ЕЛЕКТРОНСКОМ ФАКУЛТЕТУ У НИШУ

ОБРАЗАЦ ЗА ПРИЈАВУ ТЕХНИЧКОГ РЕШЕЊА У складу са одредбама Правилника о поступку и начину вредновања, и квантитавном исказивању научноистраживачких резултата истраживача, који је донео Национални савет за научни и технолошки развој Републике Србије («Службени гласник РС», бр. 38/2008) достављам следеће податке: Обавезни подаци: Aутор/аутори решења: Драган Манчић, Зоран Петрушић, Игор Јовановић, Угљеша Јовановић, Милан Радмановић Назив техничког решења: Систем за мерење струја фотонапонских модула Категорија техничког решења: М85 „Прототип, нова метода, софтвер, стандардизован или атестиран инструмент, нова генска проба, микроорганизми“ - лабораторијски прототип За кога је решење рађено и у оквиру ког пројекта МНТР: Решење је рађено за фирму NT SOFT из Ниша, на пројекту са ев. бр. ТР33035: Развој, реализација, оптимизација и мониторинг мрежног модуларног ротирајућег фотонапонског система снаге 5kW (руководилац пројекта: проф. др Драган Манчић); Ко решење користи, тј. ко је прихватио –примењује решење Корисник овог резултата пројекта је фирма NT SOFT из Ниша Година када је решење урађено: 2012. г.

Како су резултати верификовани (од стране ког тела): Верификација резултата је извршена од стране: - Комисије за одобравање техничких решења Електронског факултета; - Научно-наставног већа Електронског факултета; - Овлашћеног лица корисника резултата NT SOFT из Ниша На који начин се резултати користе: Уређај је инсталиран у фирми NT SOFT из Ниша Област на коју се техничко решење односи: Електроника

Проблем који се техничким решењем решава:

Предложено техничко решење служи за мерење и праћење струја фотонапонских модула у PV систему. Реализовани мерни систем је део bежичног мерно-контролног система који

омогућава праћење вредности електричних величина применом најсавременијих сензора. На основу тих вредности могуће је континуирано праћење перформанси PV система, са могућношћу аутоматског праћења његовог рада преко централног контролног микропроцесорског система. Стање решености тог проблема у свету: Пројектовање и реализација система за аквизицију података у реалном времену код PV система предмет су многих истраживања, што је довело до примене њихових различитих верзија. У карактеризацији PV модула до сада се издиференцирало неколико метода испитивања, које коректно описују понашање PV модула углавном при стандардним тестним условима. Ово испитивање се врши у лабораторијским условима, и у сваком случају мерења једне неосветљене соларне ћелије, односно комплетног соларног модула или система, су поуздана и могу понекад да се користе као адекватна замена за мерења у спољашњим условима. У циљу прикупљања и обраде свих улазних података данас постоје различити системи за њихову аквизицију, који прате перформансе PV система и у току рада, са крајњим циљем да се процени његова ефикасност. Постоје и мерни системи који омогућавају прикупљање података преко улазне јединице која се користи за мерење групних метеоролошких и радних параметара хибридног (PV -дизел) система. Међутим, подацима добијеним преко улазне јединице у том случају недостаје флексибилност у поређењу са подацима добијеним на основу конверзионог приступа. Такође, серијски пренос података ограничава перформансе система, јер се он тада не може користити и као контролни систем. Постоје и системи за аквизицију података и за контролу метеоролошких и радних параметара система на бази обновљивих извора, који су засновани на PC рачунарима. Обично су такви системи реализовани применом уско специјализованих мерних инструмената и улазног сензорског интерфејса, тако да је њихова примена могућа само у лабораторијским условима, али не и у неким комерцијалним системима, тако да су намењени само за тестне сврхе код пилот централа мале снаге. Објашњење суштине техничког решења и детаљан опис са карактеристикама, укључујући и пратеће илустрације и техничке цртеже: Изглед реализованог лабораторијског прототипа овог мерног система приказан је на слици 1. Детаљан технички опис система дат је у Прилогу.

