Умовний покажчик - сонячна система стеження, двохосьова система стеження, програмована користувачем вентильна матриця, нечітке управління.

Анотація – Побудована та реалізована сонячна система стеження для вироблення енергії. Механізм стеження інтегрований з контролером, датчиком та пристроями вводу/виводу, які можуть підвищити ефективність вироблення енергії сонячних панелей. Для того, щоб стежити за сонцем використовують світлочутливі резистори сульфід кадмію. Для досягнення оптимального стеження за сонцем були розроблені та реалізовані різні алгоритми. Завдяки програмованій користувачем вентильній матриці у денний час сонячні панелі завжди направлені у бік сонця.

Умовний покажчик - сонячна система стеження, двохосьова система стеження, програмована користувачем вентильна матриця, нечітке управління.

I. Вступ

Сьогодні дуже багато уваги приділяють зеленій енергії, яку також називають відновлювальною енергією. Зелена енергія може бути перероблена так само, як і сонячна, вітро та гідро енергія, енергія біомаси, тепло Землі, різниця температур моря, морські хвилі, ранкові та вечірні припливи і т.д. [1, 2] Незважаючи на це, сонячна енергія є найпотужнішим ресурсом, який може бути використаний для вироблення енергії. Дотепер відносно низька ефективність вироблення сонячної енергії. Тому, дуже важливим питанням є підвищення ефективності.

У минулому використовувалися сонячні панелі, у яких підйомні кути були нерухомі. Вони не стежили за сонцем, тому ККД вироблення енергії був низьким. Наприклад, підйомний кут сонячної панелі при найбільшому об'ємі освітлення в денний час складає 23, 5° на півдні Тайваню. Перетворення сонячної енергії обмежено тому, що нерухомі типи сонячних панелей не можуть отримати оптимальну сонячну енергію. Багато вчених запропонували різні методи стеження за сонцем [3-9]. Багато різних датчиків світла, датчиків інтенсивності світла, інтелектуальних слідкуючих методів та CCD обладнання були запропоновані для обчислення часу поглинання сонячної радіації для вимірювання об'єму сонячної енергії. По всьому світу було підключено більшість сонячних панелей з нерухомими кутами. Таким чином, очевидно, що для підвищення ефективності повинен бути розроблений метод стеження за сонцем.

У даній статті основна мета полягає в розробці та реалізації сонячної системи стеження за допомогою програмованої користувачем вентильної матриці (ПКВМ). Використовуються світлочутливі резистори CdS. Сигнали зворотного зв'язку надходять на призначений чіп через АЦП. Нечітке управління було розроблене та реалізоване на платформі ПКВМ. Чіп Cyclone II компанії Altera є ядром управління. В результаті, було проведення порівняння між системою стеження та нерухомою системою. З експериментальних результатів запропонована система стеження виробляє набагато більше енергії, ніж нерухома система.

II. Опис сонячної панелі

Сонячна панель складається з напівпровідників з P-N переходів [10-11]. Вона може перетворювати світло в електричну енергію. Тому можна припустити, що електроенергія виробляється за допомогою сонячного світла, яке потрапляє на сонячну панель. Еквівалентна схема сонячної панелі представлена на мал.1.

Струм живлення представляє собою електричний струм, який виробляється від сонця, що світить на сонячну панель. - нелінійний імпеданс P-N переходу. - діод P-N переходу, і представляють лінійку з послідовно підключених резисторів. Зазвичай, в загальному аналізі значення велике, а - маленьке. Тому для того, щоб спростити процес аналізу можна ігнорувати значення та . Символ означає зовнішнє навантаження. та - вихідний струм та напруга сонячної панелі, відповідно.

З еквівалентної схеми та на основі характеристик P-N переходу, (1) представляє зв'язок між вихідним струмом та вихідною напругою

(1)

де - паралельне ціле число сонячної панелі; - число послідовних з'єднаних сонячних панелей; - електричний заряд - стала Больцмана - температура сонячної панелі (абсолютна температура ); - ідеальний фактор сонячної панелі Струм в (1) являє собою струм насичення сонячної енергії. Надалі, визначається за допомогою формули:

Мал.1. Еквівалентна схема сонячної панелі.

Мал.2. Архітектура сонячної системи стеження.

