struja
- frekvencija sklapanja pretvarača
Ulazni napon odgovara naponu fotonaponskog panela pri radu u točki maksimalne
snage i iznosi 29 V. Izlazni napon odgovara naponu baterije od 12 V. Maksimalna
izlazna struja se određuje za maksimalnu snagu fotonaponskog panela i izlaznog
napona pretvarača (33). Za maksimalnu snagu fotonaponskog modela se uzima
nešto niža vrijednost zbog gubitaka pretvarača.
Imaks=Pmaks
U iz=220W12V
=18,33 A
(33 )
Frekvencija sklapanja određuje vrijednosti kapaciteta kondenzatora i induktiviteta
zavojnice. Što je frekvencija veća manje su vrijednosti kondenzatora i zavojnice, i
obrnuto. Povećavanjem frekvencije rastu gubici sklapanja pa je potrebno odabrati
optimalnu vrijednost. Odabrana frekvencija iznosi 50 kHz.
Izračun vrijednosti induktiviteta je najkritičniji u projektiranju silaznog pretvarača. Za
ovaj proračun se pretpostavlja da pretvarač radi u neisprekidanom načinu rada. Za
sljedeće jednadžbe se pretpostavlja idealna sklopka tj. tranzistor:
L=(UULmaks−U IZ )Df sk Lind I IZmaks
(34 )
gdje je D faktor vođenja, fsk frekvencija sklapanja, a Lind omjer valovitosti struje
induktiviteta i izlazne struje. Za Lind se obično uzima vrijednost između 0,3 i 0,4.
Povećavajući vrijednost Lind-a dopušta se veća valovitost struje induktiviteta a time i
brži odziv prijelaznog opterećenja.
Vršna vrijednost struje kroz induktivitet određuje potrebnu struju zasićenja koja diktira
okvirnu veličinu induktiviteta. Zasićenje jezgre induktiviteta smanjuje učinkovitost
46
pretvarača i povećava temperaturu induktiviteta i MOSFET-a. Vršna struja
induktiviteta računa se prema sljedećem izrazu:
I peak=I IZmaks+∆ I ind2
(35 )
gdje je:
∆ I ind=Lind I IZmaks(36 )
Za odabir induktiviteta uzima se 20 % veća vrijednost struje zasićenja za pokrivanje
tolerancija i razlike između stvarne i izračunate vrijednosti.
Induktiviteti imaju vlastiti serijski otpor (engl. DCR) i za implementaciju u pretvaračima
treba odabrati što manju vrijednost zbog smanjenja gubitaka.
Iz jednadžbi (34), (35) i (36) za Lind = 0,4 dobije se induktivitet L iznosa 20 H i struja
zasićenja Ipeak 22A. U skladu s tim vrijednostima odabire se zavojnica sa kataloškim
vrijednostima od 22 H i 26 A.
Valovitost ulazne struje i vrijednost ulaznog napona određuje vrijednost i fizičku
veličinu ulaznog kondenzatora . Sljedeći izraz računa vrijednost valovitosti ulazne
struje (engl. ripple current) koju ulazni kondenzator mora izdržati:
ICul=I IZmaks√U IZ (UUL−U IZ )
UUL
(37 )
Dobiva se vrijednost od 9,03 A. Prema kataloškim vrijednostima odabire se
kondenzator kapaciteta 470 F, ESR-a od 50 mΩ i maksimalnog napona od 50 V.
Navedeni kondenzator može izdržati 1,832 A vrijednosti ulazne valovitosti struje i
prema tome potrebno je odabrati minimalno 5 takvih kondenzatora spojenih u
paralelu, a radi povećanja tolerancije odabrano je 6 kondenzatora.
Izlazni kondenzator je potreban za smanjenje nadvišenja napona i valovitosti izlaznog
napona pretvarača. Visoka naponska nadvišenja i valovitost izlaznog napona
47
uzrokovanu su nedovoljnim kapacitetom kondenzatora i visokim ekvivalentnim
serijskim otporom (engl. ESR). Naponsko nadvišenje se javlja iznenadnim
uklanjenjem opterećenja sa izlaza pretvarača čime uskladištena energija induktiviteta
uzrukuje povećanje izlaznog napona iznad maksimalne regulirane vrijednosti.
