DIPLOMSKI RAD br. 939 · 2014. 7. 16. · za 20–30 % u odnosu na ﬁksno postavljena fotonaponska polja. Također u [1–8] ... potrebno imati sustav za automatsko praćenje sunca

SVEUČILIŠTE U ZAGREBUFAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

DIPLOMSKI RAD br. 939

OPTIMALNO POZICIONIRANJE AKTIVNEPLOHE FOTONAPONSKOG PANELA U

SVIM VREMENSKIM UVJETIMA

Valentina Mehkek

Zagreb, lipanj 2014.

Umjesto ove stranice umetnite vaš zadatak.

Zahvaljujem se prof. dr. sc. Mariju Vašku na pruženoj prilici ipovjerenju za izradu ovog rada te mag. ing. Marku Gulinu i dipl.ing. Tomislavu Pavloviću na usmjeravanju, stručnim savjetima ipomoći pri izradi rada.

Sadržaj

1 Uvod 1

2 Fotonaponski sustav i meteorološka stanica u LARES-u 32.1 Fotonaponski sustav . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2 Meteorološka stanica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3 Modbus protokol 83.1 Vrste serijskog prijenosa podataka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.2 Opis okvira poruke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.3 Modbus protokol u LARES-u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4 Procjena potrošnje dvoosnog sustava pozicioniranja 15

5 Sunčeva energija 175.1 Osnovni pojmovi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175.2 Model sunčeve dozračenosti na nagnutu plohu . . . . . . . . . . . . . . . 18

5.2.1 Izotropni modeli sunčeve dozračenosti . . . . . . . . . . . . . . . 205.2.2 Anizotropni modeli sunčeve dozračenosti . . . . . . . . . . . . . . 20

5.3 Model proizvodnje električne energije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

6 Optimalno pozicioniranje aktivne plohe fotonaponskog polja 256.1 Optimalni sustavi pozicioniranja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266.2 Strategija proračuna optimalne trajektorije u zatvorenoj petlji . . . . . . 27

7 Rezultati simulacija 30

i

Sadržaj ii

8 Zaključak 35

Literatura 36

Sažetak 39

Abstract 40

Životopis 41

Poglavlje 1

Uvod

Život na zemlji bez sunca gotovo je nezamisliv. Poznata je činjenica da sunce unutar30 minuta isporučuje više energije nego što cijelo čovječanstvo može potrošiti u jednojgodini. Postoje razni uspješni projekti koji diljem svijeta iskorištavaju solarnu energiju,besplatan i obnovljiv izvor koji ne zagađuje okoliš. Već danas sunčane elektrane ops-krbljuju gradove s električnom energijom i pri tome smanjuju emisije štetnih plinova, asvakim je danom promicanje svijesti o važnosti očuvanja okoliša i korištenja obnovljivihizvora energije sve intenzivnije.

Proizvodnja energije iskorištavanjem sunca u Hrvatskoj je slabo zastupljena te seuglavnom radi o ugradnji fotonaponskih ćelija na privatne kuće. S obzirom na pokri-venost naših otoka i obale suncem, razumno je da ovaj izvor energije, koji je svimadostupan, treba uključiti u planove za budućnost. No, ugradnja fotonaponskih panelaipak stalno opada. Neki od glavnih razloga su: (i) niska efikasnost, (ii) cijena, (iii) lo-kacija koja direktno utječe na količinu sunčeve dozračenosti, (iv) nestalna proizvodnja.Tijekom noći ili za oblačnog vremena proizvodnja radikalno opada te je potrebno imatiakumulatore za skladištenje rezervne energije ili neki drugi alternativni izvor koji opetpovisuje cijenu same instalacije.

Kako bi se udio sunčeve energije u budućoj energetskoj potrošnji povećao potrebnoje više novaca i truda uložiti u istraživanja i povećanje efikasnosti. Mnoga istraživanjado sada pokazala su da za postizanje veće proizvodnje energije treba koristiti sustave saktivnim pozicioniranjem. Ti sustavi mogu biti dvoosni ili jednoosni. Dvoosni sustavipozicioniranja aktivne plohe fotonaponskog polja imaju prednost pred jednoosnim zbogmogućnosti praćenja sunca čime se povećava upadna sunčeva dozračenost na aktivnuplohu fotonaponskog polja što slijedno rezultira većom proizvodnjom. U mnogim je stu-dijima pokazano da sustavi s dvoosnim pozicioniranjem postižu povećanje proizvodnje

1

Poglavlje 1. Uvod 2

za 20–30 % u odnosu na fiksno postavljena fotonaponska polja. Također u [1–8] po-kazano je da se primjenom algoritama optimalnog pozicioniranja za povećanje upadnesunčeve dozračenosti na aktivnu plohu fotonaponskog polja povećava ukupna efikasnostfotonaponskog sustava.

Ovaj rad je zasnovan na iskorištavanju sunčeve energije koristeći fotonaponsko poljekoje aktivno prati sunce ili maksimizira upadnu sunčevu dozračenost. Razvijen jealgoritam za pozicioniranje fotonaponskog polja u svim vremenskim prilikama.

Opis fotonaponskog sustava instaliranog u Laboratoriju za sustave obnovljivih iz-vora energije (engl. Laboratory for Renewable Energy Systems, LARES) na Sveučilištuu Zagrebu Fakultetu elektrotehnike i računarstva (FER) dan je u Poglavlju 2. Modbusprotokol, oprema, njene osnovne specifikacije te upravljanje pozicioniranjem aktivneplohe fotonaponskog polja opisani su u Poglavlju 3. Procjena potrošnje dvoosnog sus-tava pozicioniranja sadržana je u Poglavlju 4. U Poglavlju 5 dan je model sunčevedozračenosti na nagnutu plohu te model proizvodnje fotonaponskog polja. Poglavlje6 sadrži pregled ostvarenih algoritama s ciljem maksimizacije proizvodnje električneenergije, te opis strategije proračuna optimalne trajektorije u zatvorenoj petlji. U Po-glavlju 7 prikazani su rezultati provjereni simulacijski na temelju mjerenja komponenatasunčeve dozračenosti u LARES-u na Sveučilištu u Zagrebu Fakultetu elektrotehnike iračunarstva.

Poglavlje 2

Fotonaponski sustav imeteorološka stanica u LARES-u

Za pozicioniranje aktivne plohe fotonaponskog polja koristi se dvoosni sustav pozicioni-ranja. Glavni zadatak je usporediti odnos ukupne iskoristivosti fotonaponskog sustavadviju strategija: (i) upravljanja orijentacijom u zatvorenoj petlji, i (ii) upravljanja uotvorenoj petlji praćenjem pozicije sunca po zenitnom i azimutnom kutu. Za provedbunavedene analize u LARES-u je korišten fotonaponski sustav kao dio veće cjeline za pro-izvodnju, pohranu i potrošnju električne energije poznate pod nazivom mikromreža1.Osim navedenog potrebna je i meteorološka stanica te senzori temperature za simula-cijsku analizu i izračun orijentacije aktivne plohe fotonaponskog polja. Predstavljenaanaliza temelji se na mjerenjima snimljenim na krovu zgrade FER-a (Geografska širina:45.80◦ N; Geografska dužina: 15.97◦ E).

2.1 Fotonaponski sustav

Mikromreža je skup lokalno povezanih uređaja za proizvodnju i pohranu električneenergije, te potrošača koja može biti izolirana ili spojena na mrežu. Laboratorijski pos-tav istosmjerne mikromreže prikazan je na Slici 2.1, pri čemu se u ovom radu razma-tra samo fotonaponski sustav. Razmatrani fotonaponski sustav sastoji se od sljedećihkomponenata: (i) fotonaponskog polja, (ii) dvoosnog sustava pozicioniranja za pozici-oniranje aktivne plohe fotonaponskog polja, (iii) istosmjernog silaznog pretvarača zaelektrično povezivanje fotonaponskog polja s mikromrežnom energetskom sabirnicom,te (iv) baterijskog sloga za pohranu proizvedene električne energije.

1engl. Microgrid

3

Poglavlje 2. Fotonaponski sustav i meteorološka stanica u LARES-u 4

Gorivničlanci

Elektrolizator

Spremnicivodika

Fotonaponsko polje sdvoosnim sustavom

za pozicioniranje

(48 VDC)

DC/DC-PV16 A 50 A

DC/DC-FC32 A 10 A

DC/AC-EL50 A

Električnamreža

Baterijskislog

Teret

DC/DC-BAT100 A100 A

DC/AC-EG80 A 6 A

66 A

16 A

H2 H2

2H2OO

OH

HHH

3p

Slika 2.1: Strukturna shema istosmjerne mikromreže u LARES-u [9]

Fotonaponsko polje nazivne snage2 1520 Wp sačinjeno je od dvije paralelne grane pričemu svaka grana sadrži po četiri panela SV48–190 proizvođača Solvis (vidi Sliku 2.2)čije se specifikacije nalaze u Tablici 2.1. Motor s permanentnim magnetima proizvođačaABB sa specifikacijama u Tablici 2.2 korišten je za pokretanje mehanizma odnosno zapozicioniranje aktivne plohe fotonaponskog polja.

Slika 2.2: Fotonaponsko polje (1520Wp) u LARES-u [10]2Nazivna snaga fotonaponskih panela definirana je u tehničkim tablicama najčešće za standardne

uvjete testiranja (engl. Standard Test Conditions, STC) koji podrazumjevaju upadnu sunčevu dozra-čenost od 1000 W/m2 i temperaturu panela od 25 ◦C.