(2)

де - поточна температура сонячної панелі; - струм насичення при температурі - енергія, необхідна для перетину енергетичної зони для напівпровідникових матеріалів. ( 1.1 ).

З досліджень випливає, що коли стала температура, виникає струм короткого замикання за рахунок сильного сонячного світла і високою напругою розімкнутого ланцюга. Можемо спостерігати ефект освітлення короткого струму замикання, а не струму холостого ходу. З цього випливає, що сонячна панель може забезпечити більш високу ефективність коли більше сонячного світла, тобто сонячна панель відстежує сонце.

III. Архітектура системи обладнання

Архітектура запропонованої сонячної системи стеження використовує ПКВМ, як зображено на мал.2. Сигнал зворотного зв'язку виникає від світлочутливих резисторів CdS поки сяє сонце і потрапляє до ПКВМ через аналогово-цифровий перетворювач. Чіп в мікроконтролері на виході видає сигнал, що відповідає ШИМ для запуску крових двигунів. Таким чином можуть бути налаштовані дві осі сонячної панелі для досягнення оптимального контролю.

У контролері є три режими:

(1) Режим балансування

Встановлює початкове положення сонячної панелі, ми використовуємо ртутні перемикачі для балансування положенням платформи. Мета полягає в тому, щоб встановити крайні значення для запобігання занадто великих значень підйомних кутів, які можуть призвести до збою роботи сонячної панелі та нанести значні збитки двигунам і платформі.

Мал.3. Ескіз двохосьової системи сонячних панелей

Мал.4. Блок-схема процесу стеження.

(2) Автоматичний режим

Робота світлових датчиків стеження залежить від інтенсивності прийому світла світлочутливих резисторів CdS. Датчики можуть надсилати різні сигнали на контролер ПКВМ через АЦП у відповідності до різної інтенсивності сонячного випромінювання. Процесор NiosII є основним ядром управління. Налаштовуючи двохосьову систему сонячних панелей можна досягти оптимальної ефективності вироблення енергії.

Мал.5. Архітектура системи з ПКВМ.

(3) Ручний режим

Коли система стеження знаходиться під загрозою або в режимі підтримки, користувач може обрати ручний режим. У даному режимі інженери можуть налаштувати довільне положення сонячної панелі та капітально її відремонтувати.

Архітектура системи сонячних панелей включає в себе два двигуни для рухомості платформи, на мал.3. приведене приблизне тривимірне обертання сонячної системи, яка виробляє енергію. Два двигуни не зв'язані один з одним, тобто кут повороту панелі одного двигуна не впливає на інший, що скорочує ряд проблем пов'язаних з управлінням. Така реалізація мінімізує енергоспоживання системи під час роботи, підвищує ефективність та загальну кількість виробленої електроенергії. Блок-схема системи стеження показана на мал.4. Архітектура системи з ПКВМ зображена на мал.5.

Є дві важливі переваги використання системи такого типу:

(1) Висока ефективність перетворення світла в електрику. Оскільки механізм сонячної системи стеження має функцію трьохвимірного обертання, то механізм сонячної системи стеження може працювати у реальному часі. Таким чином система має високу ефективність перетворення світла в електрику і перевагу у серійному виробництві.

(2) Механізм простий і економить енергію. Два обертових механізми сонячної установки контролюються двома незалежними рушійними пристроями, у яких немає проблеми зі сполученням і несуть вагу на інше рушійне джерело. У той же час, інерція обертання сонячних панелей може бути зменшена.

Система стеження складається з чотирьох однакових світлочутливих резисторів CdS (сульфід кадмію), які виявляють інтенсивність світла від напрямку зі сходу, заходу, півночі та півдня, відповідно. У кожному напрямку є світлочутливий резистор CdS, який встановлений під кутом 45° спрямованому до джерела світла. Чотири датчики розділені на дві групи. Одна використовує два світлочутливих резистори CdS за напрямком схід-захід для порівняння інтенсивності світла зі сходу та заходу. Коли датчик отримує різну інтенсивність світла за напрямком схід-захід, до системи надходить сигнал відповідних вихідних напруг на датчиках схід-захід. АЦП (ADC0804) може зчитувати різні типи напруги датчиків згідно з якими вирішувати у якому напрямку інтенсивність світла більша, у якому - менша. Далі, система запустить крокові двигуни для того, щоб повернути сонячну панель у необхідному напрямку. Тоді, коли вихідна напруга датчика за напрямком схід-захід однакова, тобто різниця між вихідними значеннями за цими напрямками дорівнює нулю, тоді напруга двигуна також буде дорівнювати нулю. Це означає, що процес стеження за напрямком схід-захід завершено. За такаю ж методикою відбувається процес стеження сонця за напрямком південь-північ.

