IZDELAVA IN EKSPERIMENTALNO PREIZKUŠANJE DVO-OSNEGA FOTONAPETOSTNEGA SLEDILNEGA SISTEMA diplomsko delo Študent: Študijski program: Mentor: Somentor: Lektorica: Domen Kavšek visokošolski strokovni študijski program 1. stopnje Energetika doc. dr. Sebastijan Seme izr. prof. dr. Bojan Štumberger Petra Ovčar, univ. dipl. etn. in kult. antrop. Krško, september 2015 I
II
ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Sebastijanu Semetu in somentorju izr. prof. dr. Bojanu Štumbergerju za pomoč pri izdelavi diplomske naloge. Zahvaljujem se Emilu Keku in Filipu Kavšku, ki sta mi pomagala pri mehanskem delu izdelave diplomske naloge. Posebna zahvala gre moji družini, ki mi je omogočila visokošolsko izobraževanje. III
IZDELAVA IN EKSPERIMENTALNO PREIZUŠANJE DVO-OSNEGA FOTONAPETOSTNEGA SLEDILNEGA SISTEMA Ključne besede: sledilni fotonapetostni sistem, dvo-osni sledilni sistem, izdelava fotonapetostnega sledilnega sistema, eksperimentalno preizkušanje UDK: 621.383.51:004.415.538 (043.2) Povzetek Diplomsko delo obravnava izdelavo in eksperimentalno preizkušanje sledilnega dvo-osnega fotonapetostnega sistema. Delovanje sledilnega dvo-osnega fotonapetostnega sistema je ovrednoteno s primerjavo s fiksnim fotonapetostnim sistemom. Oba fotonapetostna sistema sta velikosti mikro fotonapetostnih elektrarn. Na podlagi dnevnih meritev, opravljenih na sledilnem in fiksnem mikro fotonapetostnem sistemu, naloga podaja primerjavo med proizvedeno električno energijo, časovne poteke temperature modula, sončnega obsevanja in hitrosti vetra. Prav tako so podane električne izgube na sledilnem mikro fotonapetostnem sistemu zaradi sledenja Soncu. IV
CONSTRUCTION AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF TWO-AXIS PHOTOVOLTAIC TRACKING SISTEM Key words: tracking photovoltaic system, dual-axis tracking system, making tracking photovoltaic system, UDK: 621.383.51:004.415.538 (043.2) Abstract The diploma work discusses the making and experimental testing of the dual-axis tracking photovoltaic system. The operation of the dual-axis tracking photovoltaic system is evaluated through the comparison with the fixed photovoltaic system. Both photovoltaic systems are the size of micro photovoltaic power plant. On the basis of daily measurements conducted on the tracking and fixed micro photovoltaic systems, the thesis delivers a comparison between generated electricity, time courses of module temperature, solar radiation and wind velocity. Further, the thesis also presents power losses on the tracking micro photovoltaic system due to solar tracking. V
KAZALO VSEBINE 1 UVOD... 1 2 SLEDILNI MIKRO FOTONAPETOSTNI SISTEM... 2 2.1 OSNOVE SLEDILNIH FOTONAPETOSTNIH SISTEMOV... 2 2.1.1 Eno-osni sledilni fotonapetostni sistem... 2 2.1.2 Dvo-osni sledilni fotonapetostni sistem... 3 2.2 IZDELAVA SLEDILNEGA MIKRO FOTONAPETOSTNEGA SISTEMA... 5 2.2.1 Mehanski del izdelave sledilnega mikro fotonapetostnega sistema... 5 2.2.2 Električni del izdelave sledilnega mikro fotonapetostnega sistema... 10 3 EKSPERIMENTALNI DEL... 20 3.1 EKSPERIMENTALNI SISTEM... 20 3.2 REZULTATI... 23 4 OVREDNOTENJE SLEDILNEGA IN FIKSNEGA FOTONAPETOSTNEGA SLEDILNEGA SISTEMA... 42 5 SKLEP... 45 VIRI IN LITERATURA... 47 PRILOGE... 48 PRILOGA B: VREDNOSTI POSAMEZNIH PARAMETROV ZA DOLOČEN ČAS NA DAN MERITVE 15.7.2015... 49 PRILOGA C: MATLAB KODA ZA VODORAVNI MOTOR SMER SEVER-JUG... 50 PRILOGA D: MATLAB KODA ZA VODORAVNI MOTOR SMER JUG-SEVER... 54 PRILOGA E: MATLAB KODA ZA NAVPIČNI MOTOR SMER VZHOD-ZAHOD... 58 PRILOGA F: MATLAB KODA ZA NAVPIČNI MOTOR SMER ZAHOD-VZHOD... 62 PRILOGA G: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV... 66 PRILOGA H: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA... 67 VI
KAZALO SLIK Slika 2.1: Smer premikanja eno-osnega sledilnega fotonapetostnega sistema... 3 Slika 2.2: Smer premikanja dvo-osnega sledilnega fotonapetostnega sistema... 3 Slika 2.3: Fotonapetostni modul BlueCarbon 20 W... 6 Slika 2.4: Sledilni mikro fotonapetostni sistem zmodeliran v programu Solid Works... 7 Slika 2.5: Kroglični ležaj [8]... 8 Slika 2.6: Sprednja in zadnja stran sledilnega mikro fotonapetostnega sistema... 9 Slika 2.7: Električno vezje sledilnega mikro fotonapetostnega sistema [4]... 10 Slika 2.8: Geometrijska oblika senzorja in vpadni koti... 13 Slika 2.9: Numerična krivulja odvisnosti razmerja Ω od kota i... 14 Slika 2.10: Naše elektronsko vezje sledilnega mikro fotonapetostnega sistema... 15 Slika 2.11: Algoritem delovanja celotnega električnega vezja... 17 Slika 2.12: Tiskano vezje električnega vezja za sledilni mikro fotonapetostni sistem... 18 Slika 2.13: Preizkušanje električnega vezja za sledilni mikro fotonapetostni sistem na protoboard ploščici... 19 Slika 3.1: Program v MatLab Simulink za zajemanje podatkov... 20 Slika 3.2: Vezalna shema ročnih meritev... 21 Slika 3.3: Računalniške in ročne meritve... 22 Slika 3.4: Ročne meritve... 22 Slika 3.5: Senzor vetra... 23 Slika 3.6: Temperaturni senzor... 23 Slika 3.7: Piranometer... 23 Slika 3.8: Trajektorija Sonca za Krško, dne 15. 7. 2015 [10]... 25 Slika 3.9: Primerjava azimutnih kotov... 26 Slika 3.10:Primerjava zenitnih kotov... 27 Slika 3.11: Časovni potek temperature PV modula, zunanje temperature in sončnega obsevanja na sledilnem mikro fotonapetostnem sistemu... 27 Slika 3.12: Časovni potek temperature PV modula, zunanje temperature in hitrosti vetra na sledilnem mikro fotonapetostnem sistemu... 28 Slika 3.13: Časovni potek temperature PV modula, zunanje temperature in sončnega obsevanja na fiksnem mikro fotonapetostnem sistemu... 29 VII