Слика 1. Изглед реализованог лабораторијског прототипа мерног система

Како је решење реализовано и где се примењује, односно које су могућности примене: Реализовани систем се користи за мерење струја PV модула у опсегу до 10А, применом сензора на бази Hall-овог ефекта са интегрисаним колом за компензацију појачања и офсета. Примењена су четири бесконтактна струјна сензора CSA-1 фирме Sentron. CSA-1V је једноосни интегрисани магнетни сензор направљен комбинацијом Hall-ових елемената, електронског кола и интегрисаног магнетног концентратора у стандардној CMOS технологији, који је осетљив на магнетно поље паралелно са површином чипа. Овај интегрисани сензор ради у отвореној петљи и мери магнетно поље створено струјом која протиче кроз траку на штампаној плочи. Прототип мерног система је по својој структури и усвојеном решењу намењен за примену у независним и мрежним PV системима, при чему функционално подржава примену, како у ротирајућим, тако и у свим фиксним PV системима било које снаге.

Подносилац пријаве ________________________

др Драган Манчић, ванр. проф.

PRILOG

Opis tehničkog rešenja - laboratorijskog prototipa

UVOD Brz razvoj i primena obnovljivih izvora energije tokom poslednje dve decenije doveli su

do pojave mnogobrojnih instalacija različitih elektroenergetskih sistema u celom svetu. Nedostatak sistema obnovljivih izvora energije, naročito fotonaponskih (PV) sistema, je taj da je cena njihovih instalacija još uvek visoka, tako da je neophodna i poželjna optimizacija ovih sistema prilikom njihovog projektovanja, realizacije i eksploatacije.

Projektovanje i realizacija sistema za akviziciju podataka u realnom vremenu kod PV sistema predmet je mnogih istraživanja, što je dovelo do primene njihovih različitih verzija. Jedan takav sistem za akviziciju električnih parametara PV panela, koji je projektovan i implementiran u sistemu za merenje i praćenje karakteristika PV solarnih ćelija, modula ili sistema prikazan je u daljem tekstu.

Najznačajniji metod za opisivanje električnih karakteristika PV modula oduvek je predstavljalo merenje I-U karakteristika modula u realnim uslovima rada. U principu, danas postoji potreba da se definiše jedinstvena PV testna procedura, koja bi bila opšte priznata. Međutim, veliki broj proizvođača PV modula i dalje koristi specifičnu mernu opremu koja se zasniva na primeni mikrokontrolera. Proizvođači PV modula definišu njihove karakteristike za referentne uslove, koji se u mernoj proceduri označavaju kao standardni testni uslovi (standard test conditions). Ipak, ovi uslovi se retko javljaju tokom svakodnevnog rada PV modula, tako da se njihova karakterizacija pri standardnim uslovima testiranja vrši u laboratorijskim uslovima, u zatvorenom prostoru.

U karakterizaciji PV modula do sada se izdiferenciralo nekoliko metoda ispitivanja, kojе korektno opisuju ponašanje PV modula uglavnom pri standardnim testnim uslovima. Merenja I-U karakteristika neosvetljenih solarnih ćelija daju dodatne informacije o njima u dijagnostičke svrhe. Ovo ispitivanje se vrši u laboratorijskim uslovima, i u svakom slučaju merenja jedne neosvetljene solarne ćelije, odnosno kompletnog solarnog modula ili sistema, su pouzdana i mogu ponekad da se koriste kao adekvatna zamena za merenja u spoljašnjim uslovima.

Statički parametri solarnih ćelija se koriste za procenu njihove efikasnosti, dok su dinamički parametri neophodni pri projektovanju različitih kola koja sadrže solarne ćelije. Takođe, poznavanje ovih parametara omogućava i primenu važnih dijagnostičkih alata.

U okviru sistema za akviziciju podataka u realnom vremenu kod PV sistema, iz više razloga je neophodno detaljno poznavanje merenih podataka sa lokacije na kojoj će sistem biti instaliran i operativan. Kao što je napomenuto, u cilju prikupljanja i obrade svih ulaznih podataka danas postoje različiti sistemi za njihovu akviziciju, a koji prate performanse PV sistema u toku rada, sa krajnjim ciljem da se proceni njegova efikasnost.

Postoje i merni sistemi koji omogućavaju prikupljanje podataka preko ulazne jedinice koja se koristi za merenje grupnih meteoroloških i operativnih parametara hibridnog (PV-dizel) sistema. Prikupljeni podaci se prenose na PC računar preko RS-232 serijskog interfejsa, gde se pomoću LabVIEW softvera vrši dalja obrada podataka. Međutim,

podacima dobijenim preko ulazne jedinice nedostaje fleksibilnost u poređenju sa podacima dobijenim na osnovu konverzionog pristupa. Takođe, serijski prenos podataka ograničava performanse sistema, jer se on tada ne može koristiti i kao kontrolni sistem.