Tablica 2.1: Tehničke karakteristike panela SV48–190 za STCSimbol Vrijednost Opis parametra

A 1.3433 Površina aktivne plohe panela, m2

PMP P 190 Maksimalna snaga, WISC 8.43 Struja kratkog spoja, AUOC 29.8 Napon otvorenog kruga, VIMP P 7.90 Struja u točki maksimalne snage, AUMP P 24.2 Napon u točki maksimalne snage, V

Tablica 2.2: Tehničke karakteristike motora proizvođača ABBSimbol Vrijednost Opis parametra

In 2.5 Nominalna struja motora, AFn 200 Nominalna frekvencija motora, HzNn 3000 Nominalna brzina motora, r/minPn 0.345 Nominalna snaga motora, kW

Na krovu zgrade FER-a postavljena su tri fotonaponska polja s dvoosnim pozici-oniranjem aktivne plohe. S obzirom na oznake postavljeni su sljedećim redoslijedom,gledano od zapada prema istoku, E–G–F. U razvodnoj kutiji redoslijed pretvarača, kojisu spojeni s motorima za pokretanje mehanizma, nešto je drugačiji. Gledano s lijevana desno redoslijed je E–F–G. Za eksperimentalni dio rada korišteno je fotonaponskopolje oznake G. Kako se radi o dvoosnom pozicioniranju za svaku skupinu potrebnasu po dva motora, pri čemu se za upravljanje motorima koriste frekventni pretvarači.Komunikacija između centralnog upravljačkog sustava i frekventnih pretvarača ostva-rena je digitalno korištenjem Modbus protokola, pri čemu su pretvaračima pridijeljeneadrese 1-6 (E: 1-2, F: 3-4, G: 5-6). S obzirom da je korištena skupina G adrese slaveuređaja potrebne za pomicanje po zenitnom i azimutnom kutu slijedno su 5 i 6.

2.2 Meteorološka stanica

U sklopu LARES-a nalazi se i meteorološka stanica za mjerenje komponenata sun-čeve dozračenosti (direktna–normalna, difuzna–horizontalna, reflektirana i globalna–horizontalna), upadne sunčeve dozračenosti na aktivnu plohu fotonaponskog polja, tem-perature polja pomoću dvije PT100 temperaturne sonde, i temperature zraka. Sustav


za očitavanje i pohranu mjerenih veličina baziran je na opremi proizvođača NationalInstruments.

Mjerenje globalne (horizontalne) dozračenosti izvedeno je korištenjem piranometraCMP11 proizvođača Kipp&Zonen. Na idealno odabranoj lokaciji instrument ne bi tre-bao registrirati zračenje odbijeno od tla i okolnih predmeta, niti imati prepreke više od5◦ u području gdje sunce izlazi i zalazi. Ukupne prepreke ne bi smjele smanjiti vidno po-lje instrumenta više od 0,5 steradijana3. Kako je trajno izložen atmosferskim utjecajimamora biti čvrste izvedbe i otporan na korozivne utjecaje vode i vlažnog zraka. Prijemnikdozračenosti mora biti hermetički zatvoren ili imati sustav za odvodnju kondenziranevlage u kućištu. Na krovu zgrade postavljen je termoelektrični piranometar koji koristitoplinske senzore za proizvodnju napona na principu termoelektričnog efekta u funkcijiupadne sunčeve dozračenosti. Temperaturna razlika na termičkom otporu diska pre-tvara se u napon. Toplinski detektor smješten je ispod dvostruke staklene kupole kojaga štiti od prodora vlage i smanjuje dugovalno zračenje iz samog instrumenta. Također,dvije staklene kupole omogućuju: (i) podjednako propuštanje direktne komponente izbilo kojeg smjera na nebu, (ii) toplinsku izolaciju detektora, (iii) sprječavanje njegovahlađenja.

(a) Pirheliometar Kipp&ZonenCHP1

(b) SOLYS2 uređaj za praćenje suncas ugrađenim piranometrima

Slika 2.3: Instrumenti za mjerenje komponenata sunčeve dozračenosti

Piranometri osim što mjere ukupnu dozračenost koja upada na njihovu površinuiz svih smjerova neba mogu se koristiti i za mjerenje raspršene (difuzne) dozračenosti.To se postiže sprječavanjem upadanja direktne komponente dozračenosti prstenom ili

3Steradijan, oznaka sr, prostorni kut čiji se vrh nalazi u središtu kugle, a na plohi kugle omeđujepovršinu jednaku kvadratu polumjera kugle.


kuglicom za zasjenjivanje površine senzora. U sklopu meteorološke stanice difuzna (ho-rizontalna) dozračenost se mjeri pomoću piranometra CMP11 korištenjem kuglice zazasjenjivanje (vidi Sliku 2.3(b)). Kuglica za zasjenjivanje se pomiče tijekom dana pra-teći putanju sunca te drži osjetljivi dio piranometra zaklonjen od direktne komponentesunčeve dozračenosti. Glavni je nedostatak ovog uređaja njegova visoka cijena jer jepotrebno imati sustav za automatsko praćenje sunca na nebu koji s ugrađenim GPSprijamnikom automatski konfigurira vrijeme i lokaciju. Za mjerenje reflektirane kom-ponente sunčeve dozračenosti koristi se piranometar kojem je senzor okrenut premadolje.

Za mjerenje direktne (normalne) dozračenosti korišten je pirheliometar CHP1 pro-izvođača Kipp&Zonen (vidi Sliku 2.3(a)). Pirheliometar mora uvijek biti usmjerentočno prema suncu pa je tijekom dužeg vremenskog perioda i po svim vremenskimuvjetima potrebno osigurati precizno praćenje gibanja sunca po nebu. Sam instrumentsastoji se od termočlanaka smještenih na dnu valjkastog kućišta s uskim otvorom navrhu tako da je vidni kut instrumenta samo oko 5◦. Takvom geometrijom se omogućavadetekcija samo zračenja koje dolazi iz uskog pojasa oko sunčevog diska. Prijemna povr-šina instrumenta u svakom trenutku mora biti okomita na sunčeve zrake tako da pirhe-liometri moraju pratiti sunce po nebu uz kutnu grešku manju od 0,75◦ (Kipp&Zonnen),što zahtjeva složen i precizan mehanički sustav za praćenje kretanja sunca.

Poglavlje 3

Modbus protokol

Modbus je serijski komunikacijski protokol razvijen od Modicona 1979. godine (danasSchneider Electric’s Telemecanique). Izvorno je zamišljen za upotrebu s programabil-nim logičkim kontrolerima1, ali zbog svoje jednostavnosti i lake dostupnosti postao jeindustrijski standard.

Modbus protokol zasnovan je na serijskoj komunikaciji između tzv. master i slavejedinica spojenih u istu komunikacijsku mrežu, izravno ili pomoću modema. Svaka slavejedinica ima svoju adresu koja može biti od 1 do 247 i samo jedinica kojoj je naredbaposlana odgovara na naredbu, dok master nema adresu. Izuzetak od ovog pravila sutzv. broadcast naredbe koje se odnose na sve jedinice i na koje nije potrebno odgovarati.Adresa 0 je u tom slučaju rezervirana kao broadcast adresa za sve slave jedinice. Upraksi broj slave jedinica koje se mogu koristiti određen je odabranim sučeljem (npr.RS485 je ograničen na 31 slave jedinicu).

Standardni Modbus uređaji upotrebljavaju serijsko sučelje RS232C, RS422 ili RS485,ali u novije vrijeme i Ethernet. Izbor sučelja definira pinove konektora, kabel, razinesignala, brzinu prijenosa i provjeru pariteta, jer to nije u definiciji Modbus protokola.Sam Modbus protokol određuje strukturu poruke koju uređaji mogu prepoznati bez ob-zira na tip mreže te način na koji će pojedini uređaj prepoznati svoju adresu, pročitatinjemu namijenjenu poruku i na nju primjereno reagirati. Svaka poruka sastoji se odadresnog dijela, funkcijskog koda, podatkovnog dijela i dijela koji se odnosi na provjeruispravnosti primljene poruke.

Funkcijski kod u upitu daje nalog adresiranom uređaju što treba izvršiti. Podatcisadrže sve informacije potrebne da slave izvrši upit. Npr. funkcijski kod 0x03 će tražiti

1engl. Programmable Logic Controller, PLC

8

Poglavlje 3. Modbus protokol 9

da slave pročita tzv. holding registre, te njihov sadržaj proslijedi masteru. Podatci izupita moraju sadržavati informaciju od kojeg registra treba pročitati sadržaj i kolikoregistara treba pročitati. Provjera ispravnosti primljenog upita daje mogućnost da slaveustanovi valjanost poruke.

Ako je sve u redu odgovor koji šalje slave je istovjetan upitu, ima isti funkcijski kod,a jedina razlika su podatci koje je prikupio slave na upit kao što su sadržaj registara,statusi i slično. Ako dođe do greške slave promijeni funkcijski kod i pošalje masteru od-govor greške koji u podacima sadrži kod kojim je opisana greška. Provjerom ispravnostiprimljene poruke master ima mogućnost ustanoviti valjanost poruke.

3.1 Vrste serijskog prijenosa podataka

Modbus protokol definira dva načina prijenosa podataka (ASCII2 i RTU3) koji opisujunačin pakiranja podataka u poruku i njihovo dekodiranje. Način prijenosa potrebno jeodabrati pri inicijalizaciji mreže i ona mora biti ista za sve uređaje spojene na mrežu.