Slika 3.14: Časovni potek temperature PV modula, zunanje temperature in hitrosti vetra na fiksnem mikro fotonapetostnem sistemu... 29 Slika 3.15: Primerjava trenutnih moči sledilnega in fiksnega mikro fotonapetostnega sistema... 30 Slika 3.16: I-U karakteristika fotonapetostnega modula in poteka moči [5]... 31 Slika 3.17: Teoretična primerjava I-U karakteristik fotonapetostnega modula za različne vrednosti sončnega sevanja [5]... 32 Slika 3.18: Dejanska primerjava I-U karakteristik sledilnega mikro fotonapetostnega modula za različne vrednosti sončnega sevanja... 32 Slika 3.19: Teoretična primerjava poteka moči fotonapetostnega modula za različne vrednosti sončnega sevanja [5]... 33 Slika 3.20: Dejanska primerjava poteka moči sledilnega mikro fotonapetostnega modula za različne vrednosti sončnega sevanja... 33 Slika 3.21: Teoretična primerjava I-U karakteristik fotonapetostnega modula za različne vrednosti temperatur modula [5]... 35 Slika 3.22: Dejanska primerjava I-U karakteristik sledilnega mikro fotonapetostnega modula za različne vrednosti temperatur modula... 35 Slika 3.23: Teoretična primerjava poteka moči fotonapetostnega modula za različne vrednosti temperatur modula [5]... 36 Slika 3.24: Dejanska primerjava poteka moči sledilnega mikro fotonapetostnega modula za različni vrednosti temperatur modula... 37 Slika 3.25: Izgube na zenitnem motorju v smeri sever-jug... 38 Slika 3.26: Izgube na zenitnem motorju v smeri jug-sever... 39 Slika 3.27: Izgube na azimutnem motorju v smeri vzhod-zahod... 40 Slika 3.28: Izgube na azimutnem motorju v smeri zahod-vzhod... 41 VIII
KAZALO TABEL Tabela 2.1:Tehnični podatki fotonapetostnega modula BlueCarbon 20 W [7]... 6 Tabela 2.2: Sestavni deli mikro fotonapetostnega sledilnega sistema... 9 Tabela 2.3: Seznam uporabljenih elementov električnega vezja sledilnega mikro fotonapetostnega sistema... 17 Tabela 3.1: Uporabljeni merilni instrumenti... 22 Tabela 3.2: Azimutni in zenitni koti Sonca in SMFNS... 23 Tabela 3.3: Koeficienti kristalnega fotonapetostnega modula [5]... 34 IX
UPORABLJENI SIMBOLI Pmp - maksimalna moč Ump - optimalna delovna napetost Imp - optimalni delovni tok Uoc - napetost odprtih sponk Isc - kratkostični tok α - temperaturni koeficient kratkostičnega toka β - temperaturni koeficient odprtih sponk γ - temperaturni koeficient maksimalne moči Um - napetost med kontakti motorja Um+ - pozitivna napetost med kontakti motorja Um- - negativna napetost med kontakti motorja R - električna upornost Ω - razmerje upornosti Ωs - spodnje razmerje upornosti Ωs - zgornje razmerje upornosti Imax - direktno solarno sevanje α - vpadni kot sončnih žarkov α1 - vpadni kot na LDR1 α2 - vpadni kot na LDR2 β - vrhni kot senzorja i - kot med navpičnico senzorja in Soncem P - potenciometer Δη - učinkovitost fotonapetostnega modula ηn - nazivni izkoristek fotonapetostnega modula T - temperatura PMPP - temperaturni koeficient moči v točki MPP X
UPORABLJENE KRATICE PV - fotonapetostni DC - enosmerna veličina AC - izmenična veličina NOCT - Nominal operating cell temperature MPPT - Maximum power point tracking LDR - svetlobno odvisen upor SMFNS - sledilni mikro fotonapetostni sistem SIST - Slovenski inštitut za standardizacijo MPP - Maximum power point XI
1 UVOD Energija iz obnovljivih virov je vedno bolj pomembna. Pomaga zmanjševati toplogredne pline in odvisnost od fosilnih goriv. Med obnovljivimi energijami je bistvena in najbolj perspektivna sončna energija, ker je trajnostna, dosegljiva na celotnem planetu in dostopna vsakomur. Sončna energija je popolnoma brezplačna. Fotonapetostni (PV) sistemi so dobro prepoznavni in zadovoljivo pretvarjajo sončno energijo v električno. S pomočjo energije sončnega sevanja (elektromagnetnega valovanja) proizvajajo enosmerni (DC) tok brez slabega vpliva na okolje. Enosmerne električne veličine (napetost in tok) se s pomočjo razsmernika pretvori v izmenične električne veličine (AC). Izmenične električne veličine (napetost in tok) so tako uporabne za napajanje lokalnih objektov [1]. Cilj diplomske naloge je izdelati in eksperimentalno preizkusiti sledilni mikro fotonapetostni sistem. Diplomska naloga bo podala primerjavo parametrov med sledilnim in fiksno postavljenim fotonapetostnim sistemom, ki smo jih s pomočjo programa Excel in MatLab/Simulink obdelali in grafično predstavili. Diplomska naloga je razdeljena v pet poglavij. Drugo poglavje opisuje sledilni mikro fotonapetostni sistem. Predstavljene so osnove in izgradnja sledilnega sistema. V tretjem poglavju je predstavljena eksperimentalna proga za sledilni in fiksni mikro fotonapetostni sistem. Fiksni mikro fotonapetostni sistem je postavljen pod kotom 0. Na obeh sistemih je bila opravljena analiza delovanja. Četrto poglavje podaja ovrednotenje sledilnega in fiksnega fotonapetostnega sistema. V petem poglavju je opisan zaključek in vsebuje končne ugotovitve raziskovalnega dela. 1
2 SLEDILNI MIKRO FOTONAPETOSTNI SISTEM S sledilnim fotonapetostnim sistemom zagotavljamo, da je vpadni kot sončnega sevanja na površino fotonapetostnega generatorja kar se da čim bližje 90, saj takrat dosegamo največji izplen vpadne energije sončnih žarkov. Ne glede na vrsto sledilnega fotonapetostnega sistema zahtevamo od njega dolgo življenjsko dobo, zanesljivo obratovanje s čim manj vzdrževanja in posledično nizke obratovalne stroške [2]. Obstaja veliko študij, ki proučujejo izboljšanje izhodne moči fotonapetostnih modulov. Ena od teh izboljšav je tehnologija sledenja točki največje moči fotonapetostnih modulov (ang. MPPT). MPPT tehnologija omogoča, da fotonapetostni modul deluje v optimalni točki v trenutnih podnebnih razmerjih. Druga izboljšava je sledilni fotonapetostni sistem. S pomočjo sledilnega fotonapetostnega sistema dosežejo fotonapetostni moduli več energije sončnega sevanja [3]. 2.1 OSNOVE SLEDILNIH FOTONAPETOSTNIH SISTEMOV V nadaljevanju sledi opis osnov sledilnih fotonapetostnih sistemov, pri čemer jih v grobem razdelimo na eno-osne in dvo-osne sledilne sisteme. 2.1.1 Eno-osni sledilni fotonapetostni sistem Eno-osni sledilni fotonapetostni sistemi fotonapetostne module najpogosetje premikajo v smeri vzhod - zahod. Ta sistem je enostaven var zaradi fiksnega pozicioniranja v smeri sever - jug manj učinkovit kot dvo-osni sistem. Princip delovanja enoosnega sledilnega sistema je prikazan na sliki 2.1. 2
Slika 2.1: Smer premikanja eno-osnega sledilnega fotonapetostnega sistema 2.1.2 Dvo-osni sledilni fotonapetostni sistem Dvo-osni sledilni fotonapetostni sistem ima dve osi. Prva os se premika v smeri vzhod - zahod, druga os pa v smeri sever - jug. Dvo-osni sledilni fotonapetostni sistem na dveh oseh znatno poveča natančnost sledenja soncu [3]. Omenjeni sledilni fotonapetostni sistemi potrebujejo za sledenje soncu dva motorja. Čeprav so dvo-osni sledilni fotonapetostni sistemi dražji od eno-osnih, so bolj učinkoviti, predvsem v jutranjih in večernih urah [4]. Princip delovanja dvo-osnega sledilnega fotonapetostnega sistema je prikazan na sliki 2.2. Slika 2.2: Smer premikanja dvo-osnega sledilnega fotonapetostnega sistema Po načinu vodenja sledilnih fotonapetosnih sistemov poznamo odprtozančne in zaprtozančne sisteme. Odprtozančni sistemi delujejo glede na trajektorijo Sonca. S pomočjo 3