Dalje, postoje i sistemi za akviziciju podataka i za kontrolu meteoroloških i radnih parametara sistema na bazi obnovljivih izvora, koji su zasnovani na PC računarima. Obično su takvi sistemi realizovani primenom usko specijalizovanih mernih instrumenata i ulaznog senzorskog interfejsa, tako da je njihova primena moguća samo u laboratorijskim uslovima, ali ne i u nekim komercijalnim sistemima, pa su namenjeni samo za testne svrhe kod pilot centrala male snage.

U ovom prilogu dat je jedan način realizacije bežičnog mernog sistema za merenje i praćenje struja fotonaponskih modula u PV sistemu. Realizovani merni sistem omogućava praćenje električnih veličina primenom najsavremenijih senzora, na osnovu kojih je moguće kontinuirano praćenje performansi PV sistema, sa mogućnošću automatskog praćenja njegovog rada preko centralnog kontrolnog mikroprocesorskog sistema.

STRUKTURA REALIZOVANOG MERNO-KOMUNIKACIONOG SISTEMA

Kontrolno-merni sistem mora da omogući njegovu laku integraciju i pouzdan rad, dok sa

druge strane, u slučaju bežičnog prenosa, on mora da bude standardan, odnosno da je iz grupe testiranih komunikacijskih standarda. Pored standardnih žičanih komunikacija preko RS485, opcije za usvojene bežične komunikacije su različite i realizuju se kao bluetooth prenos, RF prenos, kao prenos u opsegu mikrotalasa ili kao prenos preko GPRS-a. Izabrana tehnička rešenja komunikacijskih prenosa moraju omogućiti realizaciju PV sistema potpuno korektno sa stanovišta bezbednosti i upravljanja.

Svaka solarna elektrana je specifična, počevši od malog krovnog PV sistema koji zahteva primenu odgovarajućih invertora, pa do velikih solarnih elektrana kod kojih je neophodno korišćenje nekoliko centralnih invertora. Dakle, ne postoji jedinstveno rešenje, već se projektom za konkretnu solarnu elektranu definišu odgovarajuće senzorske i komunikacijske jedinice, kao i ostali sastavni delovi sistema.

Savremena bežična tehnologija omogućava kontinuiranu kontrolu i praćenje malih PV sistema u toku 24 časa, pri čemu su troškovi instalacije svedeni na minimum. Podaci sa PV elektrane se prenose bežično i obrađuju se u kontrolnom sistemu, dok se neophodni parametri karakteristični za rad elektrane mogu prikazati na ekranu koji je predviđen za korisnika ili operatera. Na ovaj način, operater ili korisnik u svakom trenutku ima pravu informaciju o statusu sistema. Optimalni rad zahteva da se u kontrolnom sistemu definiše grupa alarma preko kojih se u svakom trenutku osigurava nesmetano funkcionisanje sistema. Zbog toga softver u ovim sistemima mora biti urađen potpuno orijentisano, kako

bi omogućio punu kontrolu delova realizovane solarne elektrane. Na slici 1 prikazana je jedna varijanta bežičnog merno-kontrolnog sistema kod elektrane male snage.

Slika 1. Varijanta bežičnog merno-kontrolnog sistema

Kao što je već napomenuto, za kontrolno-mernu namenu je danas komercijalno

dostupno više ovakvih sistema, ali tehničko rešenje koje je usvojeno u ovom prilogu, u potpunosti odgovara svim projektovanim zahtevima. Realizovani hibridni merno-komunikacijski sistem je prikazan na slici 2.

Merno-komunikacijski sistem kod malih elektrana sa fiksnim PV modulima zahteva mogućnost merenja više različitih fizičkih veličina, kao što su temperatura, napon, struja, intenzitet sunčevog zračenja, dok je kod rotirajućih sistema neophodno poznavanje i trenutne pozicije po azimutu i elevaciji, brzine i smera vetra i sl.

Izabrani merno-komunikacijski sistem mora pored jednostavne instalacije da ispuni i uslove u pogledu sigurnosti u radu, kao i da omogući jednostavno korišćenje. Izabrani tip komunikacije mora da obezbedi siguran prenos svih mernih podataka čak i u slučaju pojave alarmnog stanja kada se preko druge komunikacijske linije prenosi alarmna informacija korisniku ili operateru o trenutnom statusu elektrane.