ASCIIKod ASCII prijenosa podataka svaki bajt se šalje kao dva ASCII znaka, od kojih svakipredstavlja jednu heksadecimalnu znamenku (0..9, A..F). Naime poruka je kodiranau heksadecimalnom obliku, a prikazana u ASCII formatu. Za svaki bajt informacijepotrebna su dva ASCII znaka jer svaki znak definira samo 4 bita u heksadecimalnomsustavu. Pri tome se svaki ASCII znak pakira u okvir od 10 bitova. Prvi bit je startbit, sljedećih sedam bitova su podatci poredani od najmanje značajnog4 prema najz-načajnijem bitu5, nakon toga slijedi paritetni bit i naposljetku zadnji je stop bit (akoje odabrana opcija provjere pariteta), odnosno dva stop bita (ako nije odabrana opcijaprovjere pariteta). ASCII poruka formira se na način da se kao prvi znak šalje dvo-točka (heksadecimalno 0x3A), a na kraju dvoznak CLRF6 (heksadecimalno 0x0D0A).Svi znakovi iz ostalih polja moraju biti predstavljeni heksadecimalnim znamenkama 0–9 ili A–F budući da će podatci biti kodirani u heksadecimalnom formatu, a prikazivatće se u ASCII-u. Za provjeru ispravnosti prijenosa poruke koristi se LRC7 metoda, aznakovi se mogu slati i do 1 sekunde razmaka, a da uređaj ne detektira to kao grešku.

2engl. American Standard Code for Information Interchange3engl. Remote Terminal Unit4engl. Least Significant Bit, LSB5engl. Most Significant Bit, MSB6engl. Carriage return–line feed7engl. Longitudinal Redundancy Check


Uređaji na mreži kontinuirano nadziru mrežnu sabirnicu i čekaju da se pojavi znak započetak poruke. Nakon pojave dvotočke, svi uređaji pročitaju adresni dio poruke kakobi provjerili da li se poruka odnosi na njih.

RTUKod RTU prijenosa podataka heksadecimalne znamenke se prenose izravno bez njihovekonverzije u ASCII kod. Pri tome jedan bajt sadrži dvije heksadecimalne znamenkekoje se šalju u istom okviru, što za rezultat ima veću korisnost pri istoj brzini prijenosa.Svaki RTU bajt pakiran je u okvir od 11 bitova na način da je prvi start bit, nakon togaslijede osam bitova podataka poredanih od najmanje značajnog prema najznačajnijembitu, nakon toga je jedan paritetni bit i na kraju je zadnji stop bit (ako je odabranaopcija provjere pariteta), odnosno dva stop bita (ako nije odabrana opcija provjerepariteta). Za provjeru ispravnosti poruke upotrebljava se CRC8 metoda, a znakovi semoraju slati kontinuirano. Početak i kraj poruke označava se pauzama u komunikacijiu trajanju od barem 3.5 znakovnih intervala (obično se uzima višekratnik znakovnogintervala pri brzini prijenosa definiranoj na mreži). Prvo se uvijek šalje adresa uređaja.Odaslani znakovi mogu biti samo heksadecimalni 0–9, A–F. Ako se u toku prijenosaporuke pojavi pauza dulja od 1.5 znakovnih intervala, primatelj će izbrisati nedovršenuporuku i pretpostaviti da sljedeći bajt predstavlja adresni dio nove poruke. Osim toga,ako nova poruka počne za manje od 3.5 znakovnih intervala nakon završetka prethodne,primatelj je neće prepoznati kao novu poruku, već kao nastavak prethodne, što ćeuzrokovati grešku. I u ovoj varijanti uređaji konstantno nadziru mrežnu sabirnicu, akad se poruka pojavi, svi dekodiraju adresni dio kako bi ustanovili odnosi li se ista nanjih.

3.2 Opis okvira poruke

Svaka poruka sastoji se od istih dijelova: (i) okvira, (ii) adresnog dijela, (iii) funkcijskogkoda, (iv) podatkovnog dijela, (v) dijela za provjeru ispravnosti poruke.

1. Okvir, koji služi za označavanje početka i kraja poruke, razlikuje se u ovisnosti ovarijanti prijenosa. Kako je već gore navedeno, kod ASCII prijenosa on se sastojiod dvotočke na početku i CRLF znaka na kraju poruke, dok se kod RTU prijenosakao okvir upotrebljavaju pauze određenog trajanja u prijenosu podataka.

8engl. Cyclic Redundancy Check


2. Adresni dio sastoji se od dva ASCII znaka, odnosno osam bitova. Slave jediniceimaju adrese u rasponu od 1 do 247, dok adresa nula označava broadcast naredbu.Master u adresni dio poruke postavlja adresu na koju se poruka upućuje, a slavejedinica u odgovoru u adresni dio postavlja svoju adresu.

3. Funkcijski dio sastoji se od dva ASCII znaka, odnosno osam bitova. On sadržifunkcijski kod poruke, u rasponu od 0 do 255, koji slave jedinici prenosi naredbukoju treba izvršiti. Slave jedinica u odgovoru vraća funkcijski kod nepromije-njen ako je poruka primljena, dok u slučaju nemogućnosti izvršenja naredbe zboggreške u sadržaju poruke slave jedinica vraća funkcijski kod kojem je najviši bitpostavljen u 1. Primjeri naredbi koje master može poslati slave jedinici su pro-vjera statusa ulaznih pinova, čitanje sadržaja registara, dijagnostička provjeraslave jedinice, pisanje u registre, promjena stanja izlaznih pinova, te učitavanje,snimanje ili provjera programa samog kontrolera.

4. Podatkovni dio sastavlja se od parova heksadecimalnih znamenaka (0x00 do0xFF), pri čemu one mogu, ovisno o varijanti prijenosa, predstavljati par ASCIIznakova ili jedan RTU znak. Master u ovaj dio poruke upisuje adrese registaraili vanjskih pinova kojima treba pristupiti, broj traženih podataka te ako mas-ter šalje podatke koje treba negdje upisati, broj bajtova podataka i potom samepodatke. Za neke naredbe slave jedinica ne treba dodatne podatke, već joj jedovoljan funkcijski kod, pa neke poruke ne sadrže podatkovni dio. Slave jedinicau podatkovnom dijelu odgovora šalje tražene podatke, odnosno kod greške ako iznekog razloga nije u mogućnosti izvršiti poslanu naredbu.

3.3 Modbus protokol u LARES-u

Prije svega potrebno je podesiti i uskladiti parametre frekventnog pretvarača ACSM1proizvođača ABB za serijsku komunikaciju te za praćenje reference pozicije. Za lakšeparametriranje korišten je DriveStudio9 program. Postavke parametara frekventnogpretvarača za praćenje reference pozicije i korištenja Modbus protokola nalaze se uTablici 3.1. Za povezivanje s računalom upotrebljen je Modbus RTU protokol na baziserijskog RS-485 protokola prijenosa. Modbus RTU komunikacija s frekventnim pretva-račem obavlja se preko modula FSCA-01 RS-485, također proizvođača ABB. Koristeći

9DriveStudio je programska podrška za puštanje u rad i održavanje ABB ACSM1 pretvarača i sličnihAC pogona.


modul moguće je zadati upravljačke naredbe poput pokreni, zaustavi, pokretanje omo-gućeno i slično, zadavati referencu brzine, momenta ili pozicije, pročitati status i stvarnevrijednosti sustava, resetirati grešku pogona. U postavkama pretvarača za Drive profileodabrano je Transparent 32-bit prvenstveno zbog kontrolne riječi koja zahtjeva 32 bita.Sukladno tome u Tablici 3.2 ispisane su adrese registara potrebne za upravljanje.

Tablica 3.1: Postavke parametara frekventnog pretvaračaParameter index Description Settings

10.01 EXT1 START FUNC FBA11.01 START MODE Automatic22.01 SPEED FB SEL Enc1 speed34.01 EXT1/EXT2 SEL C.False34.02 EXT1 MODE 1/2SEL C.False34.03 EXT1 CTRL MODE1 Position34.07 LOCAL CTRL MODE Position50.01 FBA ENABLE Enable50.04 FBA REF1 MODESEL Position50.05 FBA REF2 MODESEL Speed50.06 FBA ACT1 TR SRC P.POS ACT50.07 FBA ACT2 TR SRC P.SPEED ACT51.01 FBA TYPE RS-485 COMM51.02 FBA PAR2 351.03 FBA PAR3 560.04 LOAD GEAR DIV 282160.05 POS UNIT Degree62.02 HOMING STARTFUNC Pulse65.01 POS REFSOURCE Fieldbus65.02 PROF SET SEL C.False65.04 POS REF1 SEL FBA REF165.13 POS REF2 SEL FBA REF271.07 GEAR RATIO MUL 2821


Tablica 3.2: Adrese registaraRegister Address Register Data (16-bit)

00001 Native Drive Profile Control - Least Significant 16-bits00002 Native Drive Profile Control - Most Significant 16-bits00003 Native Drive Profile Reference 1 - Least Significant 16-bits00004 Native Drive Profile Reference 1 - Most Significant 16-bits00005 Native Drive Profile Reference 2 - Least Significant 16-bits00006 Native Drive Profile Reference 2 - Most Significant 16-bits00007 DATA OUT 100008 DATA OUT 2... ...

00018 DATA OUT 1200051 Native Drive Profile Status - Least Significant 16-bits00052 Native Drive Profile Status - Most Significant 16-bits00053 Native Drive Profile Actual 1 - Least Significant 16-bits00054 Native Drive Profile Actual 1 - Most Significant 16-bits00055 Native Drive Profile Actual 2 - Least Significant 16-bits00056 Native Drive Profile Actual 2 - Most Significant 16-bits00057 DATA IN 100058 DATA IN 2... ...

00068 DATA IN 12

Svaka modbus poruka, bilo poslana ili primljena, strukturno je identična. Prvi bajtje adresa slave uređaja, a drugi bajt je rezerviran za modbus naredbu koju treba izvršiti.Modbus naredba je broj, kodiran heksadecimalno, koji zadaje slave uređaju koju radnjuda izvrši nad podacima. U Tablici 3.3 prikazane su korištene funkcije odnosno modbusnaredbe.