že v naprej znane točne lege Sonca zapišemo program, po katerem se bo sledilni fotonapetostni sistem premikal. Naklon in zasuk sledilnega fotonapetostnega sistema se spreminja glede na čas, datum in zemljepisno širino in višino. Za odprtozančno vodenje potrebujemo algoritem, zemljepisno širino in dolžino različnih regij. S temi podatki dosežemo optimalno sledenje soncu [3]. Glede na visoko ceno odprtozančnih sistemov so v večjih energetskih sistemih le ti nameščeni samo na enem sledilnem fotonapetostnem sistemu (glavni sledilni fotonapetostni sistem), vsi ostali sledilni fotonapetostni sistemi pa so podrejeni [5]. Pri zaprtozančnih sistemih vodenja uporabljamo za sledenje Soncu optične senzorje. Lega sonca je določena s povratnimi signali izmerjenih z optičnimi senzorji [3]. Optični senzor vsebuje dva svetlobno odvisna upora (LDR upora). Elektronsko vezje nadzoruje motorje dokler ni enaka upornost na obeh straneh optičnega senzorja. Tovrstni sistem je zelo natančen var potrebuje tudi zelo natančno nastavitev elektronskih komponent. Zaradi njegove natančnosti in relativno nizke cene je bilo na tem področju narejenih že veliko raziskav [5]. Pri manjših fotonapetostnih sledilnikih večkrat uporabljamo fotonapetostne celice ali fotodiode z elektronskim vezjem, medtem ko so večji fotonapetostni sledilniki praviloma krmiljeni z ustrezno programsko opremo, ki temelji na astronomskih algoritmih. Astronomski algoritmi opisujejo pot Sonca za vsak dan in uro v letu. V posebnih primerih, na primer pri sistemih s koncentratorji, pa je krmiljenje lahko kombinacija tako astronomskega krmiljenja kot krmiljenja s pomočjo fotonapetostnih celic. V naši diplomski nalogi smo se odločili za zaprtozančni sistem vodenja. Sledilne fotonapetostne sisteme delimo tudi glede na sistem napajanj, in sicer na aktivne in pasivne sledilne fotonapetostne sisteme. Pasivni sledilni fotonapetostni sistemi se uporabljajo zelo redko, za delovanje pa ne potrebujejo zunanjega električnega napajanja. Pri takšnih sledilnih sistemih za premikanje fotonapetostnega generatorja oziroma sledenju sonca uporabljamo pasivne hidravlične elemente, ki vsebujejo tekočine oziroma pline z nizkim vreliščem, ali vzmeti iz materialov z oblikovnim spominom, kar v jasnem vremenu 4
omogoča raztezanje in krčenje in s tem premikanje/sledenje. Pasivni elementi niso primerni za zahtevne primere uporabe, saj niso dovolj natančni, so pa uporabni za manjše posamične sledilne fotonapetostne elektrarne. Za razliko od pasivnih sledilnih fotonapetostnih sistemov, aktivni sledilni fotonapetostni sistemi za delovanje potrebujejo zunanje električno napajanje. Vsebujejo motorje ali mehanske aktuatorje, ki fotonapetostni generator premikajo v smeri Sonca. Nadzor sledenja oziroma krmiljenje motorjev in/ali aktuatorjev je lahko izvedeno na različne načine [2]. Analize učinkovitosti aktivnega in pasivnega fotonapetostnega sledilnega sistema so pokazale, da je aktivni sledilni fotonapetostni sistem, posebno v primeru nižjih temperatur, bolj učinkovit kot pasivni. Sledilni čas pri nižjih temperaturah (- 40 C) aktivnega sledilnega fotonapetostnega sistema je nekaj minut, medtem ko je pri pasivnem sledilnem fotonapetostnem sistemu sledilni čas več kot 1 ura pri enaki temperaturi [6]. 2.2 IZDELAVA SLEDILNEGA MIKRO FOTONAPETOSTNEGA SISTEMA V nadaljevanju bomo predstavili celotno izdelavo dvo-osnega sledilnega mikro fotonapetostnega sistema. Sistem uporablja zaprtozančni sistem vodenja in spada med aktivne sledilne fotonapetostne sisteme. 2.2.1 Mehanski del izdelave sledilnega mikro fotonapetostnega sistema Pri izdelavi dvo-osnega sledilnega mikro fotonapetostnega sistema smo uporabili fotonapetostni modul BlueCarbon moči 20 W, prikazan na sliki 2.3. Teža omenjenega modula je 2,5 kg in velikost 420 x 420 x 25 mm. Proizvajalec zagotavlja, da bo po 25 letih življenjske dobe fotonapetostni modul proizvajal še 80 % moči [7]. 5
Slika 2.3: Fotonapetostni modul BlueCarbon 20 W V tabeli 2.1 so predstavljeni tehnični podatki fotonapetostnega modula BlueCarbon 20 W. Tabela 2.1:Tehnični podatki fotonapetostnega modula BlueCarbon 20 W [7] Oznaka Vrednost Enota Maksimalna moč Pmp 20 W Optimalna delovna napetost Ump 17,2 V Optimalni delovni tok Imp 1,16 A Napetost odprtih sponk Uoc 21,6 V Kratkostični tok Isc 1,31 A Temperaturni koeficient kratkostičnega toka α 0,065±0,015 %/ᵒC Temperaturni koeficient odprtih sponk β - (80±10) mv/ᵒc Temperaturni koeficient maksimalne moči γ -(0,5±0,05) %/ᵒC NOCT (Zrak 20 ᵒC, sevanje 0,8 kw/m 2, veter 1 NOCT 47±2 ᵒC m/s) Delovna temperatura - 40 do 85 ᵒC Največja sistemska napetost 600 V DC Toleranca moči ± 3 % Konstrukcija sledilnega mikro fotonapetostnega sistema je naslednjih dimenzij: širina 470 mm, dolžina 470 mm in višina 940 mm. Po določitvi mer, smo celoten sistem narisali v modelarskem programu Solid Works, kot je prikazano na sliki 2.4 in določili materiale posameznih komponent. 6
Slika 2.4: Sledilni mikro fotonapetostni sistem zmodeliran v programu Solid Works Fotonapetostni modul je pritrjen na dva L profila. L profila sta narejena iz jekla, debeline 1,5 mm. Vsak L profil ima po dve luknji za pritrditev fotonapetostnega modula z dvema vijakoma M5 dolžine 20 mm in okroglo zaključno pokrivno matico. L profila sta pritrjena na zenitno os. Os je narejena iz polne nerjaveče jeklene cevi, dolžine 420 mm in premera 10 mm. Nosilec za zenitno os je narejen iz plastike, tako kot vsi ostali nosilci. Na zenitni osi je pritrjena velika aluminijasta jermenica premera 37 mm. Azimutna notranja os je narejena iz nerjavečega jekla. Cev ima zunanji premer 35 mm, debelina stene 1,5 mm in je visoka 770 mm. Zgornji del cevi je obdelan na stružnici zaradi tesnega nameščanja ležajev. Na zgornjem delu azimutne notranje osi je nameščen zenitni nosilec motorja. Na zenitnem nosilcu motorja je pritrjen zenitni DC motor in ima reduktor vrtljajev. Razmerje reduktorja je 1:20. Na osovini reduktorja je nameščena mala aluminijasta jermenica premera 22 mm. Z reduktorjem smo pridobili ustrezen večji navor in zmanjšali število vrtljajev male aluminijaste jermenice. Mala aluminijasta jermenica s pomočjo zobatega jermena vrti veliko aluminijasto jermenico, ta pa vrti zenitno os. S tem smo dosegli, da se fotonapetostni modul lahko premika v smeri sever - jug. 7