Merni podaci, kao i karakteristični podaci o statusu elektrane, memorišu se u dužem vremenskom periodu, a preko USB interfejsa se prenose na PC kontrolni računar, pri čemu vizuelni ili opcioni audio alarmi obaveštavaju korisnika, odnosno operatera o promenjenom statusu pojedinih parametara solarne elektrane.

Pri izboru tipova bežične komunikacije mora se voditi računa da oni ne pripadaju licencnim oblastima, kao i da realizovani softver za nadgledanje dozvoljava bilo koju PC ili notebook kontrolu, pri čemu se praćenje i upravljanje konfiguracijom pojedinih delova

elektrane, posebno invertorom ili blokom invertora, pokazuje veoma značajnim u fazi instalacije i početnog rada PV sistema.

Slika 2. Blok šema realizovanog merno-komunikacijskog i kontrolnog sistema

Sveobuhvatna merna kontrola realizovane elektrane znači da se svi neophodni podaci sa PV panela, kao što su struja, napon, intenzitet sunčevog zračenja, radne temperature panela i ambijenta, prikupljaju, obrađuju, memorišu u merno-senzorskom bloku, a zatim se automatski prenose do centralnog kontrolnog sistema. Ovde se podaci dodatno obrađuju, prikazuju, analiziraju ili prosleđuju korisniku u obliku redovnih izveštaja preko elektronske pošte. Kontinuiranim praćenjem performansi sistema, tokom nedeljnih ili drugih izabranih vremenskih intervala generiše se izveštaj o količini proizvedene energije, pri čemu se izveštaj automatski prosleđuje korisniku.

Predložena varijanta bežičnog merno-kontrolnog sistema po svojoj strukturi i usvojenim savremenim rešenjima prvenstveno je namenjena za primenu u rotirajućim PV sistemima, pri čemu funkcionalno podržava i primenu u svim fiksnim PV sistemima male snage. Na slici 3 prikazan je blok dijagram senzorskog sistema jedne eksperimentalne kombinovane

centrale snage oko 1kW (4x230W), koja se sastoji od rotirajućeg i fiksnog dela sa monokristalnim i polikristalnim silicijumskim modulima.

Slika 3. Blok dijagram kombinovane centrale sa primenjenim senzorima

PV moduli rotirajućeg i fiksnog sistema se koriste za punjenje akumulatorskog bloka od 12V/170Ah, preko odgovarajućih punjača. Za priključenje različitih AC potrošača koristi se invertor maksimalne snage 1000W.

OSNOVNE KARAKTERISTIKE REALIZOVANOG SISTEMA ZA MERENJE STRUJE

Merenje struje ostvaruje se integrisanim kolima na bazi Hall-ovog efekta. Struja PV

modula je jačine do 10A, a kao beskontaktni senzori koriste se magnetni senzori realizovani u integrisnoj tehnici. CSA-1V (slika 4a) je jednoosni integrisani magnetni senzor firme Sentron, napravljen kombinacijom Hall-ovih elemenata, elektronskog kola i integrisanog magnetnog koncentratora u standardnoj CMOS tehnologiji, a koji je osetljiv na magnetno polje paralelno sa površinom čipa. Ovaj integrisani senzor radi u otvorenoj petlji i meri magnetno polje stvoreno strujom koja protiče kroz traku na štampanoj ploči (slika 4b). Kako odnos struje i izlaznog napona zavisi od rastojanja između provodnika i osetljivih elemenata senzora, kao i od oblika provodnika, neophodno je posle realizacije mernog strujnog kola izvršiti kalibraciju svakog pojedinačnog senzora. Zbog specifičnosti primenjene tehnike sa jednim provodnikom koji se nalazi na PCB ploči, mogu se izmeriti struje u opsegu do 10A. Na dimenzionisanje PCB trake utiče više faktora, a debljina i širina moraju da budu takve da se omogući kontinuirani protok struje od 10A.

(a) (b)

Slika 4. Hall-ovi senzori firme Sentron Primena strujnog senzora CSA-1V, stvara poteškoće prilikom definisanja i izrade veza

na štampanoj ploči, i zahteva neophodno dodatno kalibrisanje svakog senzora. Zbog toga, strujni senzor ACS713 firme Allegro MicroSystems pruža ekonomičnije i preciznije rešenje za merenje DC struje u industrijskim, komercijalnim i komunikacionim sistemima (slika 5). Tipične aplikacije ovog senzora su kod kontrole motora, detekcije opterećenja i upravljanja, prekidačkih izvora napajanja i kod prekostrujne zaštite.