Tablica 3.3: Korišteni funkcijski kodoviFunkcijski kod Specifikacija

0x03 Čitanje holding registra0x06 Postavljanje jednog registra0x10 Postavljanje više registara


U slučaju odabrane fukcije 0x03 u podatkovni dio poruke upisuje se adresa prvogregistra kojem želimo pristupiti te broj registara koje želimo pročitati. Kod funkcije0x06 upisuje se adresa prvog registra kojem želimo pristupiti, broj registara u koježelimo pisati te podaci odnosno vrijednosti registara. Za postavljanje više registarakoristi se funkcija 0x10 kod koje je u podatkovni dio poruke potrebno upisati adresuprvog registra kojem želimo pristupiti, broj registara u koje želimo pisati, broj bajtovapodataka koji se prenose te same podatke.

Kako bi upravljanje korištenjem Modbus RTU komunikacije bilo omogućeno po-trebno je promijeniti način rada iz Local control u Remote control. Za pomicanje pa-nela, osim upravljačke riječi potrebno je u odgovarajuće registre iz Tablice 3.2 unijetii vrijednosti prve i druge reference, odnosno u ovom slučaju željenu poziciju i brzinu.Postavke parametara pretvarača tijekom izrade rada zahtjevaju zadavanje željene pozi-cije u registre određene za prvu referencu, dok je u registre za drugu referencu dovoljnoupisati bilo koju vrijednost. Neovisno o vrijednosti reference brzine panel se uvijek po-miče brzinom zadanom tijekom parametriranja. Nije ustanovljeno zašto je za pomicanjepanela potrebno zadati i referencu brzine.

Korištene upravljačke riječi u eksperimentalnom dijelu rada prikazane su u Tablici3.4. Za pomicanje panela potrebno je osim referenci pozicije i brzine upisati i uprav-ljačku riječ pridruženu naredbi Kreni. Za zaustavljanje panela i rada motora upisujese naredba pridružena Zaustavi. Korištenjem naredbe Spreman, sustav prelazi u stanjepripravnosti odnosno upali se motor i čeka daljnje naredbe. U slučaju da ne želimostalno paliti i gasiti motor, već samo mijenjati referencu pozicije, koristimo preostaledvije naredbe. Deaktiviramo početak pozicioniranja, zadamo novu referencu i ponovoaktivirano početak pozicioniranja. Ovaj način rada koristan je kod pozicioniranja ukratkim vremenskim intervalima kada nije potrebno stalno gasiti motor, jer i to zah-tjeva određeno vrijeme.

Tablica 3.4: Upravljačke riječiNaredba Heksadecimalni zapis

Kreni 0x02680882Zaustavi 0x02680881Spreman 0x02680880

Aktivacija početka pozicioniranja 0x02680882Deaktivacija početka pozicioniranja 0x00680882

Poglavlje 4

Procjena potrošnje dvoosnogsustava pozicioniranja

Dvoosni sustavi pozicioniranja1 aktivne plohe fotonaponskog polja povećavaju pro-izvodnju za 20–30 %, dok jednoosni sustavi pozicioniranja povećavaju proizvodnju za15–20 % u odnosu na fiksno postavljena fotonaponska polja. Postoje razne izvedbedvoosnog sustava pozicioniranja, a u okviru razmatranog fotonaponskog sustava koristise sustav pozicioniranja s dvije osi rotacije pri čemu je jedna os rotacije vertikalna nahorizontalnu podlogu što omogućuje pozicioniranje u smjeru istok–zapad, dok je drugaos rotacije okomita na prvu os što omogućuje pozicioniranje u smjeru sjever–jug (vidiSliku 4.1). Razmatrani dvoosni sustav pozicioniranja ima sljedeći raspon dohvatljivihkuteva: (i) kut nagiba u smjer istok–zapad (γ): 0–220 ◦, (ii) kut nagiba u smjerusjever–jug (β): 0–75 ◦.

Kako bi mogli simulacijski odrediti iskoristivost strategije proračuna trajektorijepozicioniranja u zatvorenoj petlji potrebno je poznavati i model potrošnje dvoosnogsustava pozicioniranja. Potrošnja razmatranog dvoosnog sustava pozicioniranja odre-đena je mjerenjima u LARES-u. S obzirom da je mjerenje snage koju panel troši zapozicioniranje moguće izmjeriti u rezoluciji od 10 W obavljena je procjena. Prilikom po-micanja fotonaponskog polja za zadani broj stupnjeva, po zenitu i azimutu, zabilježenoje vrijeme potrebno da dođe do željene točke i na temelju procijenjene snage izračunataje utrošena energija. Dobivena krivulja potrošnje može se aproksimirati pravcima kaošto je prikazano na Slici 4.2.

1engl. Dual-axes positioning system

15

Poglavlje 4. Procjena potrošnje dvoosnog sustava pozicioniranja 16

Slika 4.1: Sustav dvoosnog pozicioniranja aktivne plohe fotonaponskog polja [2]

0 20 40 60 80 1000.0

0.5

1.0

1.5

Kut zakreta u smjeru S−J [°]

Potr

ošnj

a [W

h]

0 40 80 120 160 2000.0

1.0

2.0

3.0

4.0

Kut zakreta u smjeru I−Z [°]

Potr

ošnj

a [W

h]

Slika 4.2: Krivulje potrošnje dvoosnog sustava pozicioniranja

Poglavlje 5

Sunčeva energija

Isporučena električna energija fotonaponskog polja u najvećoj mjeri ovisi o upadnoj sun-čevoj dozračenosti na aktivnu plohu fotonaponskog polja. S obzirom da je sa senzoradostupna informacija samo o direktnoj (normalnoj), difuznoj (horizontalnoj), i reflek-tiranoj komponenti sunčeve dozračenosti, potrebno je postaviti model transformacijenavedenih komponenata sunčeve dozračenosti u ukupnu sunčevu dozračenost na nag-nutu plohu. U literaturi je poznat veliki broj razvijenih modela sunčeve dozračenostina nagnutu plohu [11,12], pri čemu se svi ti modeli uglavnom razlikuju u transformacijidirektne (horizontalne) komponente sunčeve dozračenosti. Kao jedan od najprecizni-jih modela za transformaciju difuzne (horizontalne) sunčeve dozračenosti pokazao seanizotropni Klucherov model [11,12].

5.1 Osnovni pojmovi

Za bolje razumijevanje rada slijede objašnjenja osnovnih pojmova koji se koriste.

1. Dozračenost je direktna, difuzna i reflektirajuća komponenta sunčeva zračenjakoje pada na površinu Zemlje, mjerena u jedinici Wm−2.

2. Direktna dozračenost je sunčevo zračenje koje pada direktno na Zemlju bez pret-hodnog sudaranja s atmosferskim komponentama.

3. Difuzna dozračenost je sunčevo zračenje primljeno na površini Zemlje indirek-tno kao rezultat raspršenja zbog oblaka, magle, prašine ili drugih atmosferskihkomponenti.

17

Poglavlje 5. Sunčeva energija 18

4. Zenitni kut je kut između pravca od interesa (npr. sunca) i pravca okomitog nahorizontalnu plohu (zenit).

5. Azimutni kut je kut između smjera juga i projekcije pravca Zemlja – sunce nahorizontalnu plohu. [13]

5.2 Model sunčeve dozračenosti na nagnutu plohu

Većina modela sunčeve dozračenosti na nagnutu plohu razlikuje se upravo u pretpos-tavci kakvu distribuciju na nebu ima difuzna komponenta sunčeve dozračenosti. Za-hvaljujući tome modele sunčeve dozračenosti možemo, u načelu, podijeliti na izotropnei anizitropne modele. Izotropni modeli su ujedno i najjednostavniji i najstariji mo-deli. Pretpostavljaju jednoliko raspoređeno difuzno zračenje neba odnosno raspršenjepo atmosferi neovisno o položaju sunca i jednoliko iz svih smjerova. Ipak u realnim si-tuacijama kutna raspodjela difuznog zračenja ovisi o položaju oblaka i sunca na nebu.Može se uočiti da je nebo svjetlije u blizini položaja sunca, kao i da je nebo neštosvjetlije na horizontu. Modeli koji se zasnivaju na ovim pretpostavkama nazivaju seanizotropni modeli difuzne dozračenosti i uzimaju u obzir različite faktore kao što supovećanje raspršenog zračenja na aerosolima1 i povećanje intenziteta na obzoru. Osimtoga, svi ovi modeli razlikuju se i u tipu mjerenih podataka koji se primjenjuju namodel. Pojedini modeli zahtijevaju samo podatke ukupne dozračenosti na horizontalnuplohu koje potom empirijskim metodama transformiraju u komponente direktne i di-fuzne sunčeve dozračenosti na nagnutu plohu. Takvi modeli razvijeni su za mjestakoja mjere isključivo horizontalnu dozračenost. Većina modela ipak zahtjeva baremdvije ili tri mjerene komponente ukupne sunčeve dozračenosti. Naime, u situacijamakada je poznata samo ukupna sunčeva dozračenost, točnost predviđanja dozračenostina nagnutu plohu značajno se smanjuje.

Ukupna sunčeva dozračenost na nagnutu plohu Gϕ može se izraziti kao kombinacijadirektne Bϕ, difuzneDϕ i reflektirane Rϕ komponente sunčeve dozračenosti na nagnutuplohu [14]:

Gϕ = Bϕ +Dϕ +Rϕ, (5.1)

gdje je ϕ vektor kuteva orijentacije aktivne plohe fotonaponskog polja ϕ = [β, γ].Transformacija direktne (normalne) Bn sunčeve dozračenosti može se izraziti preko

1Aerosoli su koloidno raspršene čvrste ili tekuće čestice u plinu, kao magla ili dim.


