Millora duna installaci fotovoltica Estudi disseny i muntatge
- Slides: 26
Millora d’una instal·lació fotovoltàica. Estudi, disseny i muntatge d’un convertidor DC-DC Xavier Santacruz – Carles Jaén 1
Motivacions Problemàtica ambiental existent • Causat per l’ús abussiu dels combustibles fòssils Obtinguda de fonts naturals capaces de regenerar-se. Virtualment inesgotables i amb un impacte ambiental molt menor a les existents • Alternativa: Energies Renovables L’energia solar fotovoltaica permet la conversió directa del l’energia del sol a elèctrica Una alternativa poc consolidada, però amb un gran recorregut per endavant JCEE’ 07 2
ÍNDEX Objectius Estudi teòric del sistema Disseny i dimensionat del sistema: ETAPA DE POTÈNCIA ETAPA DE CONTROL Muntatge experimental del sistema: CORBA EXPERIMENTAL DEL PANELL FOTOVOLTAIC RESULTATS EN LLAÇ OBERT RESULTATS EN LLAÇ TANCAT Possibles millores del sistema Conclusions JCEE’ 07 3
OBJECTIUS Estudi, disseny i construcció d’ un prototipus de convertidor DC-DC a 50 W, que faci treballar el panell fotovoltaic al seu punt de màxima transferència de potència (MPPT). Aquest objectiu principal s’ha pogut desglossar en diferents apartats, que són els següents: – Estudi dels elements i topologia d’una instal·lació fotovoltaica – Construcció dels diferents mòduls del sistema per tal d’obtenir el MPPT del panell – Proves funcionals del sistema complet – Valorar la millora obtinguda a partir del programa de control JCEE’ 07 4
Estudi teòric del sistema • El principi físic d’una cèl·lula fotovoltàica és basa en la unió p-n del material semiconductor sensible a la llum. • Una cel·la és capaç de proporcionar 2 W de potència, per tal d’elevar la potència és connecten en sèrie i en paral·lel formant el panell fotovoltaic. Circuit elèctric de la cèl·lula solar • • • JCEE’ 07 IL, és el corrent fotogenerada I 0 , és el corrent de saturació del díode RS, la resistència en sèrie RP, la resistència en paral·lel Vt, és el voltatge tèrmic 5
Estudi teòric del sistema I Corbes I-V i P-V JCEE’ 07 6
Estudi teòric del sistema II Per un valor de càrrega determinat és fa treballar el panell fotovoltaic en un punt concret de la corba I-V. Per tal de maximitzar la potència entregada del panell és necessari modificar la recta 1/R en funció de la temperatura i irradiància d’aquest. JCEE’ 07 7
Estudi teòric del sistema III • Es vol obtenir un sistema capaç d’entregar la màxima potència del panell independentment del valor de càrrega a la sortida i de la irradiació incidida en aquest a cada instant. Aquest sistema es composa bàsicament de: Convertidor DC-DC Programa de control MPPT • Amb aquest control augmentem notablement l’eficiència del panell JCEE’ 07 8
Disseny i dimensionat del sistema I PV DC Càrrega V DC Sensors Micro PWM Sistema dissenyat en llaç tancat JCEE’ 07 9
Panell fotovoltaic Característiques elèctriques del panell 350 U Corba I-V panell 350 U • Cèl·lules de silici monocristal·lí • Potència màxima (Pmax) 50 W • Voltatge a Pmax 17, 5 V • Corrent a Pmax 2, 9 A • Corrent de curtcircuit (Isc) 3, 17 A • Tensió a circuit obert 21, 8 V JCEE’ 07 10
Etapa de potència Tria del convertidor Boost Per tal d’obtenir una tensió de sortida superior a la d’entrada, amb relació entrada - sortida de U= E / (1 -d) Amb aquesta estructura sempre hi circula corrent per la bobina, en les dues posicions de l’interruptor. Obtenint un corrent per aquesta gairebé continu, amb molt poc arrissat. Com que el corrent per la bobina és el mateix que el del panell, aquest no commutarà. Amb aquest objectiu evitarem pèrdues al panell fotovoltaic Estructura Buck JCEE’ 07 11