Slika 5. Izgled i raspored pinova strujnog senzora ACS713

Uređaj sadrži precizni, nisko ofsetni, linearni Hall-ov senzor, kao i dodatni integrisani

bakarni provodnik, čiji se položaj nalazi u blizini površine senzorskog elementa. Primenjena struja koja protiče kroz ovaj provodnik generiše magnetno polje koje integrisani Hall-ov senzor proporcionalno pretvara u napon. Na taj način, tačnost je optimizovana zbog neposredne blizine magnetnog signala senzorskom elementu. Znači, precizan, proporcionalni napon se dobija pomoću niskoofsetnog, čoperski stabilizovanog BiCMOS integrisanog Hall-ovog senzora sa unapred programiranom tačnošću. Za smanjenje uticaja ofset napona internog pojačavača Hall-ovog elementa koristi se inovativna tehnika za stabilizaciju napona koja uključuje čoper pretvarač napona. Firma Allegro je razvila sistem za smanjenje ofset napona uz pomoć procesa modulacije i ponovne demodulacije signala.

Zbog karakteristike velikog izolacionog napona, ACS713 strujni pretvarači se koriste u aplikacijama koje zahtevaju dobru električnu izolaciju, i eleminišu upotrebu dodatnih opto-izolatora ili druge skupe tehnike izolacije.

VERIFIKACIJA REALIZOVANOG SISTEMA U nastavku je prikazana primena realizovanog sistema za merenje struja PV modula.

Slika 6 prikazuje štampanu ploču sa četiri strujna senzora. Upotrebljeni su senzori firme Sentron sa oznakom CSA-1V. Reč je o senzorima na bazi Hall-ovog efekta sa integrisanim kolom za kompenzaciju pojačanja i offseta.

Slika 6. Izgled štampane ploče sa strujnim senzorima Softver koji upravlja radom mikrokontrolera PIC16F877A, razvijen je u MikroC

okruženju, koji je proizvod firme mikroElektronika. Razvojni softverski alat MikroC sadrži editor teksta za pisanje kodova. Pored editora teksta, ovo okruženje poseduje i potrebne alate koji omogućavaju: debagovanje koda (otklanjanje grešaka i testiranje), kompajliranje i programiranje mikrokontrolera. MikroC kompajler podržava pisanje programa u C jeziku, u kome je i napisan ceo softver. Zadatak softvera je da upravlja modulom koji sadrži strujne senzore i LCD displejom.

Na slici 7 prikazan je pojednostavljeni algoritam programa ugrađenog u mikrokontroler, koji služi za merenje struja. Nakon početne inicijalizacije parametara neophodnih za rad programa, pristupa se izboru pojedinih analognih ulaza. Za konkretni ulaz vrši se AD konverzija napona sa senzora. Nakon izbora ulaza vrši se AD konverzija, tj. merenje napona prisutnog na svakom ulazu. Ovi naponi odgovaraju strujama koje se mere, a tačne vrednosti struja se preračunavaju u centralnoj jedinici (slika 8).

Nakon merenja sva četri ulazna signala vrši se prenos izmerenih podataka radio vezom. Zatim se čeka „odgovor“ od centralne jedinice kao potvrda da su poslati podaci uspešno primljeni. Ukoliko podaci nisu primljeni ili postoji greška u prenosu, ponavlja se slanje podataka.

Slika 7. Osnovni dijagram toka realizovanog softvera

Slika 8. Izgled displeja realizovane centralne merne jedinice

ZAKLJUČAK U ovom prilogu dat je jedan način primene bežičnog merno-kontrolnog sistema za

merenje i praćenje električnih karakteristika PV modula kod fiksnih i rotirajućih PV sistema. Realizovanim mernim sistemom omogućeno je kontinuirano praćenje struja modula u PV sistemu, uz automatsko praćenje njegovog rada preko centralnog kontrolnog mikroprocesorskog sistema. Najpre je razmatrana struktura realizovanog mernog sistema, a nakon toga su analizirane osnovne karakteristike njegovih sastavnih delova. U cilju verifikacije sistema, na kraju je dat primer različitih merenja struja PV modula pomoću Hall-ovog strujnog senzora CSA-1V.

Osnovni cilj daljih istraživanja predstavljaće izrada potpuno autonomnog merno-kontrolnog sistema, koji će imati mogućnost višestruke namene, čak i za precizna laboratorijska merenja.