Zenit

Normala nahorizontalnupodlogu

Normala naaktivnu plohu

Z

J

S

Iγ

βθ

θz

Slika 5.1: Zenitni kut sunca θz, kut upada zrake sunca θ, kut nagnutosti β i kutokrenutosti γ aktivne plohe fotonaponskog polja [15]

jednostavne geometrijske relacije:

Bϕ = Bn cos θ, (5.2)

gdje je θ kut upada zrake sunca na aktivnu plohu, tj. kut između smjera sunca i smjeranormale na nagnutu plohu (vidi Sliku 5.1) [15]:

cos θ = cos θz cosβ + sin θz sin β cos(γs − γ

), (5.3)

gdje su θz i γs zenitni i azimutni kut sunca.Reflektirana sunčeva dozračenost može se transformirati prema sljedećem izrazu

[11]:

Rϕ = ρGh sin2 β

2 , (5.4a)

Gh = Bn cos θz +Dh, (5.4b)

gdje je ρ albedo, tj. faktor refleksije tla, a Gh ukupna sunčeva dozračenost na hori-zontalnu plohu.

Za transformaciju difuzne (horizontalne) Dh sunčeve dozračenosti postoje različitimodeli koji se djele na izotropne i anizotropne modele sunčeve dozračenosti. Svi modelitemeljeni su na pretpostavci:

Dϕ = DhRd, Rd ≥ 0. (5.5)


5.2.1 Izotropni modeli sunčeve dozračenosti

Liu–Jordan je jedan od najjednostavnijih modela. Početno razvijen za plohe usmje-rene prema jugu, a kasnije je prilagođen za proizvoljno orijentirane plohe (Liu–Jordan,Klein). Prema izotropnom modelu neba, difuzna dozračenost primljena na nagnutuplohu može se dobiti prema sljedećem izrazu:

Rd = 12(1 + cosβ). (5.6)

Model je jednostavan, ali kada su uvjeti rubni (položaj izravno prema istoku, zapaduili strme nagibe ploha), odstupanje može biti jako veliko, čak do 50 %. Pokazalo seda za uvjete oblačnog neba ovaj model daje zadovoljavajuće rezultate. Međutim, kakodifuzna dozračenost u prirodi nije izotropna, već je funkcija zenita i azimuta, zbog svojenepreciznosti ovaj model brzo je zamijenjen.

Korokanis je modificirao Liu–Jordanov model nakon što su znanstvenici preispi-tivali tezu izotropnosti neba i otkrili da je južni dio nebeskog svoda zaslužan za 63%ukupnog intenziteta difuzne dozračenosti. Na temelju tog otkrića, Korokanis je izveonovi model sunčeve dozračenosti:

Rd = 13(2 + cosβ). (5.7)

Badescu model je pseudo-izotropni model koji difuznu sunčevu dozračenost računaprema sljedećoj jednakosti:

Rd = 14(3 + cos 2β). (5.8)

5.2.2 Anizotropni modeli sunčeve dozračenosti

Willmot uvodi anizotropni redukcijski faktor nagnutosti površine Cϕ:

Rd = rbBn

S0+ Cϕ

S0 −Bn

S0, (5.9)

gdje je

Cϕ = 1.0115 − 0.20293β − 0.080823β2, (5.10a)

rb = cos θcos θz

. (5.10b)

S0 je sunčeva konstanta i iznosi 1367 Wm−2, a kut nagnutosti β je u radijanima.Bugler je modificirao izotropni model dodavanjem člana za difuznu dozračenost

koja dolazi od sunčeva diska te člana za dozračenost preostalog dijela neba koja ovisi o


kutnoj visini sunca iznad horizonta:

Rd = Rd,LJ + 0.05Bϕ

Dh(cos θ − Rd,LJ

cos θz), (5.11)

gdje je Rd,LJ Liu–Jordan izotropni model.Hay je opisao model preko jednakosti:

Rd = FHayrb + (1 − FHay)Rd,LJ , (5.12a)

FHay = Bn

Gext, (5.12b)

gdje je FHay faktor vedrosti neba, a Gext dodatna atmosferska sunčeva dozračenost.Model se pojednostavljuje korištenjem aproksimacije Gext = S0. Za FHay = 0 modelse svodi na Liu–Jordanov izotropni model.

Skartveit–Olseth model je modificirani Hayev model. Mjerenja sunčeve dozra-čenosti pokazuju da značajan dio difuzne sunčeve dozračenosti tijekom oblačnih danadolazi s područja oko zenita. Ovaj efekt nestaje čim prođe naoblaka. Uzimajući u obzirovaj efekt Skartveit–Olseth model opisan je relacijom:

Rd = FHayrb + Z cosβ + (1 − FHay − Z)Rd,LJ , (5.13)

gdje je Z Skartveit–Olseth korekcijski faktor definiran kao:

Z = max(0, 0.3 − 2FHay). (5.14)

Za FHay ≥ 0.15 Skartveit–Olseth model se svodi na Hayev model.Temps–Coulson (clear-sky) model pripada drugoj generaciji modela sunčeve doz-

račenosti. Koristi mjerenja tijekom vedrog dana kako bi se prikazala anizotropna pri-roda difuzne dozračenosti. Modificirao je Liu–Jordan izotropni model uvodeći dva članaP1 i P2:

Rd = Rd,LJP1P2, (5.15)

gdje je P1 procjena difuzne dozračenost koja dolazi iz okolice sunčevog diska, a P2

dozračenosti neba iz područja u blizini horizonta.

P1 = 1 + cos2 θ sin3 θz, (5.16a)

P2 = 1 + sin3 β

2 . (5.16b)

Klucher je proširio rad Tempsa i Coulsona razvijajući anizotropni model za sveuvjete neba. Koristio je mjerenja na nagnutu plohu prema ekvatoru za New York u


satnoj rezoluciji za šest mjeseci. Došao je do zaključka da je Temps–Coulsonov modeltočan za vedre, a Liu–Jordanov za oblačne dane, te ih je ujedinio pomoću sljedećejednakosti:

Rd = Rd,LJ [1 + fK cos2 θ sin3 θz

][1 + fK sin3 β

2], (5.17)

gdje je fK Klucherov modulacijski koeficijent definiran kao:

fK = 1 − Dh

Gh. (5.18)

U literaturi [11, 12] se nakon analize svih navedenih modela transformacije kaojedan od najpreciznijih pokazao anizotropni Klucherov model pa se iz istih razlogakoristio u ovome radu za provođenje analize iskoristivosti strategije proračuna optimalnetajektorije u zatvorenoj petlji. Uz poznate komponente sunčeve dozračenosti – direktna(normalna), difuzna (horizontalna) i reflektirana – koje su dostupne u meteorološkojstanici u LARES-u, te uz poznat položaj sunca na nebu preko zenitnog i azimutnogkuta, moguće je odrediti orijentaciju aktivne plohe, tj. kuteve β i γ, u kojoj je upadnasunčeva dozračenost na aktivnu plohu fotonaponskog polja najveća.

5.3 Model proizvodnje električne energije

Identifikacija modela prizvodnje električne energije u sklopu rada nije provedena već jemodel preuzet od autora u [10]. Autori su koristili jednak fotonaponski sustav, napraviliidentifikaciju i potvrdili ju provođenjem eksperimenata u LARES-u. U ovom poglavljuje u kratkim crtama opisan postupak kojim su spomenuti autori došli do statičke mapekorištene u sklopu rada za izračun izlazne snage fotonaponskog polja.

Statička strujno–naponska (I–V ) karakteristika fotonaponskog polja slična je ka-rakteristici idealne diode. Nadomjesni električni krug fotonaponskog polja prikazan jena Slici 5.2. Jednadžba ravnoteže za prikazani nadomjesni električni krug je [10]:

I = Iph − I0

[exp

(V + IRs

aVt

)− 1

]− V + IRs

Rsh, (5.19)

gdje su I i V struja i napon fotonaponskog polja, Iph i I0 su foto-struja i reverzna strujazasićenja diode, Rs i Rsh su ekvivalentni serijski i paralelni otpori, Vt je termalni naponfotonaponskog polja, i a je faktor idealnosti diode.


Slika 5.2: Nadomjesni električni krug fotonaponskog polja [10]

U jednadžbi (5.19) postoji 5 parametara koji obično nisu dani u tehničkim specifika-cijama fotonaponskog polja: Iph, I0, Rs, Rsh i a. Ovi parametri lako se mogu odrediti izmjerenja u 3 karakteristične točke koje su obično dane u tehničkim specifikacijama (vidiu Tablici 2.1). Karakteristične točke su: (i) struja kratkog spoja, (ii) napon praznoghoda, te (iii) struja i napon u točki maksimalne snage. Navedene karakteristične točkeobično su dane za STC, pa će s obzirom na to proračunati parametri također vrijeditisamo za STC. Bitno je napomenuti da se ekvivalentni serijski i paralelni otpor Rs i Rsh,te faktor idealnosti a ne mijenjaju značajno s upadnom dozračenošću i temperaturompolja.

Foto-struja Iph za određenu upadnu dozračenosti G i temperaturu fotonaponskogpolja T definirana je sljedećim izrazom:

Iph

Iph,stc= G

Gstc(1 +KI∆T ), ∆T = T − Tstc, (5.20)

gdje su Gstc i Tstc upadna dozračenost i temperatura za STC (obično 1000 W/m2 i25 ◦C), Iph,stc je foto-struja dobivena iz karakterističnih točaka iz tehničkih specifikacija,a KI je strujni koeficijent obično dostupan u tehničkim specifikacijama.