Naponsko nadvišenje se računa prema sljedećem izrazu:
∆U=(√U IZ2L(I IZmaks ∆ I ind
2 )2
C0)−U IZ
(38 )
Kapacitet se računa prema sljedećem izrazu:
C0=L(I IZmaks+ ∆I ind
2 )2
(∆U+U IZ )2−U IZ2
(39 )
Na izračunatu vrijednost se dodaje 20 % vrijednosti. Pri odabiru kondenzatora bitan je
i ekvivalentni serijski otpor ESR. Potrebno je odabrati kondenzator sa što manjom
vrijednosti ESR-a zbog smanjenja gubitaka. Prema izrazu (39) dobije se vrijednost
kapaciteta izlaznog kondenzatora Ciz = 720 F. Prema kataloškim vrijednostima
također se odabiru dva kondenzatora kapaciteta 470 F, ESR-a od 50 mΩ i
maksimalnog napona od 50 V. Struja vođenja MOSFET-a mora biti 20 % veda od
maksimalne izlazne struje, i potrebno je odabrati što manji otpor vođenja Rds(on).
Također, napon MOSFET-a mora biti najmanje 20 % veći od procijenjenog napona
pretvarača. Prema kataloškim vrijednostima odabiru se dva MOSFET-a maksimalnog
napona (Uds) 40 V, maksimalne struje (Id) 100 A i otpora vođenja 2 mΩ.
5.3.2. Projektiranje pretvarača u programu EagleSinkroni silazni pretvarač je projektiran pomoću programa za izradu tiskanih pločica
Eagle, slika 36. Konektori fotonaponskog panela, baterije i LOAD-a (za spajanje
48
ostalih trošila), analognih ulaza i izlaza te LCD-a su tipa Phoenix-508 tlocrta (engl.
package).
Slika 36. Pretvarač projektiran pomoću programa za izradu tiskanih pločica Eagle
Kao zaštita na ulazu pretvarača se koristi osigurač F2 nazivne trajne struje 10A i TVS
(engl. Transient Voltage Suppression) dioda D5, serije 1.5KE koja služi za zaštitu od
prijelaznih naponskih pojava, slika 37.
49
Slika 37. Zaštita na ulazu pretvarača
Za mjerenje ulaznog i izlaznog napona pretvarača koristi se otporno dijelilo (R5-R6 i
R14-R17) redom sa otporima od 150 kΩ i 22 kΩ te 47 kΩ i 22 kΩ. Za stabilniji napon
dodaju se paralelno kondenzatori od 100 nF, slika 38.
Slika 38. Otporna dijelila za mjerenje a) ulaznog napona pretvarača i b) izlaznog napona pretvarača
Ulazna struja fotonaponskog panela i izlazna struja baterije se mjere pomoću dva
linearna strujna senzora ACS713ELCTR koji mogu mjeriti struju u jednom smjeru do
20A, a u drugom do 1A, slika 39.
50
Slika 39. Linearni strujni senzori tipa ACS713ELCTR za mjerenje a) ulazne struje fotonaponskog panela i b) izlazne struje baterije
Ulazni kondenzatori C9, C10, C11, C12, C13 i C14 te izlazni kondenzatori C16 i C17
su elektrolitski kondenzatori tvrtke PANASONIC kapaciteta 470 μF. Zavojnica L1
iznosi 22 μH. Sklapanje pretvarača se vrši pomoću dva MOSFET-a Q1 i Q2 tvrtke
INFINEON modela IPD100N04S4-02, slika 40.
Slika 40. Ulazni kondenzatori, MOSFET-i za sklapanje pretvarača i izlazni LC filtar
MOSFET Q3 je dodan za sprječavanje povratne struje iz baterije u fotonaponski
panel tijekom noći. MOSFET Q3 se upravlja VOM1271 čipom. Ovaj čip se zasniva na
fotonaponskom efektu i ne zahtijeva dodatno napajanje te se upravlja pomoću DO6
signala, slika 41.