Pod nosilcem za zenitni motor je na notranjo navpično cev pritrjen veliki plastični zobnik za vrtenje notranje azimutske osi. Premer velikega plastičnega zobnika je 62 mm in ima 60 zob. Na zgornjem delu zunanje azimutske nepremikajoče nerjaveče osi je nameščen plastičen azimutski podstavek za motor. Zunanja azimutska nepremikajoča cev ima zunanji premer 50 mm, debelino stene 1,5 mm in je visoka 550 mm. Na plastičnem azimutskem podstavku za motor je nameščen azimutski DC servomotor. Na azimutskem servomotorju je nameščen mali plastičen zobnik. Mali plastičen zobnik ima zunanji premer 17 mm in ima 15 zob. Mali plastičen zobnik vrti veliki plastičen zobnik. S tem dosežemo vrtenje notranje azimutske osi. Tudi tukaj smo z ustrezno izbranimi zobniki dobili ustrezen navor in prestavno razmerje. Med obema azimutskema osema sta na spodnjem in zgornjem delu nameščena kroglična ležaja. Kroglična ležaja imata zunanji premer 47 mm in notranji premer 35 mm. Debelina krogličnih ležajev je 7 mm. Kroglična ležaja sta prikazana na sliki 2.5. Tako smo dosegli, da se fotonapetostni modul vrti v smeri vzhod - zahod. Slika 2.5: Kroglični ležaj [8] Da je celoten sistem samostoječ, v vetrovnih razmerah stabilen in varen za uporabo smo zunanjo azimutsko nepremikajočo os fiksirali na okrogel podstavek. Okrogel podstavek je narejen iz jekla, debeline 1 mm in premera 470 mm. L profila in okrogel podstavek smo pred sestavljanjem sledilnega mikro fotonapetostnega sistema zaščitili z barvo proti zunanjim vremenskim vplivom. Vsi plastični elementi so delani po naročilu na 2D rezalnem stroju. Sliki 2.6 in tabela 2.2 prikazujejo vse sestavne dele mikro fotonapetostnega sledilnega sistema. 8
Slika 2.6: Sprednja in zadnja stran sledilnega mikro fotonapetostnega sistema Tabela 2.2: Sestavni deli mikro fotonapetostnega sledilnega sistema Z.š. Opis Št.kos. Z.š. Opis Št.kos. 1 podstavek 1 16 zobnik veliki 60 zob plastičen 1 2 konektor za baterijo 2 17 zobnik mali 15 zob plastičen 1 3 baterija 1 18 DC krtačni servomotor azimut 1 4 azimutna os inox cev fi 50 1 19 nosilec motorja azimut plastičen 1 5 senzor svetlobe plastičen 2 20 azimutna os inox cev fi 35 premika. 1 6 fotonapetostni modul 1 21 končno stikalo mikro 4 7 regulator napetosti 2 22 DC krtačni motor zenit 1 8 vrstna sponka 2,5-4 mm 2 2 23 nosilec motorja zenit plastičen 1 9 elektronika 1 24 nosilec modula zenit plastičen 1 10 nosilec panela kovinski 2 25 distančnik osi zenit plastičen 2 11 zenitna os inox fi 10 1 26 plastična gibljiva cev sapa 6 12 jermenica velika Al 1 27 električni vodniki 1 13 jermen 1 ležaj 50/35 2 14 jermenica mala Al 1 drobni material 15 reduktor 1:20 1 9
2.2.2 Električni del izdelave sledilnega mikro fotonapetostnega sistema Električno vezje sledilnega mikro fotonapetostnega sistema temelji na primerjavi upornosti dveh LDR uporov (svetlobno spremenljiv upor). Slika 2.7 prikazuje omenjeno električno vezje [4]. Slika 2.7: Električno vezje sledilnega mikro fotonapetostnega sistema [4] Predpostavimo, da imata dva ojačevalnika (na sliki 2.7 označena z IC1a in IC1b) skupna vrata. Izhod vezja bo (napetost med kontakti motorja M) glede na (2.1) podan po (2.2) za pozitivno napetost in po (2.3) za negativno napetost: U M = (R6 (2R1+2R2+R3)) R5 (R3+2R4) (R1+R2+R3+R4) (R5+R6) U CC (2.1) 10
U M+ = (75 103 ((2 50 10 3 )+(2 15 10 3 )+10 10 3 )) 25 10 3 (10 10 3 +(2 47 10 3 )) (50 10 3 +15 10 3 +10 10 3 +47 10 3 ) (25 10 3 +75 10 3 ) = 7, 77 V 12 = (2.2) kjer je: R1= 50 kω, R2= 15 kω, R3=10 kω, R4=47 kω, R5= 25 kω in R6= 75 kω. U M = (25 103 ((2 50 10 3 )+(2 15 10 3 )+10 10 3 )) 75 10 3 (10 10 3 +(2 47 10 3 )) (50 10 3 +15 10 3 +10 10 3 +47 10 3 ) (75 10 3 +25 10 3 ) = 4,23 V 12 = kjer je: R1= 50 kω, R2= 15 kω, R3=10 kω, R4=47 kω, R5= 75 kω in R6= 25 kω. (2.3) Vrednost napetosti na kontaktih motorja M je enaka nič, ko je izpolnjen naslednji pogoj (2.4): Ω = R6 R5 = R3+2R4 2R1+2R2+R3 (2.4) Vrednost spodnjega razmerja za elektronsko vezje sledilnega mikro fotonapetostnega sistema iz slike 2.7 izračunamo po (2.5): Ω s = R6 = 10 10 3 +(2 47 10 3 ) = 0,743 (2.5) R5 (2 50 10 3 )+(2 15 10 3 )+10 103 Vrednost zgornjega razmerja za elektronsko vezje sledilnega mikro fotonapetostnega sistema iz slike 2.7 izračunamo po (2.6): Ω z = R5 = (2 50 103 )+(2 15 10 3 )+10 10 3 = 1,346 (2.6) R6 10 10 3 +(2 47 10 3 ) kjer je za (2.5) in (2.6): R1= 50 kω, R2= 15 kω, R3=10 kω in R4=47 kω. 11
Razmerje izbranih uporov Ω = R6/R5=0,743 ali 1/0,743 nam pove, da je za določeno vrednost tega razmerja med 0,743 in 1,346 izhod nastavljen na nič. Ko je to razmerje nad tem intervalom se motor vrti v smeri urinega kazalca in ko je pod tem intervalom se vrti v nasprotni smeri urinega kazalca. Ta vrednost določa natančnost senzorjev in je povzeta po [4]. LDR upora imata zelo veliko upornost v popolni temi (R=2 MΩ). Ta vrednost se zmanjšuje v primeru difuzne svetlobe in neposrednega obsevanja LDR upora. Upor difuzne svetlobe znaša (pasivna stran LDR upora obrnjena proti soncu) 419 Ω. Upornost direktnega sevanja sonca na LDR upor (aktivna stran LDR upora obrnjena proti soncu) pa znaša 205 Ω. LDR upornost lahko zapišemo v naslednji obliki (2.7): R = R 1 R Incident = R 1 ki (2.7) kjer je: R1 difuzna upornost LDR upora in znaša 419 Ω I=Imaxcosα, kjer je Imax direktno solarno sevanje in α je vpadni kot sončnih žarkov Imax= 200 W/m 2 Slika 2.8 prikazuje geometrično obliko piramidnega senzorja in vpadne kote sončnih žarkov. 12
i α2 β α1 Foto upor Slika 2.8: Geometrijska oblika senzorja in vpadni koti Podani koti s slike 2.8 nam dajo naslednjo matematično zvezo za kot 1 (2.8) in 2 (2.8): α 1 = Π β 2 i (2.8) α 2 = Π β 2 + i (2.9) kjer je: α1 vpadni kot na LDR1 (slika 2.8) oziroma na R5 (slika 2.7) α2 vpadni kot na LDR2 (slika 2.8) oziroma na R6 (slika 2.7) β vrhni kot senzorja, ki znaša 53 i kot, ki predstavlja navpičnico med senzorjem in soncem. Vpadni koti se spreminjajo glede na položaj sonca. S spreminjanjem vpadnih kotov se nam spreminja razmerje Ω. Spreminjanje razmerja Ω zaradi vpadnih kotov opišemo z (2.10): 13