Reverzna struja zasićenja diode I0 definira se kao:

I0I0,stc

=[ TTstc

]3exp

[ qak

(Eg,stc

Tstc− Eg

T

)], (5.21)

gdje su q i k elementarni naboj i Stefan-Boltzmannova konstanta, I0,stc je reverznastruja zasićenja diode dobivena iz karakterističnih točaka iz tehničkih specifikacija, aEg je širina zabranjenog pojasa poluvodiča.

Na temelju identificiranog modela napravljena je statička mapa preslikavanja upadnesunčeve dozračenosti G i temperature polja T u izlaznu snagu fotonaponskog polja P ,uz pretpostavku da je na izlazu iz fotonaponskog polja pretvarač s ugrađenim MPPT2

algoritmom. Graf koji prikazuje maksimalnu moguću snagu fotonaponskog polja u2engl. Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithm


ovisnosti o upadnoj sunčevoj dozračenosti i temperaturi polja prikazan je na Slici 5.3.Može se uočiti kako snaga fotonaponskog polja raste s upadnom dozračenošću, odnosnopada s temperaturom fotonaponskog polja. Ovako dobiveno preslikavanje P = f(G,T )korišteno je za proračun izlazne snage fotonaponskog polja.

0 250 500 750 1000 1250 1500

−40−20

020

4060

800

600

1200

1800

2400

3000

Dozračenost [W/m2]Temperatura [°C]

Mak

sim

alna

sna

ga [W

]

Slika 5.3: Statička mapa maksimalne snage fotonaponskog polja [10]

Poglavlje 6

Optimalno pozicioniranje aktivneplohe fotonaponskog polja

Proizvodnja fotonaponskog sustava u najvećoj mjeri ovisi o upadnoj sunčevoj dozrače-nosti na aktivnu plohu fotonaponskog polja, pri čemu upadna sunčeva dozračenost osimo meteorološkim uvjetima ovisi i o orijentaciji aktivne plohe fotonaponskog polja. Pro-račun trajektorije pozicioniranja aktivne plohe fotonaponskog polja može se realiziratiu otvorenoj ili zatvorenoj petlji. Sustav u zatvorenoj petlji koristi foto–osjetljive sen-zore za određivanje orijentacije panela u kojoj je upadna sunčeva dozračenost najveća.Loša strana ovakve strategije upravljanja je što za promjenjivog vremena fotonaponskisustav može potrošiti više energije za pozicioniranje nego što efektivno može dobiti utočki najveće upadne sunčeve dozračenosti. Sustav u otvorenoj petlji zahtjeva unapri-jed definiranu trajektoriju pozicioniranja zasnovanu na vremenskoj prognozi, koja seosvježava jednom ili nekoliko puta na dan. Nastoji se pratiti položaj sunca tijekomdana čime se ostvaruje maksimalno iskorištenje direktne komponente sunčeve dozrače-nosti. Mnogi komercijalni sustavi rade na principu strategije praćenja sunca tijekomdana u otvorenoj petlji, pri čemu je aktivna ploha fotonaponskog polja uvijek okomitana smjer sunca [1]. Korištenjem ovakvih sustava proizvodnja se povećava za 20-30 %u odnosu na fiksno postavljena fotonaponska polja. Međutim, za potpuno oblačnihdana optimalan položaj aktivne plohe bio bi paralelan s horizontalnom podlogom, pričemu nema potrebe za dodatnim pozicioniranjem tijekom dana s obzirom da je di-fuzna komponenta sunčeve dozračenosti dominantna i pada vertikalno na panel [4]. Uovome poglavlju je osvrt na već postojeće algoritme zasnovane na strategiji maksimiza-cije proizvodnje električne energije te opis strategije proračuna optimalne trajektorijeu zatvorenoj petlji.

25

Poglavlje 6. Optimalno pozicioniranje aktivne plohe fotonaponskog polja 26

6.1 Optimalni sustavi pozicioniranja

Postoje razni koncepti optimalnih sustava pozicioniranja kojima je glavna zadaća pove-ćanje sunčeve dozračenosti. Ukupna dozračenost koja pada na površinu fotonaponskogpolja u obliku direktne i difuzne komponente može se učiniti većom korištenjem sus-tava za upravljanje nagibom panela. Upravo na taj način tijekom oblačnih dana kadaje dominantna difuzna dozračenost optimalan položaj panela bio bi paralelan s horizon-talnom podlogom. Kod vedrih dana dominantnija je direktna dozračenost i optimalanpoložaj panela bio bi usmjeren direktno prema suncu. U slučaju kada niti jedna odkomponenti sunčeve dozračenosti nije dominantno izražena, potrebno je pronaći op-timalan plan nagiba fotonaponskog panela koji će maksimizirati upadnu dozračenost,odnosno proizvodnju električne energije.

Konvencionalni algoritmi za pozicioniranje fotonaponskih polja zasnovani su na stra-tegiji praćenja sunca tijekom dana u otvorenoj petlji preko zenitnog i azimutnog kutasunca tako da je aktivna ploha fotonaponskog polja uvijek okomita na smjer sunca.Ukupna sunčeva dozračenost sastoji se od direktne i difuzne komponente, a tijekomsunčanih dana udio direktne dozračenosti iznosi oko 90%, dok je za vrijeme oblačnihdana gotovo sva dozračenost difuzna i raspršena cijelim nebom. Korištenjem te činje-nice moguć je daljni napredak pa iz istog razloga poboljšani algoritmi rade na principupozicioniranja panela u horizontalu za vrijeme oblačnih dana kako bi se prikupilo štoviše difuznog zračenja koje pada vertikalno na panel.

Autori u [16] predložili su strategiju maksimizacije dozračenosti na aktivnu plohufotonaponskog panela u zatvorenoj petlji. Zbog učestalih promjena položaja panela ovajsustav može potrošiti više energije nego što proizvede, što se događa uslijed promjenji-vog vremena. Komercijali sustavi najčešće koriste već spomenuti sustav upravljanja uotvorenoj petlji. Velika većina razvijenih sustava upravljanja u otvorenoj petlji zasno-vana je na pretpostavci da je nebo vedro [17,18]. Autori u [2,3] predstavili su napredansustav upravljanja u otvorenoj petlji korištenjem modelskog prediktivnog upravljanja sciljem maksimiziranja proizvodnje energije fotonaponskog polja. Zbog jednostavnostikorištenog prediktivnog modela sunčeve dozračenosti, predložena metoda namijenjenaje uvjetima vedrog neba u determinističkom okruženju. Pretpostavka o vedrom nebuprikladna je za podneblja s velikim brojem sunčanih sati, ali je za daljnji napredakpotrebno uzeti u obzir sve vremenske uvjete. Autori u [4] opisali su način upravljanjagdje tijekom vedrog vremena panel prati sunce, s obzirom da je direktna dozračenostdominantna, a tijekom oblačnog vremena panel se pozicionira horizontalno, budući da


je difuzno zračenje raspršeno cijelim nebom. Iako je predložena metoda pokazala dobrerezultate ne postoji jasan algoritam razlike između vedrog i oblačnog vremena. Autoru [13] proveo je optimizaciju trajektorije gibanja fotonaponskog panela uz predikcijusunčeve dozračenosti na predikcijskom horizontu od jednog dana unaprijed u stohas-tičkom okruženju. Simulacijski je pokazano kako se razvijenim algoritmom upravljanjanagibom fotonaponskog panela može dobiti i do 30% više električne energije u odnosuna slučaj kada je fotonaponski panel fiksiran.

Svi navedeni algoritmi osmišljeni su s ciljem povećanja efikasnost iskorištavanjaenergije sunčeve dozračenosti korištenjem dvoosnog sustava pozicioniranja. Iako seefikasnost povećala treba uvijek uzeti u obzir cijenu opreme, odnosno svih senzora kojisu potrebni, cjelokupne opreme, a na posljetku i količinu potrošene energije uslijedprečestog pomicanja panela.

6.2 Strategija proračuna optimalne trajektorije u zatvo-renoj petlji

U sklopu rada razvijen je algoritam za proračun optimalne orijentacije fotonaponskogpolja u zatvorenoj petlji u svim vremenskim prilikama. Pri tome su zbog jednostavnostiuvedene sljedeće pretpostavke: (i) temperatura panela jednaka je temperaturi zraka,(ii) na izlazu iz fotonaponskog polja nalazi se pretvarač s implementiranim MPPT al-goritmom. Podatci o direktnoj (normalnoj), difuznoj (horizontalnoj) i reflektiranojkomponenti sunčeve dozračenosti, te podatci o zenitnom i azimutnom kutu sunca dos-tupni su u sekundnoj rezoluciji.

Kako bi rezultati simulacija bili što vjerodostojniji u proračun su uvedena sva ogra-ničenja stvarnog sustava. Algoritam se sastoji od nekoliko koraka: (i) zadovoljavanjeuvjeta β < 70◦, (ii) usrednjavanje mjerenih podataka očitanih u prethodnih 10 minuta,(iii) proračun optimalne orijentacije panela s ciljem maksimizacije ukupne sunčeve doz-račenosti, (iv) početak pozicioniranja. Nakon što je proračunata orijentacija panelai završeno pozicioniranje, fotonaponsko polje sljedećih 10 minuta miruje i prikupljajuse pristižući podatci. Izvođenje algoritma u stvarnom sustavu bi se ciklički ponavljalosvakih 10 minuta.