51
Slika 41. MOSFET Q3 upravljan VOM1271 čipom
MOSFET-i pretvarača se upravljaju pomoću IR2184PBF čipa. Čip zahtjeva vlastito
napajanje i izravno je spojen na 12 V granu. IR2184PBF driver na ulazu prima signale
DO5 i DO6 koji šalju vrijednost PWM-a za pojedini MOSFET, slika 42.
Slika 42. IR2184PBF čip za upravljanje MOSFET-ima pretvarača
Ostala trošila spojena na konektor LOAD mogu se pokrenuti pomoću MOSFET-a Q4,
model BUK962R1, koji se upravlja sa signalom DO7, slika 43. U našem slučaju trošilo
predstavlja istosmjerna pumpa. Pumpa se pokreće pomoću MOSFET-a Q4, koji se
upravlja sa signalom DO7. Kod isključivanja pumpe je potrebno omogućiti
52
''pražnjenje'' pumpe, jer pumpa predstavlja induktivno trošilo te je između stezaljki
spojena Schottky-jeva dioda D1.
Slika 43. MOSFET Q4
Analogni ulazi imaju napajanje (5 V ili 12 V), otporno dijelilo, kondenzator za
stabilizaciju napona te zenerovu diodu za zaštitu, slika 44.
Slika 44. Analogni ulazi
Digitalni izlazi se upravljaju pomoću IC9 L293D čipa, a napaja se pomoću 5 V i 12 V.
U blizini čipa se postavljaju kondenzatori prema zemlji za stabilizaciju napona, slika
45.
53
Slika 45. Digitalni izlazi
ATMEGA2560 mikroprocesor, analogni i digitalni ulazi, LCD, te IC9 zahtijevaju
napajanje od 5V pa je potreban i regulator napona PTN78000W koji spušta napon sa
12 V na 5 V, slika 46.
Slika 46 Regulator napona PTN78000W
Cijela shema mikroprocesora ATMEGA2560 prikazana je na slici 47.
54
Slika 47. Shema mikroprocesora ATMEGA2560
Konektor za USB je preko mikroprocesora FT232RL spojen na ATMEGA2560
mikroprocesor, slika 48.
Slika 48. Mikroprocesor FT232RL
55
Uz mikroprocesor je spojen i kristalni oscilator Y1 koji služi za zadavanje takta, slika
49.
Slika 49. Kristalni oscilator Y1
Za početno programiranje mikroprocesora koristi se ICSP konektor (SV2), slika 50.
Slika 50. ICSP konektor
Na posljetku dodan je i konektor za povezivanje GSM modula SIM800LEVB, slika
51.
Slika 51. Konektor za povezivanje GSM modula SIM800LEVB
U tablici 8. se nalazi popis kataloških vrijednosti svih komponenti korištenih za
projektiranje štampane pločice.