Ω = R 1 ki max cos α 2 R 1 ki max cos α 1 = R 1 ki max cos[ Π β 2 +i] R 1 ki max cos[ Π β 2 i] (2.10) Vrednosti posameznih veličin po (2.10) so podane v prilogi A. Krivulja (2.10) je prikazana na sliki 2.9. Razmerje uporov R5 in R6 predstavljata premici (2.5) in (2.6), ki določata mejo natančnosti sledilnega mikro fotonapetostnega sistema [4]. Slika 2.9: Numerična krivulja odvisnosti razmerja Ω od kota i Po prebrani in pregledani literaturi [1-5] smo naredili izboljšave električnega vezja za sledilni mikro fotonapetostni sistem. Električnemu vezju za sledilni mikro fotonapetostni sistem smo dodali 4 končna stikala (Sk1, Sk2, Sk3 in Sk4), da preprečimo zapletanje električnih vodnikov okoli svoje osi. Izboljšano električno vezje je predstavljeno na sliki 2.10. Zaradi preglednosti električnega vezja smo vezju spremenili oznake nekaterih uporov iz navedene literature. Oznako uporov R1 in R3 smo spremenili na oznako potenciometrov P1 in P2, prav tako smo naredili za drug del vezja (P3 in P4). Namesto oznake upora R5 smo uporabili oznako za svetlobno odvisen upor LDR1 in namesto upora R6 oznako LDR2. Na enak način smo označili drugi del vezja LDR uporov (LDR3 in LDR4). 14
Slika 2.10: Naše elektronsko vezje sledilnega mikro fotonapetostnega sistema Enosmerni motor DC1 se proži preko toka iz tranzistorjev. Spreminjanje smeri toka omogočajo štirje tranzistorji. Tranzistorja T1 in T4 prevajata, ko se motor premika v smeri vzhod - zahod. V primeru, da se motor vrti v nasprotno smer, v smer zahod - vzhod, prevajata tranzistorja T2 in T3. Naš fotonapetostni modul se lahko zavrti na azimutni (vzhod-zahod) osi za 270. Na azimutni osi je na zahodni strani nameščeno končno stikalo Sk2 in na vzhodni strani končno stikalo Sk1. Ko doseže fotonapetostni modul 270 (skrajno vzhodno pozicijo) na azimutni osi, končno stikalo Sk2 preneha prevajati električni tok in odklopi napajanje motorja. Enak postopek velja za nasprotno (vzhodno) stran, za razliko od tega, da električni tok prekine končno stikalo Sk1. Enosmerni motor DC 2 se prav tako proži preko toka iz tranzistorjev. Spreminjanje smeri toka omogočajo štirje tranzistorji. Tranzistorja T5 in T8 prevajata, ko se motor premika v smeri jug - sever. V primeru, da se motor vrti v nasprotno smer, v smer sever - jug, prevajata 15
tranzistorja T6 in T7. Naš fotonapetostni modul se lahko na zenitni (sever - jug) osi zavrti za 65. Na zenitni osi je na južni (spodnji) strani nameščeno končno stikalo Sk4 in na severni (zgornji) strani končno stikalo Sk3. Ko doseže fotonapetostni modul 25 (skrajno južno pozicijo) na zenitni osi, končno stikalo Sk4 preneha prevajati električni tok in odklopi napajanje motorja. Enak postopek velja za nasprotno (severno) stran, za razliko od tega, da električni tok prekine končno stikalo Sk3 [4]. Sistem napajamo z napetostjo 12 V. Zaradi presunkovitega odzivanja obeh enosmernih motorjev smo morali to napetost znižati. To smo naredili s preprostim električnem vezjem pretvornika napetosti navzdol, ki smo ga vezali zaporedno za baterijo in pred električnim vezjem za sledilni mikro fotonapetostni sistem. Slika 2.11 prikazuje algoritem delovanja celotnega električnega vezja za sledilni mikro fotonapetostni sistem oziroma obeh enosmernih motorjev. 16
Slika 2.11: Algoritem delovanja celotnega električnega vezja V tabeli 2.3 so predstavljeni uporabljeni elementi električnega vezja sledilnega mikro fotonapetostnega sistema. Tabela 2.3: Seznam uporabljenih elementov električnega vezja sledilnega mikro fotonapetostnega sistema Element Količina Oznaka LDR 07 upor 4 LDR1 - LDR4 Triimer PT 10 25 K 2 P2, P4 Triimer PT 10 100k 2 P1,P3 Dioda 1N4004 DO-41 8 D1-D8 IC LM 1458P DIP8 2 IC1, IC2 TR BD139/16 NPN 4 T1, T2, T5, T6 17»se nadaljuje«
»nadaljevanje«tr BD140/16 PNP 4 T3, T4, T7, T8 Podnožje 8 PIN PROF. 2 IC1, IC2 Upor 47 k 2 R2, R4 Upor 15 k 2 R1, R3 Končno stikalo mikro 4 Sk1-Sk4 Baterija 12 V, 5 Ah 1 Bat Fotonapetostni modul 12 V, 20 W 1 PV 12 V, 20 W Po končani novi vezalni shemi električnega vezja in določitvi vseh potrebnih elektronskih elementov smo v programu Sprint-Layout narisali tiskano vezje. Na ploščici TIV so narisane tudi dvo in tri polne vrstne sponke. Sponke so namenjene priključnim električnim vodnikom obeh motorjev, vseh končnih stikal, LDR senzorjev in napajanju vezja. Slika 2.12 prikazuje TIV električnega vezja za sledilni mikro fotonapetostni sistem.. Slika 2.12: Tiskano vezje električnega vezja za sledilni mikro fotonapetostni sistem Pred izvedbo struženja ploščice na 2D stroju, smo vezje preizkusili s pomočjo protoboard ploščice, če pravilno deluje. Slika 2.13 prikazuje preizkušanje vezja na protoboard ploščici. 18
Slika 2.13: Preizkušanje električnega vezja za sledilni mikro fotonapetostni sistem na protoboard ploščici 19
3 EKSPERIMENTALNI DEL V tem poglavju bo prikazan postopek meritev na sledilnem mikro fotonapetostnem sistemu, ki smo ga primerjali s fiksno postavljenim fotonapetostnem sistemu. Fiksno postavljeni sistem smo namestili vodoravno pod kotom 0. Meritve mikro fotonapetostnega sledilnega in fiksnega sistema smo izvajali na sončen dan, 15. 7. 2015, od 8:00 do 18:00 ure pred Inštitutom za energetiko v Krškem. 3.1 EKSPERIMENTALNI SISTEM Pri izvajanju meritev na sledilnem mikro fotonapetostnem sistemu smo se osredotočili na meritve obeh enosmernih motorjev in karakteristik fotonapetostnega modula. Te meritve smo izvajali s pomočjo programa MatLab Simulink in dspace sistema, kot je prikazano na sliki 3.1. Slika 3.1: Program v MatLab Simulink za zajemanje podatkov 20
Vzporedno z računalniškimi meritvami smo izvajali tudi meritve karakteristik sledilnega fotonapetostnega modula BlueCarbon 20 W in meritve napetosti in toka, tako sledilnega, kot tudi fiksnega fotonapetostnega modula, temperaturo obeh fotonapetostnih modulov, azimutski in zenitni kot sledilnega mikro fotonapetostnega sistema, zunanjo temperaturo, sončno sevanje in hitrost vetra. Meritve smo izvajali v 15 min intervalih. Vrednosti posameznih parametrov ob določeni uri so podana v prilogi B. Slika 3.2 prikazuje vezalno shemo meritev, kjer je s T označen senzor temperature, s P piranometer in z Ve senzor vetra. Slika 3.3 in 3.4 prikazujeta meritve, ki smo jih izvajali preko celotnega dne. Slika 3.2: Vezalna shema ročnih meritev 21