Proračun optimalne orijentacije panelaNumeričkim algoritmom optimizacije nastojala se maksimizirati ukupna sunčeva doz-račenost na nagnutu plohu, opisana izrazima (5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.17, 5.18) kaofunkcija kuta nagnutosti β i kuta okrenutosti γ aktivne plohe fotonaponskog polja. Uovom radu za proračun maksimuma funkcije Gϕ korištena je funkcija fmincon koja seupotrebljava za minimizaciju nelinearnih višedimenzionalnih problema uz ograničenjatipa linearnih i nelinearnih jednadžbi odnosno nejednadžbi i fiksnih limita na optimiranivektor. Oblik naredbe fmincon koji se najčešće koristi prilikom nelinearne optimizacijefunkcija s ograničenjima je:

fmincon(f, x0, A,B,Aeq, Beq, LB,UB),

gdje je:f - funkcija koja se optimizira (u ovom slučaju Gϕ);x0 - vektor početnih vrijednosti;A,B - matrice koje definiraju ograničenja tipa Ax 6 B;Aeq, Beq - matrice koje definiraju ograničenja tipa Aeqx = Beq;LB,UB - vektori koji definiraju donju i gornju granicu varijabli.

U slučaju da ne postoje neka od ograničenja (tipa nejednakosti ili jednakosti), ili kadagornja ili donja granica nije definirana, umjesto odgovarajuće matrice (vektora) koristise prazan skup. Potrebno je napomenuti da fmincon traži minimum funkcije te jeza dobivanje maksimuma potrebno tražiti min(−Gϕ). U sklopu rada nisu korištenaograničenja linearnih i nelinearnih jednadžbi odnosno nejednadžbi, pa su prilikom po-ziva naredbe umjesto matrica A,B,Aeq, Beq postavljeni prazni skupovi. Vektori kojidefiniraju ograničenja LB,UB postavljeni su na temelju stvarnih ograničenja kutevaβ i γ u korištenom sustavu. Kao vektor početnih vrijednosti x0 postavljeni su zenitnii azimutni kut sunca, odnosno njihova usrednjena vrijednost u prethodnih 10 minuta.Također je bitno napomenuti da se u proračunu za poznate mjerene podatke koristenjihove usrednjene vrijednosti očitane u prethodnih 10 minuta.

Regulacija brzine vrtnje motora i položaja aktivne plohe fotonaponskog po-ljaNa temelju podataka prikupljenih tijekom procjene potrošnje dvoosnog sustava pozi-cioniranja u simulaciju je uvedeno pomicanje fotonaponskog polja do željene pozicijesukladno stvarnom sustavu. Korištenjem regulacijskog kruga sa Slike 6.1 ostvareni suodzivi brzine vrtnje motora i položaja aktivne plohe fotonaponskog polja prikazani na


Slici 6.2. Parametri regulacijskog kruga podešeni su na temelju dostupnih podatakaprikupljenih tijekom procjene potrošnje dvoosnog sustava pozicioniranja.

Slika 6.1: Regulacija brzine vrtnje motora i položaja aktivne plohe fotonaponskog polja

Slika 6.2: Karakteristika brzine vrtnje motora i položaja aktivne plohe fotonaponskogpolja uslijed pozicioniranja

Poglavlje 7

Rezultati simulacija

U ovom dijelu rada prikazana je simulacijska analiza iskoristivosti strategije proračunaoptimalne trajektorije u zatvorenoj petlji u usporedbi sa strategijom proračuna u otvo-renoj petlji preko praćenja pozicije sunca. Kod praćenja pozicije sunca fotonaponskopolje se repozicionira svakih 5 minuta. Trajektorije su testirane na mjerenjima pri-kupljenima u meteorološkoj stanici u LARES-u u periodu od 5. do 25. veljače 2014.godine.

Za promatranje dobivenih optimalnih trajektorija i komponenta sunčeve dozrače-nosti uzeta su 3 karakteristična dana: (i) vedro, (ii) djelomično oblačno, i (iii) potpunooblačno nebo. Dobivene trajektorije gibanja fotonaponskog panela odnosno proraču-nate upadne dozračenosti i temperature panela u pripadajućim trenucima evaluiranesu kroz model proizvodnje panela. Iz dobivene snage, kao izlaza spomenutog modela,izračunata je električna energija koju panel proizvede.

E =∫Pdt (7.1)

Kako se dio električne energije gubi i na repozicioniranje aktivne plohe fotonapon-skog polja potrebno je oduzeti pogonsku potrošnju sustava na kraju dana, odnosno:

Euk = Epv − Ec (7.2)

gdje je Epv električna energija koju panel proizvede na kraju dana, a Ec ukupna potroš-nja pogonskog sustava na kraju dana određena sukladno karakteristikama prikazanimna Slici 4.2.

30

Poglavlje 7. Rezultati simulacija 31

Slika 7.1: Optimalna trajektorija i komponente sunčeve dozračenosti za oblačan karak-terističan dan

Tablica 7.1: Vrijednosti za karakterističan oblačan dan – 22.2.2014.Euk [Wh] Gϕ [Wh/m2]

Praćenje sunca 223.8396 191.6162Maksimizacija dozračenosti 301.7392 241.7912

Kod oblačnog dana (vidi Sliku 7.1) difuzna komponenta sunčeve dozračenosti domi-nantnija je od direktne što rezultira da trajektorija gibanja fotonaponskog polja nastojišto manje mijenjati nagnutost aktivne plohe. Panel je gotovo cijeli dan pozicioniran naβ ≈ 0◦ kako bi prikupio što više difuznog zračenja koje pada vertikalno na panel. Odnosnetto proizvedene energije i ukupne dozračenosti za promatrane trajektorije nalazi se uTablici 7.1. Kod oblačnog dana isplativije je fotonaponsko polje pozicionirati sukladno


optimalnoj trajektoriji.

Slika 7.2: Optimalna trajektorija i komponente sunčeve dozračenosti za vedar karakte-rističan dan

Tablica 7.2: Vrijednosti za karakterističan vedar dan – 16.2.2014.Euk [kWh] Gϕ [kWh/m2]


Vedar karakterističan dan daje djelomično suprotne rezultate. Aktivna ploha foto-naponskog polja prati sunce po zenitnom i azimutnom kutu (vidi Sliku 7.2) kako bi seiskoristilo čim više dostupne direktne komponente sunčeve dozračenosti. Gledano sastajališta netto proizvedene energije za vrijeme vedrog dana trajektorija praćenja suncadaje bolje rezultate, što je i očekivano s obzirom da se u tom slučaju panel repozicionira


svakih 5 minuta.Trajektorije za djelomično oblačan dan (vidi Sliku 7.3) kombinacija su prethodno

spomenutih trajektorija za vedar i potpuno oblačan dan. Do 11:15h difuzna je kompo-nenta sunčeve dozračenosti dominantnija te tada dolazi do promjene što se jasno moževidjeli i iz ponašanja kuta β. Na početku dana zbog dominantnosti difuzne kompo-nente kut nagnutosti plohe β nalazi se oko nule kako bi panel prikupio više difuznogzračenja budući da ono pada vertikalno na panel. Rastom direktne komponente kut βraste kako bi prikupio direktno zračenje i pratio trajektoriju sunca. Kao što se i možeprimjetiti promjena dominacije direktne ili difuzne komponente nema utjecaja na pro-mjenu azimutnog kuta nagnute plohe γ. Netto proizvodnja energije je očekivano većakod optimalne trajektorije jer se fotonaponsko polje pozicionira sukladno dominacijiodređene komponente sunčeve dozračenosti.

Tablica 7.3: Vrijednosti za karakterističan djelomično oblačan dan – 6.2.2014.Euk [kWh] Gϕ [kWh/m2]


Iz prikazanih rezultata može se uočiti kako aktivna ploha fotonaponskog polja mi-ruje na niskim vrijednostima kutova nagiba po β za vrijeme dominantne difuzne kom-ponente sunčeve dozračenosti, odnosno prati sunce po zenitnom kutu za vrijeme do-minantne direktne komponente sunčeve dozračenosti. Također, može se uočiti kakoaktivna ploha fotonaponskog polja prati sunce po azimutnom kutu bez obzira na tokoja je komponenta sunčeve dozračenosti dominantna, što je posljedica pretpostavkeanizotropne distribucije difuzne komponente sunčeve dozračenosti.

Tablica 7.4: Ukupne vrijednosti za 21 danEuk [kWh] Gϕ [kWh/m2]



Slika 7.3: Optimalna trajektorija i komponente sunčeve dozračenosti za djelomičnooblačan karakterističan dan

Na uzorku od 21 dana za koje postoje mjerenja sunčeve dozračenosti, optimalnatrajektorija daje povećanje proizvodnje električne energije od 4,26 % u odnosu na stra-tegiju praćenja sunca tijekom dana. Bitno je istaknuti kako dobiveni rezultati znatnoovise o samoj potrošnji sustava za pozicioniranje aktivne plohe fotonaponskog polja.Za dodatnu potvrdu dobivenih rezultata potrebno je provesti eksperimentalnu provjerusimulacijski dobivenih rezultata u raznim uvjetima rada (npr. za vrijeme vjetrovitogdana potrošnja pogonskog sustava je nešto veća).

Poglavlje 8

Zaključak

U ovom radu napravljena je usporedba odnosa ukupne iskoristivosti fotonaponskogsustava dviju strategija, upravljanja orijentacijom u zatvorenoj petlji i upravljanja uotvorenoj petlji praćenjem pozicije sunca po zenitnom i azimutnom kutu. Da bi simu-lacijski mogli odrediti iskoristivost navedenih strategija potrebno je poznavati i modelpotrošnje sustava pozicioniranja. U tu je svrhu mjerenjima u LARES-u napravljenaprocjena potrošnje razmatranog dvoosnog sustava pozicioniranja. Postavljen je mo-del transformacije komponenata sunčeve dozračenosti u ukupnu sunčevu dozračenostna nagnutu plohu koji se koristio za proračun optimalne trajektorije. Optimalna tra-jektorija za pozicioniranje fotonaponskog polja temelji se na maksimiziranju sunčevedozračenosti na aktivnu plohu, a samim time i maksimiziranju proizvodnje električneenergije.