Мал.6. Блок-схема нечіткого контролю.

IV. Архітектура нечіткого контролера

Нечіткий контролер заснований на нечіткій логіці був запропонований Задом в 1965р. Алгоритм нечітких множин міг навчити людей азам контролю за рослинами за допомогою описів. Він ґрунтується на досвіді експертів, замість математичних моделей. Переваги такого алгоритму: кращий контроль популяції, надійний захист від збоїв і так само сумісність з нелінійними системами управління.

Контролер складався з 4-х частин: фазифікація, контроль базою нечітких правил, нечіткий вивід, дефазифікація. Блок-схема контролера приведена на мал.6.

На початку сонце потрапляє на світлочутливий резистор CdS сонячної системи стеження. Потім йде відгук аналогового сигналу, який був сформований і конвертований в цифровий через АЦП. Коли буде різниця напруг за напрямком південь-схід або північ-захід - різні, ця різниця буде відправлена на нечіткий контролер. Потім, контролер нечіткої логіки сформує імпульс на регулятор оборотів мотора і в них буде сформований сигнал на ШИМ для керування кроковими двигунами, для повороту панелі на бажаний кут. Враховуємо, що якщо різниця на датчиках нульова, сонце знаходиться вертикально над сонячною панеллю. Коли сонце рухається повільно, немає необхідності у високих обертах мотора у системі стеження. У даного контролера є переваги в низькому енергоспоживанні, також у швидкому та точному відпрацювання кутів відхилення. Отже, даний алгоритм успішно справляється зі своєю роботою.

Оскільки відповідні світлочутливі резистори CdS можуть працювати окремо один від одного, вони можуть розглядатися незалежно в керуванні. Для управління одним двигуном, помилка в вихідній напрузі відповідних датчиків може задаватися як вхідні змінні. Час обертання крокових двигунів за годинниковою стрілкою і проти задається вихідними данними. Взаємний функціонал показаний на мал.7 і 8. Використовується 5 правил нечіткого контролю:

Правило 1: Якщо є PB, тоді є PB.

Правило 2: Якщо є PS, тоді є PS.

Правило 3: Якщо є ZE, тоді є ZE.

Правило 4: Якщо є NB, тоді є NB.

Правило 5: Якщо є NS, тоді є NS.

У цій статті висновок побудований на логіці нечіткого контролю. Метод центру гравітації прийнятий для отримання практичного значення дефазифікації. Дефазифікація зображена у (3):

(3)

Цей метод дефазифікації реалізований цифровими схемами.

Мал.7. Вхідна функція системи з нечітким контролем.

Мал.8. Вихідна функція системи з нечітким контролем.

V. Експериментальні результати

У даному експерименті застосовується 4 сонячні панелі. Кожні дві панелі з'єднані послідовно у комплект. Всього чотири панелі; це означає, що буде два комплекти. Далі ці два комплекти з'єднали в паралельній конфігурації. Сонячні батареї можуть складатися з безлічі дрібних множин обох послідовних і паралельних з'єднань. Коли комплекти у послідовному з'єднані, тоді вихід напруги постійного струму сонячної системи буде підвищено. Коли комплекти у паралельному з'єднанні, тоді вихід постійного струму сонячної системи буде також підвищено. Таким чином, послідовні і паралельні з'єднання можуть бути використані для отримання необхідної вихідної напруги і постійного струму. Так як сонячні батареї важко виробляти, кожна батарея має свої особливості. Крім того, екологічні чинники, такі як пил, хмари і т.д., можуть викликати різні збої напруги і струму у різних типах підключення. Ще одна проблема в тому, що деякі підключення можуть бути перевантажені. У цьому випадку температура комплекту зростатиме через витрату енергії. Коли внутрішня температура сонячної панелі складає більше 85°С ~ 100 С, тоді може бути пошкоджено безліч елементів. Крім того, вся напруга буде прикладена в одному комплекті, тоді коли є пошкодження в сонячних батареях. Таким чином, для розв'язання цього питання був паралельно підключений діод.