Slika 3.3: Računalniške in ročne meritve Slika 3.4: Ročne meritve Pri meritvah smo uporabljali merilne instrumente podane v tabeli 3.1. Na slikah 3.5, 3.6 in 3.7 so prikazani senzor vetra, termometer okolice in piranometer za spremljanje vremena. Tabela 3.1: Uporabljeni merilni instrumenti Merilni instrument Oznaka Podrobnejši opis Multimeter UNI-T UT71E S.ŠT.: 1131077183 Multimeter UNI-T UT71E S.ŠT.: 1131077185 Multimeter UNI-T UT71E S.ŠT.: 1131077164 Multimeter UNI-T UT71E S.ŠT.: 1131077180 Multimeter UNI-T UT71E S.ŠT.: 1131077187 Multimeter UNI-T UT71E S.ŠT.: 1110149871 Multimeter UNI-T UT71E S.ŠT.: 1131077182 Multimeter UNI-T UT71E S.ŠT.: 1131077188 Kotomer 0-90 Reflektor 2x500 W RITOS TYP6091240A C3 dspace 2 x 8 CH Digital I/O, Slavel I/O Inc1, Inc2, UART RS323 UART RS422, RS485 Napetostna sonda LANGLOIS DP-25 S.ŠT.: 20140269 Napetostna sonda LANGLOIS DP-25 S.ŠT.: 20140250 Napetostna sonda LANGLOIS DP-25 S.ŠT.: 20140249 Piranometer GS-WV 1W/m 2 =1,5 mv S.ŠT.: SN 11060023 Termometer WITTCH & VISSER HTM 2500LP S.ŠT.: 110404-46 Tokovnik 4 CH Senzor vetra WITTCH & VISSER PA 2 TYPE 503.60-XL 10 S.ŠT.: SN 10020077 Napetostni vir Enosmerni izvir 3-15V, max. 3A 22
Slika 3.5: Senzor vetra Slika 3.6: Temperaturni senzor Slika 3.7: Piranometer 3.2 REZULTATI V nadaljevanju sledi predstavitev rezultatov meritev opravljenih dne 15. 7. 2015 V tabeli 3.2 so podane izračunane vrednosti azimutnega in zenitnega kota Sonca, pridboljenih iz [9] in [10]. Poleg izračunanih vrednosti so v tabeli 3.2 podani tudi izmerjeni azimutni in zenitni koti sledilnega mikro fotonapetostnega sistema (SMFNS). Tabela 3.2: Azimutni in zenitni koti Sonca in SMFNS Čas [h:min] Azimutni kot Sonca [ ] Azimutni kot SMFNS [ ] Zenitni kot Sonca [ ] Zenitni kot SMFNS [ ] 8:00 95,35 115 35,67 38 8:15 98,28 115 38,25 44 8:30 101,35 115 40,82 44 8:45 104,57 115 43,36 44 9:00 107,99 115 45,86 44 9:15 111,64 115 48,31 44 9:30 115,56 90 50,7 39 9:45 119,8 92 53 39 10:00 124,41 94 55,21 39,2 10:15 129,45 95 57,29 39,2 10:30 134,98 99 59,22 41 10:45 141,05 110 60,97 43,5 11:00 147,68 111 62,49 45 11:15 154,89 112 63,74 45,5 11:30 162,61 114 64,68 46,6 11:45 170,74 118 65,28 52 12:00 179,11 125 65,52 54 12:15 187,5 132 65,36 56,3 23»se nadaljuje«
»nadaljevanje«12:30 195,7 142 64,84 62 12:45 203,52 152 63,96 60 13:00 210,84 159 62,77 60 13:15 217,6 169 61,31 60 13:30 223,79 178 59,61 58,8 13:45 229,42 195 57,72 58,8 14:00 234,56 202 55,6 58,3 14:15 239,26 203 53,48 56 14:30 243,57 211 51,19 52,5 14:45 247,56 221 48,52 51,3 15:00 251,26 224 46,38 50 15:15 254,72 234 43,89 49,1 15:30 257,98 240 41,36 42,5 15:45 261,08 244 38,8 42 16:00 264,04 246 36,22 42 16:15 266,88 247 33,62 36,5 16:30 269,63 249 31,02 36,2 16:45 272,3 255 28,41 35 17:00 274,91 265 25,81 32,5 17:15 277,48 267 23,22 29 17:30 280,02 270 20,65 28,2 17:45 282,54 271 18,09 28,2 18:00 285,05 272 15,56 28,2 Slika 3.8 prikazuje trajektorijo Sonca za dan 15.7.2015 na zemljepisni širina 45 95' in zemljepisni dolžini 15 51' [11]. 24
Slika 3.8: Trajektorija Sonca za Krško, dne 15. 7. 2015 [10] Slika 3.9 kaže primerjavo azimutskih kotov Sonca in sledilnega mikro fotonapetostnega sistema. Modra črta ponazarja azimutni kot Sonca, rdeča črta pa prikazuje azimutni kot sledilnega mikro fotonapetostnega sistema. Iz slike 3.9 vidimo, da sledilni mikro fotonapetostni sistem v smeri vzhod - zahod sledi zelo dobro. V jutranjih urah je prišlo do manjših napak, kar je posledica padanja sence na senzor sledilnega mikro fotonapetostnega sistema. Po 9:30 uri je senzor zaznal prve močnejše sončne žarke in se tako popravil na pravo pozicijo. Po 15:15 uri vidimo, da je sledilni mikro fotonapetostni sistem že dobro sledil dejanski poti Sonca. Ob 18:00 uri je sledilni mikro fotonapetostni sistem zaostajal za azimutnim kotom Sonca samo še za 13. 25
Slika 3.9: Primerjava azimutnih kotov Slika 3.10 kaže primerjavo zenitnih kotov Sonca in sledilnega mikro fotonapetostnega sistema. Modra črta ponazarja zenitni kot Sonca, rdeča črta pa prikazuje zenitni kot sledilnega mikro fotonapetostnega sistema. Iz slike 3.10 vidimo, da je sledilni mikro fotonapetostni sistem v smeri jug - sever prav tako dobro sledil soncu kot v smeri vzhod - zahod. V jutranjih urah je prišlo do manjših napak, kar je posledica padanja sence na senzor sledilnega mikro fotonapetostnega sistema. Od 9:30 ure do 12:30 ure so bile razlike v sledenju veliko bolj očitne, kot po 13:15 uri. Ob 13:30 in 15:30 uri se je sledilni mikro fotonapetostni sistem približal na manj kot eno stopinjo razlike v primerjavi z zenitnim kotom Sonca. Proti koncu dneva je še naprej ostajal znotraj sprejemljivih odstopanj. Po 17:30 uri se sledilni mikro fotonapetostni sistem v vodoravni smeri ni več premikal, ker je dosegel končno pozicijo. 26
Slika 3.10:Primerjava zenitnih kotov Slika 3.11 prikazuje časovni potek temperature PV modula, zunanje temperature in sončnega obsevanja na sledilnem mikro fotonapetostnem sistemu. Zaradi velike hitrosti vetra se sledilni fotonapetostni modul dobro hladi. Slika 3.11: Časovni potek temperature PV modula, zunanje temperature in sončnega obsevanja na sledilnem mikro fotonapetostnem sistemu 27
Slika 3.12 prikazuje časovni potek temperature PV modula, zunanje temprature in hitrosti vetra na sledilnem mikro fotonapetostnem sistemu. Ob 11:30 uri je bila hitrost vetra minimalna in je znašala 0,32 m/s, temperatura sledilnega mikro fotonapetostnega modula pa je bila ob enakem času maksimalna in je znašala 72,6 C. Ob 15:15 uri pa je bilo ravno nasprotno. Veter je imel maksimalno hitrost, in sicer 2,78 m/s, sledilni mikro fotonapetostni modul pa je imel 49,1 C. Iz slike 3.12 vidimo tudi, da kjer je majhna hitrost vetra imamo visoko temperaturo sledilnega mikro fotonapetostnega modula in obratno. Iz tega lahko sklepamo, da je zaradi večjega zračnega upora kot pri fiksnem mikro fotonapetostnem modulu temperatura sledilnega mikro fotonapetostnega modula zelo odvisna od hitrosti vetra. Slika 3.12: Časovni potek temperature PV modula, zunanje temperature in hitrosti vetra na sledilnem mikro fotonapetostnem sistemu Slika 3.13 prikazuje časovni potek temperature PV modula, zunanje temperature in sončnega obsevanja na mikro fiksnem fotonapetostnem sistemu. Zaradi nizkega zračnega upora in velikega sončnega obsevanja je bila temperatura fiksnega mikro fotonapetostnega modula v povprečju za 6,14 C višja kot pri sledilnem mikro fotonapetostnem modulu. Ob 13:30 je bila temperatura fiksnega mikro fotonapetostnega modula najvišja in je znašala 80,5 C. Ob istem času je bilo obsevanje eno izmed maksimalnih vrednosti in je znašalo 1095,93 W/m 2. Iz teh dveh podatkov lahko povzamemo, da je odvisnost temperature fiksnega mikro fotonapetostnega modula od sončnega obsevanja večja kot odvisnost od hitrosti vetra. 28