Etapa de potència CONVERTIDOR DC-DC Elements del convertidor Boost • Interruptor IGBT : SEC G 80 N 60 UFD • Díode schottky : SB 560 • Bobina de 4, 8 m. H a 10 k. Hz • Condensador de 500μF • Resistència de càrrega de 20Ω Esquema elèctric JCEE’ 07 12
Etapa de control SENSORS 21, 8 V 2, 5 V 3, 17 A 0 V 0 A Sensor Corrent Sensor Tensió 0 V 2, 5 V 0 V Esquema elèctric JCEE’ 07 13
Etapa de control MICROCONTROLADOR Característiques del ADUC 812 • 7 canals ADC de 12 bits a 2, 5 V • 2 canals DAC configurables Esquema elèctric 12 bits, rang 0/2, 5 V 8 bits, rang 0/2, 5 V JCEE’ 07 14
Etapa de control PWM Cicle de treball Driver optoacoplador Pre-etapa JCEE’ 07 15
Algorisme de control Diferents mètodes de control MPPT • Pertorbació i observació (P&O) • Conductància incremental (Inc. Cond) • Voltatge constant (CV) Pertorbació i observació (P&O) • Fàcil implementació • Eficient, per una meteorologia poc variable com la nostra • Aquest mètode de control és una base per molts algorismes més complexes. JCEE’ 07 16
Algoritme P&O Cas 1 Cas 2 Cas Part de la corba Duty 1 Esquerra Disminuir 2 Dreta Augmentar 3 Dreta Augmentar 4 Esquerra Disminuir Cas 4 Cas 3 Variant el cicle de treball de l’interruptor es fa variar el punt de treball de la corba del panell JCEE’ 07 17
Muntatge experimental del sistema • Corba experimental del panell fotovoltaic Per obtenir les corbes I-V i P-V del panell fotovoltaic, connectarem diferents valors de càrrega, fent treballar aquest en diferents punts de treball Baixa irradiància ≈ 18 m. W/cm 2 JCEE’ 07 I PV V Càrrega Alta irradiància ≈ 45 m. W/cm 2 18
Resultats en llaç obert L’objectiu del muntatge experimental amb llaç obert, es verificar el correcte funcionament del circuit de potència. DC Càrrega PV DC PWM Sistema en llaç obert JCEE’ 07 19
Resultats en llaç obert (I) a) Resposta del sistema per a diferents cicles de treball a càrrega constant (20Ω) Vo= 14 V Generador de corrent Duty 0. 8 IL= 2 A Duty 0. 65 Canvi brusc Isc ≈ Voc ≈ MPP Generador de tensió Duty 0. 4 JCEE’ 07 Duty 0. 1 20
Resultats en llaç obert (II) b) Resposta del sistema per a diferents valors de càrrega a duty constant (0, 5) Vo= 30 V ≈ MPP JCEE’ 07 IL= 2 A 100 Ω 37 Ω 18 Ω 5Ω 21
Resultats en llaç obert (III) • Com podem observar en les gràfiques anteriors no tenim el control que ens garantitzi el MPPT del panell, ja que si mantenim una de les dues variables constant (càrrega o duty) variem la potència lliurada del panell. JCEE’ 07 22
Resultats en llaç tancat (I) • Limitem el cicle de treball entre 0. 8 i 0. 3, perquè el sistema no treballi lluny del MPP i pugui ser un sistema més estable • Amb càrrega constant, el duty per diferents valors d’irradiància és força semblant • Per canvis bruscos de la resistències de càrrega el control li costa respondre JCEE’ 07 23
Resultats en llaç tancat (II) Vídeo, estació de treball i MPPT per diferents valors de càrrega • En resum, per tal d’obtenir el MPPT del panell hem de jugar amb el cicle de treball del convertidor per contrarestar les variacions de càrrega i la irradiància. JCEE’ 07 24
Conclusions • Estudi teòric del sistema • Disseny i dimensionat del sistema: Etapa de potència Etapa de control • Muntatge experimental del sistema: Corba experimental del panell fotovoltaic Resultats en llaç obert Resultats en llaç tancat JCEE’ 07 25
Possibles millores del sistema • Disseny de plaques de circuit imprès especifiques pel convertidor, sensors i PWM amb resistències de precisió • Millorar o substituir el programa de control P&O per condicions ambientals adverses i per canvis bruscos a la càrrega • Fer una simulació amb SIMULINK del sistema en llaç tancat per validar els resultats pràctics • Dissenyar una altre etapa posterior per carregar una bateria JCEE’ 07 26