Мал.9. Запропонована сонячна система стеження, встановлена

поруч з великомасштабною системою з фіксованими кутами.

Мал.10. Порівняння вироблення енергії системи з

фіксованими кутами та системи стеження.

Експериментальні дані сонячної системи, яка виробляє енергію вимірюються на відкритому повітрі, як показано на мал.9. Ми обрали дах третьої будівлі в університеті Yuan Ze. Характеристика кожної батареї - 12В і 7A/год, тому ми об'єднали дві батарейки разом в якості джерела живлення, яка має 24В і 14 A/год. На рис.10 показано, що ефективність системи стеження на 6, 7 відсотки вище, ніж при системі з фіксованими кутами.

VI. Висновки

Ця стаття описує сонячну систему стеження для вироблення енергії. Контролер стеження базується на основі алгоритму нечіткої логіки, який розроблений і реалізований на базі ПЛІС з вбудованою системою Nios II. Світлочутливі резистори CdS встановлені на дану сонячну систему стеження для визначення інтенсивності сонячного світла. Запропонована система може відстежувати сонячне світло автоматично. Таким чином, ефективність вироблення сонячної енергії може бути збільшена. Експериментальна робота була проведена дуже ретельно. Результат показує, що більш висока ефективність вироблення енергії дійсно досягається за допомогою сонячної системи стеження. Запропонований метод підтверджений користю для вироблення сонячної енергії.

Список використаної літератури

1. S. R. Bull, “Renewable energy today and tomorrow, ” IEEE Proc., vol. 89, no. 8, pp. 1216-1226, 2001.

2. S. Rahman, “Green power: what is it and where can we find it? ” IEEE Power and Energy Magazine, vol. 1, no. 1, pp. 30-37, 2003.

3. D. A. Pritchard, “Sun tracking by peak power positioning for photovoltaic concentrator arrays, ” IEEE Contr. Syst. Mag., vol. 3, no. 3, pp. 2-8, 1983

4. A. Konar and A. K. Mandal, “Microprocessor based automatic sun tracker, ” IEE Proc. Sci., Meas. Technol., vol. 138, no. 4, pp. 237-241, 1991.

5. B. Koyuncu and K. Balasubramanian, “A microprocessor controlled automatic sun tracker, ” IEEE Trans. Consumer Electron., vol. 37, no. 4, pp. 913-917, 1991.

6. J. D. Garrison, “A program for calculation of solar energy collection by fixed and tracking collectors, ” Sol. Energy, vol. 72, no. 4, pp. 241-255, 2002.

7. P. P. Popat “Autonomous, low-cost, automatic window covering system for daylighting Applications, ” Renew. Energ., vol. 13, no. 1, pp. 146, 1998.

8. M. Berenguel, F. R. Rubio, A. Valverde, P. J. Lara, M. R. Arahal, E. F.Camacho, and M. Ló pez, “An artificial vision-based control system for automatic heliostat positioning offset correction in a central receiver solar power plant, ” Sol. Energy, vol. 76, no. 5, pp.563-575, 2004

9. J. Wen and T. F. Smith, “Absorption of solar energy in a room, ” Sol. Energy, vol. 72, no. 4, pp. 283-297, 2002.

10. T. F. Wu, Y. K. Chen, and C. H. Chang, Power Provision and Illumination of Solar Light, Chuan Hwa Science ＆ Technology Book CO., LTD, 2007.

11. C. C. Chuang, Solar Energy Engineering-Solar Cells, Chuan Hwa Science ＆ Technology Book CO., LTD, 2007.

12. L. A. Zadeh, “Fuzzy sets, ” Inform. and Contr., vol. 8, pp. 338-353, 1965.

13. L. A. Zadeh, “Fuzzy Algorithms, ” Inform. and Contr., vol. 12, pp. 94-102, 1968.

14. E. H. Mamdani, “Application of fuzzy algorithms for control of a simple dynamic plant, ” in Proc. Inst. Elect. Eng., vol. 121, pp. 1585-1588, 1974.