56
Tablica 8. Popis komponenti korištenih pri projektiranju štampane pločice
KOMPONENTA NAZIV VRIJEDNOST KOD PROIZVOĐAČAX1 pin konektor - 1757268
X2 USB - 61729-0010BLF
X3 pin konektor - 1757284
X4 pin konektor - 1757307
SV2 pin konektor - 10-89-7102
SV3 SIM konektor - 215297-7
BATTERY, COMP, X5 pin konektor - MSTBV 2,5/2-GF-5.08
U1, U3 strujni senzor - ACS713ELCTR-20A-T
U2 MOSFET driver - IR2184PBF
U4 regulator napona - PTN78000WAH
IC3 mikroprocesor - ATMEGA2560-16AU
IC4 mikroprocesor - FT232RL-REEL
D1 schottky dioda - VBT6045CBP-E3/4W
D3 dioda - CD1206-S01575
D4 dioda - DA22F2100L
D5 TVS dioda - 1.5KE36CA-E3/54
ZD1, ZD2, ZD3, ZD4 Zener dioda 5,1 V BZV55-B5V1
Q1, Q2, Q3 MOSFET - IPD100N04S4-02
Q4 MOSFET - BUK962R1-40E
Y1 oscilator - CSTCE16M0V53-R0
LED1, LED2, LED3 LED dioda - KP-2012SURCK
R1 otpornik 1 MΩ MCWR08X1004FTL
R2, R8 otpornik 2,2 kΩ CRCW08052K20FKEA
R3 otpornik 0 Ω MC0805S8F0000T5E
R4, R7 otpornik 1 Ω MC01W080511R0
R5 otpornik 150 kΩ CRCW0603150KFKEA
R14 otpornik 47 kΩ CRCW040247K0KFED
R6, R17 otpornik 22 kΩ CRCW080522K0FKEA
R9, R10 otpornik 200 Ω MCWR08X2000FTL
R11 otpornik 21 kΩ CRCW080521K0FKEA
R15 otpornik 10 kΩ MCWR12X1002FTL
R20 otpornik 4,7 kΩ MCWR12X4701FTL
R21 otpornik 22 Ω MCWR12X22R0FTL
R25 otpornik 10 kΩ MCWR08X1002FTL
R26, R27, R36 otpornik 470 Ω CRGH0805J470R
R28, R29, R30, R31, R32, R33, R34, R35 otpornik 4,7 kΩ CRGH0805J4K7
C1 kondenzator 22 pF 0805N220J500CT
C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C18, C22, C23,
C25, C26, C27, C28, C30, C31, C32, C33
kondenzator 100 nF C1206C104K5RACTU
C9, C10, C11, C12, C13, C14, C16, C17 kondenzator 470 F EEUFC1H471()
57
C21, C24 kondenzator 10 nF 1206B103K500CT
L1 zavojnica 22 H HA55L-3623220LF*
F2 osigurač 10 A 6,96E+11
Nakon električne sheme, prelazi se na projektiranje tiskane pločice. Pločica je
dvoslojna, što znači da je jedna naponska razina na prednjoj strani (engl. top layer) a
druga na stražnjoj strani (engl. bottom layer). Vodovi ili površine (engl. polygon) na
prednjoj strani su označene crvenom bojom, a na stražnjoj plavom. Isto tako
štampana pločica je podijeljena u dva dijela. Gornji dio pločice predstavlja energetski
dio gdje je projektiran silazni sinkroni pretvarač sa konektorima za ulaz i izlaze te
zaštitu. Energetskim dijelom štampane pločice teku veće struje i time se vodiči (žice)
projektiraju kao površine. Potrebno je projektirati što veću površinu zbog smanjenja
zagrijavanja i gubitaka. Donji dio štampane pločice predstavlja upravljački dio s
ATMEGA2560 mikroprocesorom, USB konektorom, analognim i digitalnim ulazima i
izlazima te dodatnim čipovima. Ovdje teku male struje i žice se projektiraju kao tanki
vodovi. Na slikama 52., 53. i 54. su redom prikazane shema cjelovite tiskane pločice,
shema tiskane pločice sa komponentama na prednjoj strani te shema tiskane pločice
sa zrcaljenim komponentama na stražnjoj strani.
58
Slika 52. Shema cjelovite tiskane pločice u Eaglu
Slika 53. Shema tiskane pločice sa komponentama na prednjoj strani
59
Slika 54. Shema tiskane pločice s zrcaljenim komponentama na stražnjoj strani
5.4. Projekt upravljačkih funkcija prema sustavu protokaNa slici 33. prikazan je predloženi algoritam za upravljanje crpkom, koja se napaja iz
akumulatorske baterije, uz zahtjev da se temperatura vode u spremniku drži
konstantnom pri iznosu od 40 °C.