Pokazano je da optimalna trajektorija daje povećanje proizvodnje električne energijeod 4,26 % u odnosu na strategiju praćenja sunca tijekom dana. Iz rezultata se moguuočiti i pravilnosti prema kojima se generira optimalna trajektorija. Kod dominacijedifuzne komponente sunčeve dozračenosti panel je oko horizontale, a kod dominacijedirektne prati trajektoriju sunca. Također, aktivna ploha fotonaponskog polja pratisunce po azimutnom kutu bez obzira na to koja je komponenta sunčeve dozračenostidominantna.

Prikazane rezultate potrebno je eksperimentalno provjeriti. U proračun trajektorijemoguće je uvesti i utjecaj vjetra. Na taj način bi se spriječila mogućnost oštećenjasustava u naletima vjetra pri neprikladno pozicioniranom sustavu.

35

Literatura

[1] M. Gulin, M. Vašak, and N. Perić, “Dynamical optimal positioning of a photo-voltaic panel in all weather conditions,” Applied Energy, vol. 108, pp. 429–438,2013.

[2] S. Seme, G. Štumberger, and J. Voršič, “Maximum Efficiency Trajectories of aTwo-Axis Sun Tracking System Determined Considering Tracking System Con-sumption,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 26, no. 4, pp. 1280–1290,2011.

[3] S. Seme and G. Štumberger, “A novel prediction algorithm for solar angles usingsolar radiation and Differential Evolution for dual-axis sun tracking purposes,”Solar Energy, vol. 85, no. 11, pp. 2757–2770, 2011.

[4] N. A. Kelly and T. L. Gibson, “Improved photovoltaic energy output for cloudyconditions with a solar tracking system,” Solar Energy, vol. 83, no. 11, pp. 2092–2102, 2009.

[5] P. Wang, “Optimal PV panel tilt angle based on solar radiation prediction,” inIEEE Proceedings of the 11th International Conference on Probabilistic MethodsApplied to Power Systems, Singapore, pp. 425–430.

[6] H. Mousazadeh, A. Keyhani, A. Javadi, H. Mobli, K. Abrinia, and A. Sharifi,“A review of principle and sun-tracking methods for maximizing solar systemsoutput,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 13, no. 8, pp. 1800–1818,2009.

36

Literatura 37

[7] A. K. Yadav and S. S. Chandel, “Tilt angle optimization to maximize incidentsolar radiation: A review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 23,pp. 503–513, 2013.

[8] Y. S. Khoo, T. Reindl, and A. G. Aberle, “Optimal Orientation and Tilt Angle forMaximizing in-Plane Solar Irradiation for PV Applications in Singapore,” IEEEJournal of Photovoltaics, vol. 4, no. 2, pp. 647–653, 2014.

[9] M. Gulin, M. Vašak, and T. Pavlović, “Dynamical Behaviour Analysis of a DC Mi-crogrid in Distributed and Centralized Voltage Control Configurations,” in IEEEInternational Symposium on Industrial Electronics (ISIE), Istanbul, Turska, 2014.

[10] ——, “Model Identification of a Photovoltaic System for a DC Microgrid Simu-lation,” in Proceedings of the 16th International Power Electronics and MotionControl Conference and Exposition (PEMC), Antalija, Turska, 2014.

[11] M. Gulin, M. Vašak, and M. Baotić, “Estimation of the global solar irradiance ontilted surfaces,” in CD-ROM Proceedings of the 17th International Conference onElectrical Drives and Power Electronics (EDPE), Dubrovnik, Hrvatska, 2013, pp.334–339.

[12] C. Demain, M. Journée, and C. Bertrand, “Evaluation of different models to esti-mate the global solar radiation on inclined surfaces,” Renewable Energy, vol. 50,pp. 710–721, February 2013.

[13] M. Gulin, “Dinamičko optimalno pozicioniranje aktivne plohe fotonaponskog pa-nela,” Master’s thesis, Sveučilište u Zagrebu Fakultet elektrotehnike i računarstva,Zagreb, Hrvatska, 2011.

[14] T. M. Klucher, “Evaluation of models to predict insolation on tilted surfaces,”Solar Energy, vol. 23, no. 2, pp. 111–114, 1979.

[15] J. Twidell and T. Weir, Renewable Energy Resources, 2nd ed. Taylor & Francis,2006.

[16] K. S. Karimov, M. A. Saqib, P. Akhter, M. M. Ahmed, J. A. Chattha, and S. A.Yousafzai, “A simple photo-voltaic tracking system,” Sol Energy Mater Solar Cells2005, vol. 87, no. 1, pp. 49–59.

Literatura 38

[17] R. Ranganathan, W. Mikhael, N. Kutkut, and I. Batarseh, “Adaptive sun trac-king algorithm for incident energy maximization and efficiencyimprovement of PVpanels,” Renew Energy 2011, vol. 36, no. 10, pp. 2623–6.

[18] H. Mousazadeh, A. Keyhani, A. Javadi, H. Mobli, K. Abrinia, and A. Sharifi,“A review of principle and sun-tracking methods for maximizing solar systemsoutput,” Renew Sustain Energy Rev 2009, vol. 13, no. 8, pp. 1800–18.

Sažetak

Naslov: Optimalno pozicioniranje aktivne plohe fotonaponskog panela u svim vre-menskim uvjetima

Autor: Valentina Mehkek

Postoje mnogi oblici obnovljivih izvora energije. Većina tih izvora ovisi o suncu.Sustavima za praćenje sunca možemo direktno utjecati na ukupnu sunčevu dozrače-nost, koja u obliku direktne i difuzne komponente pada na fotonaponsko polje. Opti-malne trajektorije za nagnutost i okrenutost panela, a samim time i orijentacija panelaprvenstveno ovise o sunčevoj dozračenosti. Dodatno poboljšanje sustava ostvarivo jekorištenjem dvoosnih sustava pozicioniranja, kod kojih je panel okrenut prema suncui povećava proizvodnju za 20–30% u odnosu na fiksno postavljena fotonaponska polja.Cilj ovog rada je razviti i provjeriti optimalno pozicioniranje aktivne plohe fotonapon-skog polja s ciljem maksimizacije upadne sunčeve dozračenosti. Rezultati su pokazalida tijekom vedrog vremena fotonaponsko polje prati sunce, a tijekom oblačnog vremenase pozicionira u horizontalu. Predstavljeni rezultati provjereni su simulacijski te je nauzorku od 21 dan provedenih mjerenja sunčeve dozračenosti dizajnirani algoritam us-poređen s praćenjem sunca u otvorenoj petlji. Utvrđeno je povećanje netto proizvodnjeu iznosu većem od 4 % upotrebom novo dizajniranog algoritma u odnosu na praćenjesunca.

Ključne riječi: Solarni sustavi, Dvoosno pozicioniranje panela, Sunčeva dozračenost,Optimalno pozicioniranje, Maksimizacija dozračenosti, Potrošnja dvoosnog sustava po-zicioniranja

39

Abstract

Title: Optimal Positioning of the Active Surface of a Photovoltaic Panel in allWeather Conditions

Author: Valentina Mehkek

There are many forms of renewable energy. Most of these renewable energies dependon sunlight. The total solar radiation that reaches the surface of the photovoltaic panelin the form of direct and diffuse radiation, can be influenced by a proper control ofthe sun–tracking system. The optimal trajectories for the tilt and azimuth angle andtherefore orientation of the panel depend on the available solar radiation. Furtherimprovement of the system is achievable by using dual-axis tracking in which solarmodule is pointed at the sun and improves the overall capture of solar energy by 20-30 % versus modules with a fixed tilt. The aim of this thesis is to develop and verifyoptimal positioning of the active surface of the photovoltaic array in order to maximizeits incident solar irradiance. The results showed that during cloud–free periods a solararray would track the sun, but go to horizontal configuration when the sky becomesovercast. Presented results are verified by simulations. The algorithm derived withinthis thesis is compared with the sun tracking in an open loop on samples of 21 daysconducted measurements. An increase in net production of more than 4 % is obtainedusing the newly designed algorithm in relation to the sun tracking.

Keywords: Solar energy system, Photovoltaic system with dual-axes positioning, Solarradiation, Optimal positioning, Irradiation maximization, Tracking system consump-tion

40

Životopis

Rođena sam 28. srpnja 1990. godine u Koprivnici. Godine 2009. završila samPrirodoslovno–matematičku gimnaziju Fran Galović u Koprivnici. Te iste godine upi-sala sam Fakultet elektrotehnike i računarstva u Zagrebu. Na drugoj godini studijaodlučila sam se za smjer Elektrotehnika i informacijska tehnologija dok sam na trećojgodini studija odabrala modul Automatika. Kao redovan student, završila sam preddi-plomski studij završnim radom na temu Optimiranje ulazno-izlaznih energetskih tokovazgrade i susjedstva u stohastičkom okruženju. Godine 2014. zajedno s još dvoje kolegaprijavila sam se za Rektorovu nagradu s radom na temu Optimalno upravljanje fotona-ponskim sustavom. Aktivna sam članica studentske udruge EESTEC1 te sam od 2012.godine članica udruge Hrvatska Mensa.

1engl. Electrical Engineering STudents European assoCiation

41

Documents

DIPLOMSKI RAD br. 939 · 2014. 7. 16. · za 20–30 % u odnosu na ﬁksno postavljena fotonaponska polja. Također u [1–8] ... potrebno imati sustav za automatsko praćenje sunca