Slika 3.13: Časovni potek temperature PV modula, zunanje temperature in sončnega obsevanja na fiksnem mikro fotonapetostnem sistemu Slika 3.14 prikazuje časovni potek temperature PV modula, zunanje temperature in hitrosti vetra na fiksnem mikro fotonapetostnem sistemu. Na sliki 3.14 vidimo, da je določevanje obravnavane odvisnosti prav tako težko kot pri sledilnem mikro fotonapetostnem modulu pri prikazu časovnega poteka temperature modula in sončnega obsevanja. V primeru daljšega obdobja višje hitrosti vetra opazimo majhen upad temperature fiksnega mikro fotonapetostnega modula. Ker je mikro fotonapetostni modul postavljen vodoravno nima nobenega zračnega hlajenja zadnje stranice fotonapetostnega modula. Iz tega lahko sklepamo, da je odvisnost temperature fiksnega mikro fotonapetostnega modula od hitrosti vetra zelo majhna, saj je dobro naravno zračno hlajenje onemogočeno Slika 3.14: Časovni potek temperature PV modula, zunanje temperature in hitrosti vetra na fiksnem mikro fotonapetostnem sistemu 29
V nadaljevanju bomo pokazali primerjavo trenutne moči sledilnega in fiksnega mikro fotonapetostnega sistema, kar prikazuje slika 3.15. Sledilni mikro fotonapetostni sistem je proizvedel največjo trenutno moč 18,13 W ob 14:30 uri, medtem ko je fiksni mikro fotonapetostni sistem proizvedel največjo trenutno moč 15,99 W ob 13:45 uri. Sledilni mikro fotonapetostni sistem je v času celotnega dnevnega merjenja proizvedel 150,67 Wh, fiksni mikro fotonapetostni sistem pa 109,84 Wh, kar pomeni, da je sledilni mikro fotonapetostni sistem proizvedel 27,1 % več energije kot mikro fiksni fotonapetostni sistem. Meritve so pokazale, da sledilni mikro fotonapetostni sistem poveča proizvodnjo električne energije pridobljene iz Sonca, kar opisuje tudi strokovna literatura [3]. Najmanjša razlika trenutne proizvedene moči med obema mikro fotonapetostnima sistemoma je bila ob 13:00 in 13:15 uri in je znašala 8 %, največja razlika pa je bila ob 18:00 uri, ko je sledilni mikro fotonapetostni sistem proizvedel 126 % več moči. Slika 3.15: Primerjava trenutnih moči sledilnega in fiksnega mikro fotonapetostnega sistema 30
V nadaljevanju so prikazane karakteristike sledilnega mikro fotonapetostnega modula. I-U karakteristiko fotonapetostnega modula konstruiramo iz karakteristik posameznih celic. Primer I-U karakteristike fotonapetostnega modula in poteka moči prikazuje slika 3.16. Najpomembnejše točke v karakteristiki so točka kratkega stika, točka odprtih sponk in točka največje moči [5]. Slika 3.16: I-U karakteristika fotonapetostnega modula in poteka moči [5] Slika 3.17 prikazuje teoretične I-U karakteristike fotonapetostnega modula za različne vrednosti sončnega obsevanja [5]. Slika 3.18 pa prikazuje dejansko primerjavo I-U karakteristik, ki smo jo izmerili na sledilnem mikro fotonapetostnem modulu, pri dveh različnih obsevanjih z enako temperaturo fotonapetostnega modula, in sicer 48,3 C. 31
Slika 3.17: Teoretična primerjava I-U karakteristik fotonapetostnega modula za različne vrednosti sončnega sevanja [5] Slika 3.18: Dejanska primerjava I-U karakteristik sledilnega mikro fotonapetostnega modula za različne vrednosti sončnega sevanja Največji vpliv na električne parametre fotonapetostnega modula predstavljajo sončno sevanje, temperatura fotonapetostnih celic in delno ali celotno osenčenje modula. Vrednost izhodnega toka je sorazmerna jakosti sončnega sevanja. Slika 3.19 prikazuje teoretični primer poteka moči fotonapetostnega modula za različne vrednosti sončnega sevanja [5]. Slika 3.20 pa prikazuje dejansko primerjavo poteka moči, ki smo jo izmerili na sledilnem mikro fotonapetostnem modulu, pri dveh različnih obsevanjih z enako izmerjeno temperaturo fotonapetostnega modula, in sicer 48,3 C. 32
Slika 3.19: Teoretična primerjava poteka moči fotonapetostnega modula za različne vrednosti sončnega sevanja [5] Slika 3.20: Dejanska primerjava poteka moči sledilnega mikro fotonapetostnega modula za različne vrednosti sončnega sevanja V nadaljevanju bomo obravnavali temperaturno odvisnost električnih parametrov fotonapetostnega modula. Domala vsi električni parametri fotonapetostnih modulov se s temperaturo bolj ali manj spreminjajo. Proizvajalci v tehničnih specifikacijah modulov oziroma celic navajajo temperaturne koeficiente napetosti odprtih sponk, toka kratkega stika in moči v točki največje moči. Navedbe v tehničnih dokumentaciji so v %/ C ali v absolutnih vrednosti/ C. Za kristalne module se koeficienti nahajajo v območjih, navedenih v tabeli 3.3 [5]. 33
Tabela 3.3: Koeficienti kristalnega fotonapetostnega modula [5] Kratkostični tok I sc (α) +0,02 %/ C do +0,1 %/ C Napetost odprtih sponk U oc (β) -0,30 %/ C do -0,41%/ C Moč v točki MPP P MPP (γ) -0,37 %/ C do -0,55 %/ C Temperaturne koeficiente proizvajalci večkrat označujejo z grškimi črkami, kot je navedeno v tabeli 3.3, drugi stolpec v oklepaju. Temperaturni koeficient kratkostičnega toka je pozitiven tako, da pri povišanju temperature tok rahlo narašča, napetost odprtih sponk pa zaradi negativnega temperaturnega koeficienta pada. Posledica je zmanjševanje izhodne moči pri višjih temperaturah, pri čemer izgube znašajo 0,37-0,55 %/C, kar pomeni, da pri porastu temperature za 30 C izhodna moč upade za 9-15 %. Izjemoma proizvajalci navajajo tudi temperaturno odvisnost napetosti v točki največje moči. Napetost odprtih sponk z upadanjem temperature modulov narašča in je najvišja pri najnižjih temperaturah okolice. Tok kratkega stika z naraščanjem temperature narašča, var njegov temperaturni koeficient ni tako visok kot temperaturni koeficient napetosti odprtih sponk. Temperaturna koeficienta napetosti odprtih sponk in toka kratkega stika se merita v postopku certificiranja modula v skladu z določili standarda SIST EN 61215 [5]. Slika 3.21 prikazuje teoretične karakteristike I-U fotonapetostnega modula za različne vrednosti temperatur modula [5]. Slika 3.22 pa prikazuje dejansko primerjavo I-U karakteristik, ki smo jo izmerili na sledilnem mikro fotonapetostnem modulu, pri dveh različnih temperaturah modula z enakim izmerjenim sončnim obsevanjem 1005 W/m 2 var se zaradi majhnih temperaturnih razlik modula ne vidi porast toka in padca napetosti. 34