60
Slika 55. Dijagram upravljana crpkom
U dijagramu se vidi da su uvjeti pri kojima crpka počinje raditi:
- 𝑇𝑃𝑉𝑚𝑎𝑥 < 𝑇𝑚𝑎𝑥 odnosno da temperatura rashladnog fluida ne smije biti veća
od maksimalne radne temperature crpke koju definira proizvođač
- 𝑃𝑃𝑉 > 𝑃𝑃𝑉𝑚𝑖𝑛 , je uvjet koji definira najmanju snagu proizvedenu iz
fotonaponskog modula da bi crpka proradila. Naravno, postoji mogućnost da u
akumulatorskoj bateriji ima dovoljno energije za pokretanje crpke, ali uvjet je
postavljen radi ukupne djelotvornosti sustava
- 𝑇𝑃𝑉𝑤 > 𝑇𝑆 , uvjet koji definira da temperatura vode u sustavu rashladnog
fluida mora biti veća od temperature u spremniku
61
- 𝑇𝑆 < 38°𝐶, uvjet koji je postavljen radi održanja konstantne temperature oko
40°C
Ako su zadovoljeni svi uvjeti, crpka se pokreće, te se u međuvremenu ponovno
provjeravaju svi navedeni uvjeti izuzev što se, dok crpka radi, provjerava dodatni uvjet
kojim se provjerava da li je temperatura vode dosegla željenu temperaturu, tj. 40°C
(𝑇𝑆 ≥ 40°𝐶). U slučaju da temperatura vode prijeđe željenu temperaturu, crpka se
gasi te ponovno počinje sa provjerom uvjeta za paljenje crpke.
5.5. Simulacija sustava za upravljanje protokom koristeći programski alat Matlab/Simulink
Blokovska shema sustava za upravljanje protokom izađena koristeći Matlab/Simulink
je dana na slici 56. Za izradu sheme korištene su sljedeće jednadžbe, pomoću kojih
se lako da opisati prijelaz topline unutar sustava.
E=mc T(40 )
E=Hu−H i
(41 )
H=αA∆T(42 )
m=φV(43 )
Gdje je E promjena energije nekog toplinskog spremnika, m masa toplinskog
spremnika i T promjena temperature toplinskog spremnika. H u predstavlja sve ulazne
toplinske tokove dok H i predstavlja sve izlazne toplinske tokove. α predstavlja
koeficijent prijenosa topline između dva materijala dok A predstavlja dodirnu površinu
ta dva materijala, a ∆T predstavlja razliku u temperaturi između ta dva materijala. φ
predstavlja gustoću materijala, a V volumen.
62
Slika 56. Blokovska shema sustava za upravljanje protokom
63
Podaci korišteni u simulaciji prikazani su u tablici 9.
Tablica 9. Podaci korišteni u simulaciji
NAZIV MJERNA JEDINICA
POČETNI IZNOS
OPIS
G W/m2 200 Ozračenost površine
Tpv K 300 Temperatura fotonaponskog panela
Tvpv K 300 Temperatura vode u radijatoru
Qb m3/s 0 Protok vode u bojleru
Tvb K 305 Temperatura vode u bojleru
Tvpump K 305 Temperatura vode u pumpi
Qc m3/s 0 Protok vode u cijevima
Tap K 300 Temperatura aluminijskog radijatora
Tvizmj K 305 Temperatura vode u izmjenjivaču
NAZIV KONSTANTE
MJERNA JEDINICA
IZNOS OPIS
Apv m2 1,6 Površina fotonaponskog panela
apv - 0,9 Koeficijent apsorpcije zračenja panela
ηt - 0,5 Toplinska korisnost panela
ηel - 0,16 Električna korisnost panela
Tz K 303 Temperatura zraka koji hladi panel
Tvvod K 291 Temperatura vode vodovoda
KPV,Z - 18 Konstanta prelaza topline s panela na zrak
ρv kg/m3 1000 Gustoća vode
cv J/kgK 4190 Specifični toplinski kapacitet vode
mpv kg 18,7 Masa panela
Aap m2 1,55 Površina apsorbera
αpv,ap W/m2K 100 Koeficijent prijenosa topline s panela na apsorber
map kg 15 Masa apsorbera
cap J/kgK 920 Specifični toplinski kapacitet apsorbera
αap,v W/m2K 400 Koeficijent prijenosa topline s apsorbera na vodu
Aap,v m2 3,1 Dodirna površina između apsorbera i vode
Vvpv m3 0,017 Volumen vode u radijatoru
Vb m3 0,05 Volumen bojlera (spremnika vode)
Vizm m3 0,005 Volumen izmjenjivača u bojleru
Aizm,b m2 0,3 Dodirna površina između izmjenjivača i bojlera
64
αizm,b W/m2K 300 Koeficijent prijenosa topline s izmjenjivača na bojlera
Blok Upravljanje protokom opisan je funkcijom u Matlab-u, te je ona prikazana na slici