Slika 3.21: Teoretična primerjava I-U karakteristik fotonapetostnega modula za različne vrednosti temperatur modula [5] Slika 3.22: Dejanska primerjava I-U karakteristik sledilnega mikro fotonapetostnega modula za različne vrednosti temperatur modula Temperaturni koeficient moči v točki MPP se izračuna po določilih standarda SIST EN 60891. Tudi učinkovitost modula je odvisna od temperature, za kristalne module jo pri konstantnem obsevanju določimo s (3.1). Moduli zaradi segrevanja delujejo pri temperaturah, višjih od temperature okolice. Obratovalna temperatura sistemov na strehah je med 30 C in 40 C višja od temperature okolice. Zaradi tega dejstva načrtujemo fotonapetostni generator pri delovni temperaturi vsaj 75 C, zagotoviti pa je treba tudi ustrezno hlajenje (naravna konvekcija zraka) modulov [5]. η = P MPP (25 C T) η n (3.1) 35
kjer je: PMPP temperaturni koeficient moči v točki MPP (-) T temperatura ( C) ηn nazivni izkoristek (-) Slika 3.23 prikazuje teoretični primer poteka moči fotonapetostnega modula za različne vrednosti temperatur modula [5]. Slika 3.24 pa prikazuje dejansko primerjavo poteka moči fotonapetostnega modula, ki smo jo izmerili na sledilnem mikro fotonapetostnem modulu, pri dveh različnih temperaturah modula z enakim izmerjenim sončnim obsevanjem 1005 W/m 2, var se zaradi majhnih temperaturnih razlik modula ne vidi padca napetosti in s tem tudi padec moči zaradi povišanje temperature modula. Slika 3.23: Teoretična primerjava poteka moči fotonapetostnega modula za različne vrednosti temperatur modula [5] 36
Slika 3.24: Dejanska primerjava poteka moči sledilnega mikro fotonapetostnega modula za različni vrednosti temperatur modula Pri slikah 3.18 in 3.20 je razlika med eno in drugo krivulja dobro razvidna. Pri slikah 3.22. in 3.24 pa je težje opaziti razliko med obema krivuljama, ker je bila razlika temperatur premajhna, da bi bila razlika krivulj bolj očitna. V sklopu električnih meritev smo izmerili tudi izgube na azimutnem in zenitnem motorju v smeri sever-jug, jug-sever, vzhod-zahod in zahod-vzhod in so predstavljena v nadaljevanju. Za vsako smer smo meritev ponovili desetkrat in iz vseh meritev naredili povprečne krivulje, ki so prav tako predstavljena v nadaljevanju. Slika 3.25 prikazuje izgube na zenitnem motorju v smeri sever-jug. 37
Slika 3.25: Izgube na zenitnem motorju v smeri sever-jug Slika 3.25 prikazuje levo zgoraj časovni potek toka, desno zgoraj napetosti, levo spodaj moči in desno spodaj električne energije zenitnega motorja za premikanje fotonapetostnega modula od skrajne severne do skrajne južne lege Iz slike 3.25 vidimo, da je maksimalen tok vodoravnega motorja v smeri sever-jug 0,8 A in je negativnega predznaka, maksimalna napetost je prav tako negativnega predznaka in znaša 6,25 V. Moč motorja je zaradi negativnega toka in negativne napetosti pozitivna. Maksimalna moč, ki jo je zenitni motor dosegel v smeri sever-jug znaša 3,25 W. Celotna energija za premik fotonapetostnega modula v smeri sever-jug na zenitnem motorju tako znaša 2,2 Ws. Slika 3.26 prikazuje izgube na zenitnem motorju v smeri jug-sever. 38
Slika 3.26: Izgube na zenitnem motorju v smeri jug-sever Slika 3.26 prikazuje levo zgoraj časovni potek toka, desno zgoraj napetosti, levo spodaj moči in desno spodaj električne energije zenitnega motorja za premikanje fotonapetostnega modula od skrajne južne do skrajne severne lege. Iz slike 3.26 lahko razberemo, da je maksimalen tok vodoravnega motorja v smeri jug-sever pozitiven in nekoliko manjši kot v smeri sever-jug in znaša 0,76 A. Napetost zenitnega motorja v smeri jug-sever je tokrat pozitivna. Maksimalna napetost znaša 5,9 V. Maksimalna moč, ki jo doseže zenitni motor v smeri jug sever znaša 2,8 W. Celotna energija, ki jo porabi zenitni motor v smeri jug-sever znaša 1,88 Ws. Iz vseh izmerjenih podatkov zenitnega motorja v obeh smereh vidimo, da zenitni motor porabi manj energije v smeri jug-sever. To pomeni, da bi bilo potrebno na mikro fotonapetostnem sledilnem sistemu prerazporediti težo na zadnji strani fotonapetostnega modula. Za ta problem imamo dve rešitvi. Prva rešitev je, da obtežimo zadnji spodnji del fotonapetostnega modula, druga rešitev pa je, da prerazporedimo obstoječe električne elemente, ki so nameščeni na zadnji strani fotonapetostnega modula. Tako lahko dosežemo boljše ravnovesje fotonapetosnega modula. 39
Poleg meritev na zenitnem motorju smo izvedli električne meritve tudi na azimutnem motorju. Meritve smo izvedli prav tako v obeh smereh in sicer v smeri vzhod-zahod in zahod-vzhod. Slika 3.27 prikazuje električne izgube na azimutnem motorju v smeri vzhodzahod. Slika 3.27: Izgube na azimutnem motorju v smeri vzhod-zahod Slika 3.27 prikazuje levo zgoraj časovni potek toka, desno zgoraj napetosti, levo spodaj moči in desno spodaj električne energije azimutnega motorja za premikanje fotonapetostnega modula od skrajne vzhodne do skrajne zahodne lege. Slika 3.27 prikazuje, da je azimutni motor deloval časovno več časa kot zenitni motor, saj se mora azimutni motor zavrteti za 185 več kot zenitni motor. Iz slike 3.27 prav tako lahko določimo maksimalen tok, napetost, moč in porabljeno energijo za celoten obrat v smeri vzhod-zahod. Maksimalen tok azimutnega motorja v smeri vzhod-zahod znaša -0,55 A, maksimalna napetost -3,1 V in maksimalna moč 0,9 W. Celotna energija, ki jo porabi azimutni motor v smeri vzhod-zahod znaša 3,25 Ws Slika 3.28 prikazuje električne meritve na navpičnem motorju v smeri zahod-vzhod. 40
Slika 3.28: Izgube na azimutnem motorju v smeri zahod-vzhod Slika 3.28 prikazuje levo zgoraj časovni potek toka, desno zgoraj napetosti, levo spodaj moči in desno spodaj električne energije azimutnega motorja za premikanje fotonapetostnega modula od skrajne zahodne do skrajne vzhodne lege. Iz slike 3.28 lahko vidimo, da sta tok in napetost pri vrtenju azimutnega motorja v drugo smer prav tako nasprotna kot pri zenitnem motorju. Maksimalen tok azimutnega motorja v smeri zahod-vzhod znaša 0,6 A, maksimalna napetost 2,75 V, maksimalna moč pa 0,71 W. Celotna energija azimutnega motorja v smeri zahod-vzhod znaša 2,3 Ws. Tako kot pri zenitnem motorju prihaja do razlik v porabi električne energije v različnih smereh tudi pri azimutnem motorju. Ta razlika se je predvidoma pojavila zaradi zobniških prenosov azimutnega motorja. To razliko predvidevamo, ker je prišlo pri namestitvi obeh plastičnih zobnikov do manjših toleranc in preoblikovanj obeh zobnikov. Vse kode napisane v programu MatLab za izris predstavljenih slik so priložene v prilogi od C do F. 41