57. Detaljan rad funkcije opisan je u prethodnom poglavlju 5.4.
Slika 57. Matlab funkcija bloka Upravljanje protokom
Na slici 58. prikazano je sunčevo zračenje na površinu fotonaponskog modula. Ovo
zračenje predstavlja zračenje u jednom vedrom danu s maksimalnim zračenjem od
1000 W/m2 u razdoblju od 6 do 18 sati.
Slika 58. Sunčevo zračenje na površinu fotonaponskog modula
Na slici 59. prikazan je odnos temperatura bojlera, pumpe, vode u radijatoru i
fotonaponskog modula kada nema potrošnje vode iz bojlera, odnosno kada se iz
bojlera ne odvodi toplina. Vidimo da se temperatura fotonaponskog modula ne
približava gornjoj granici od 358 K koja je definirana od strane proizvođača, što znači
da sustav uspijeva dovoljno ohladiti fotonaponski modul. Vidimo da pumpa dovodi
65
temperaturu u bojleru u stacionarno stanje oko 11,5 sati, što znači da imamo
spremnu toplu vodu za ostatak dana.
Slika 59. Odnos temperatura bojlera, pumpe, vode u radijatoru i fotonaponskog modula bez potrošnje vode
Na slici 60. prikazan je protok vode u cijevima kojeg uzrokuje istosmjerna crpka.
Slika 60. Protok vode u cijevima
Na slici 61. je prikazan protok vode u bojleru koji se uvodi za daljnju simulaciju. Oko
13 sati je trošena voda protokom 0,0003 m3/s u trajanju od 50 s, oko 14 sati protokom
0,0005 m3/s u trajanju od 100 s te oko 16,5 sati protokom 0,0005 m3/s u trajanju od
100 s.
66
Slika 61. Protok vode u bojleru
Na slici 62. prikazan je odnos temperatura bojlera, pumpe, vode u radijatoru i
fotonaponskog modula uz potrošnju vode prema slici 61. Vidimo da u prva dva
slučaja crpkom uspijevamo nadomjestiti izgubljenu toplinu u bojleru dok je u trećem
zračenje ipak nedovoljno jako.
Slika 62. Odnos temperatura bojlera, pumpe, vode u radijatoru i fotonaponskog modula s potrošnjom vode
Na slici 63. prikazan je protok vode u cijevima za slučaj s potrošnjom vode, dok je na slici 64. prikazana snaga fotonaponskog modula.
67
Slika 63. Protok vode u cijevima za slučaj s potrošnjom vode
Slika 64. Snaga fotonaponskog modula
Na slici 65. prikazana je temperatura vode u pumpi. Vidimo, uspoređujući ovu sliku sa slikom 63., da se pumpa zaista gasi na temperaturi od 323 K, koja je propisana od strane proizvođača kao maksimalna.
Slika 65. Temperatura vode u pumpi
68
6. ZaključakHibridni naponsko-toplinski sunčani kolektori sa sustavom odvođenja topline vodom
pokazali su se kao izvrsno rješenje za problem smanjivanja električne djelotvornosti
fotonaponskog modula uslijed porasta temperature modula, uzrokovane snažnim
sunčevim zračenjem sredinom dana. Za razliku od samih fotonaponskih modula, koji
nemaju sustav odvođenja topline te uslijed snažnog sunčevog zračenja imaju osjetno
manju električnu djelotvornost, hibridni naponsko-toplinski sunčani kolektori sa
sustavom odvođenja topline vodom uspijevaju smanjiti temperaturu fotonaponskog
modula odvođenjem topline iz modula u spremnik toplinske energije.
Hibridni naponsko-toplinski sunčani kolektori sa sustavom odvođenja topline vodom
pokazali su se odličnima u slučaju kada je sunčevo zračenje jako snažno te kada je
temperatura zraka izrazito visoka. U tim uvjetima oni se koriste za grijanje potrošne
vode u kućanstvu te paralelno kao izvor električne energije. Kada ih se uspoređuje sa
naponsko toplinskim sunčanim kolektorima sa sustavom odvođenja topline zrakom
vidi se da imaju osjetno veći koeficijent toplinske djelotvornosti.
Eksperimentalni model hibridnog naponsko-toplinskog sustava s vodom kao
rashladnim sredstvom razvijen na Fakultetu elektrotehnike i računarstva u Zagrebu,
kojim se ispituju električna i toplinska djelotvornost PV/T sustava uz kontroliranje
temperature vode u spremniku pokazao je jako dobro održavanje električne
djelotvornosti i pri snažnom sunčevom zračenju.
Izabrani algoritam upravljanja točkom maksimalne snage i sustav upravljanja
protokom vode u eksperimentalnom modelu pokazali su se kao izrazito efikasni
sustavi.
Simulacijom sustava upravljanja protokom vode pokazalo se na koji način odgovoriti
različitoj potrošnji vode u kućanstvima i kako donijeti odluke koliki broj kolektora
trebamo koristiti ili volumen bojlera sustava odgovara potrebama kućanstva.
69
7. Literatura[1] Ibrahim, A., Othman, M.Y., Ruslan, M.H., Mat, S., Sopian, K., Recent
advances in flat plate photovoltaic/thermal (PV/T) solar collectors, Renewable
and Sustainable Energy Reviews, 15 (2011), str. 352–365
[2] Charalambous, P.G., Maidment, G.G., Kalogirou, S.A., Yiakoumetti, K.,
Photovoltaic thermal (PV/T) collectors: A review, Applied Thermal Engineering,
27 (2007), str. 275–286
[3] Charalambousa, P.G., Kalogiroub, S.A., Maidmenta, G., Karayiannisa, T.G.,
Photovoltaic thermal (PV/T) collectors: A review, 3rd International Conference
on Heat Powered Cycles, Cyprus, (2004)
[4] Šljivac, D., Šimić, Z., Obnovljivi izvori energije: Najvažnije vrste, potencijal i
tehnologija, Zagreb, 2009.
[5] Chow, T.T., A review on photovoltaic/thermal hybrid solar technology, Applied
Energy, 87 (2010), str. 365–379
[6] Wim, G. J. van H., Ronald J. C. van Z., Herbert A. Z., PV Thermal Systems:
PV Panels Supplying Renewable Electricity and Heat, Prog. Photovolt: Res.
Appl., Special Issue, 12 (2004), str. 415–426
[7] Zelenc, M., Fotonaponska – toplinska (PV/T) tehnologija. Završni Rad.
Međimursko veleučilište u Čakovcu, Čakovec, 2016.
[8] Čagalj, M. Izrada sustava hlađenja za hibridni naponsko-toplinski sunčani
kolektor. Diplomski rad. Fakultet elektrotehnike i računarstva Zagreb,
Zagreb, 2015.
70
[9] Galić, D. Izrada istosmjernog pretvarača za hibridni naponsko-toplinski
sunčani kolektor. Diplomski rad. Fakultet elektrotehnike i računarstva
Zagreb, Zagreb, 2016.
[10] Ibrahim, A., Othman, M. Y., Ruslan, M. H., Alghoul, M. A., Yahya, M.,
Zaharim, A., Sopian, K. Performance of Photovoltaic Thermal Collector
(PVT) With Different Absorbers Design. Solar Energy Research Institute,
Universiti Kebangsaan Malaysia, Bangi, Selangor, Malaysia. Issue 3,
Volume 5, March 2009.
[11] Kalogirou, S.A., Tripanagnostopoulos, Y. Hybrid PV/T solar systems for
domestic hot water and electricity production, Energy Conversion and
Management, 47 (2006) str. 3368–3382
[12] Hasan, M. A., Sumathy, K. Photovoltaic thermal module concepts and their
performance analysis: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews,
14 (2010) str. 1845–1859
[13] Rosell, J.I., Vallverdu, X., Lechon, M.A., Ibanez, M. Design and simulation of a
low concentrating photovoltaic/thermal system, Energy Conversion and
Management, 46 (2005) str. 3034–3046
[14] Chow, T.T., He, W., Ji, J. Hybrid photovoltaic-thermosyphon water heating system for residential application, Solar Energy, 80 (2006) str. 298–306
[15] Solanki, S.C., Dubey, S., Tiwari, A. Indoor simulation and testing of photovoltaic thermal (PV/T) air collectors, Applied Energy, 86 (2009) str. 2421–2428
71
IZVEDBA UPRAVLJAČKOG SUSTAVA HIBRIDNOG NAPONSKO-TOPLINSKOG SUNČANOG MODULA
Sažetak
U radu su opisani hibridni naponsko-toplinski sustavi s vodom kao rashladnim
sredstvom, te detaljni opisi njihovih sastavnih komponenata. Rad je podijeljen na
četiri dijela.
U prvom dijelu su detaljno opisani fotonaponski sustavi. Od otkrića
fotoelektričnog efekta preko sunćanih ćelija do samih fotonaponskih modula.
Drugi dio rada je posvećen hibridni naponsko-toplinski sustavima s vodom kao
rashladnim sredstvom. Posebno su objašnjene formule za izračun toplinske i
električne djelotvornosti sustava.
U trećem dijelu je prikazan eksperimentalni model hibridnog naponsko-
toplinskog sustava s vodom kao rashladnim sredstvom te su detaljno opisani svi
elementi od kojih je sustav izrađen. Posebna pažnja posvećena je izradi silaznog
istosmjernog pretvarača.
Četvrti dio se odnosi na upravljački sustav hibridnog naponsko-toplinskog
sustava s vodom kao rashladnim sredstvom. Upravljački sustav se dijeli na dva
podsustava. Sustav za upravljanje protokom vode i sustav za upravljanje tokom i
spremanjem električne energije.
72
Ključne riječi: hibridni naponsko-toplinski sustav, fotonaponski sustav, sunčana
ćelija, toplinska djelotvornost, električna djelotvornost, silazni istosmjerni pretvarač,
upravljački sustav hibridnog naponsko-toplinskog sustava
THE CONTROL SYSTEM CONSTRUCTION OF A HYBRID PHOTOVOLTAIC-THERMAL MODULE
Summary
This paper describes a hybrid photovoltaic-thermal systems with water as a
coolant, with detailed description of the components of which PV/T system consists.
Thesis is divided into four parts.
In the first part photovoltaic systems are described in details. Since the
discovery of the photoelectric effect through the solar cells to photovoltaic modules
themselves.
The second part is devoted to hybrid photovoltaic-thermal systems with water as a
coolant. Especially are explained formulas for calculating the thermal and electrical
efficiency of the system.
In the third part, the experimental model of the hybrid photovoltaic-thermal
systems with water as a coolant are described in details with all the elements of which
the system is created. Special attention was paid to the development of buck DC
converter.
The fourth part is related to the control system of the hybrid photovoltaic-
thermal system with water as a coolant. The control system is divided into two
subsystems. The system for controlling flow of water and a system for storing and
managing the flow of electricity.
73
Key words: hybrid photovoltaic-thermal system, photovoltaic system, solar cell,
thermal efficiency, electrical efficiency, buck DC converter, control system of the
hybrid photovoltaic-thermal system
74