MISKOLCI EGYETEM

(1)

MISKOLCI EGYETEM

GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR

TUDOMÁNYOS DIÁKKÖRI DOLGOZAT

N APKÖVETŐ NAPELEM , INTENZITÁSMÉRŐ ADATRÖGZÍTÉSSEL

K^ÉSZÍTETTE: Boros Rafael Ruben

VILLAMOSMÉRNÖK HALLGATÓ

KONZULENS:

Dr. Bodnár István PhD

egyetemi adjunktus Elektrotechnikai és Elektronikai Intézet

Miskolc, 2017

(2)

TARTALOMJEGYZÉK 2

Tartalomjegyzék

TARTALOMJEGYZÉK ... 2

1. BEVEZETÉS ... 3

2. A NAP, NAPELEM, ALKALMAZÁSAI ... 5

2.1. NAP, MINT ENERGIAFORRÁS……….……... 5

2.2. A NAPELEM MŰKÖDÉSE……….……… 6

2.3. OTTHONI NAPELEMES RENDSZEREK, NAPKÖVETŐ NAPELEM ELŐNYEI……….……… 8

3. HARDVERES KIVITELEZÉSEK ... 12

3.1. A LÉPTETŐMOTOR VEZÉRLÉSE………...….…… 12

3.2. MIKROVEZÉRLŐ, ARDUINO……….…...… 16

3.3. ULN2003A TRANZISZTORMEZŐ……….…… 18

3.4. ÁRAMMÉRÉS INA219 INTEGRÁLT ÁRAMKÖRREL……….….…… 19

3.5. FÉNYÉRZÉKELÉS FOTOELLENÁLLÁSSAL……….…… 21

3.6. 18650 LI-ION AKKUMULÁTOR, DC/DC BOOST KONVERTER……..…...….24

4. FÉNYINTENZITÁSMÉRÉS, ADATKIÉRTÉKELÉS ... 25

4.1. FÉNYINTENZITÁSMÉRÉS……….… 25

4.2. ADATRÖGZÍTÉS MEMÓRIAKÁRTYÁRA, ADATOK KIÉRTÉKELÉSE….. 26

BEFEJEZÉS ... 28

IRODALOMJEGYZÉK ... 30

MELLÉKLETEK………31

(3)

BEVEZETÉS 3

1. Bevezetés

Napjainkban nélkülözhetetlen a villamos energia, melyből egyre többet fogyasztunk világszerte. A megnövekedett fogyasztásnak köszönhetően nő a légkörben a károsanyag kibocsájtás. A villamos energia nagymértékű előállítása erőművekben történik, ahol általában az energiahordozó fosszilis anyag, vagy az atomerőművekben uránium. Az ilyen erőművek telepítésével továbbra fog nőni a szén-dioxid mennyisége a levegőben, és további környezetkárosító hatása lesz. Ekkor érdemes előtérbe hozni a megújuló energiaforrásokat.

A villamos energia előállítása megújuló energiával azért célszerűbb, mert nem jár károsanyag kibocsájtással. Választhatunk többféle lehetőség közül: szélenergia, geotermikus energia, napenergia, biomassza, vízenergia, stb. Ezek közül a napenergia (napelem) a legcélravezetőbb, mivel háztartásunk villamos energiafogyasztását el tudjuk látni, vagy kisegíteni. Az előállított energia mennyisége erősen függvénye a napsugárzás intenzitásának, illetve a napsugárzás beesési szögének.

Célom, hogy olyan kisebb méretű berendezést készítsek, amely biztosítja a napelem optimális dőlésszögét, így a napfény optimális beesési szögét, melyet egy forgatómechanizmussal meg lehet valósítani. További cél még, hogy a napfény intenzitását kijelzőn megjelenítsem, majd memóriakártyára rögzítse a mért adatokat időhöz rendelve.

Ezt a témát azért tartom időszerűnek, mert egyre több napelemet telepítenek, és sok napelem fix dőlésszöggel van elhelyezve forgatómechanizmus nélkül, ami azt eredményezi, hogy nincs optimalizálva a rendszer a maximális termelhető teljesítményre, így bemutatom a lehetséges hatásfoknöveléseket. Természetesen a

(4)

BEVEZETÉS 4

rendszer legsarkalatosabb kérdése az, hogy gazdaságilag hogyan éri meg forgatómechanizmust hozzárendelni a napelemhez.

A téma belenyúlik kicsit az automatizálásba, elektronikába, programozásba is, mivel napjainkban egyre jobban szükség van az automatizált rendszerekre, valamint a forgatómechanizmus ezek nélkül gyakorlatilag nem valósítható meg.

A forgatómechanizmussal nagyobb termelési hatásfokot érhetünk el, az intenzitásmérővel pedig kimérhető, hogy mekkora a pillanatnyi napsugárzás mértéke.

(5)

NAP, MINT ENERGIAFORRÁS 5

2. A Nap, napelem, alkalmazásai

2.1. Nap, mint energiaforrás

A Nap, mely elengedhetetlen energiaforrás elektromágneses sugárzást bocsájt ki. Az elektromágneses sugárzást jellemezhetjük az intenzitásával és hullámhosszával. Az 1.1. ábra [1] szemlélteti a napfény intenzitását a hullámhossz függvényében. A látható tartományban a legnagyobb a fény intenzitása, de azon túlmenően elég széles spektrumban van jelen sugárzás. Ami a melegedést okozza, az a távoli infravörös tartományba eső fény elnyelődése által történik. A Föld légköre a beérkező sugárzás egy részét visszaveri, mintegy 49-51%-át, de még így is jelentős energia marad

A napállandó hivatalos értéke: 1.366,1 W·m^-2 ±0,37%, azaz minden egyes négyzetméterről, megfelelő eszközzel, ideális esetben 1.366 W teljesítményt lehetne kinyerni a földi légkör felett [2]. A földfelszínen a maximális sugárzás: ~1.000 W·m^-

2. Napsütéses órák száma: ~2.100 óra/év. Déli tájolású és 45°-os felületre érkező éves napsugárzás: ~1.370 kWh·m^-2. Legnagyobb delelési napmagasság július 21-én: 66°.

Legkisebb delelési napmagasság december 21-én: 19°[3].

(6)

A NAPELEM MŰKÖDÉSE 6

1.1. ábra: A Nap spektruma

2.2. A napelem működése

A napelem olyan eszköz, ami fényenergiából állít elő villamos energiát károsanyag kibocsájtása nélkül.

A napelem félvezető eszköz (fényérzékeny dióda), többnyire szilíciumból készül.

Fény hatására a töltéshordozók szétválnak. A dióda alapvetően egy PN (PiN) rétegszerkezetű félvezető eszköz.

A fény (fotonok) hatására szétvált elektron-lyuk párt excitonnak nevezzük. A 100 foton energia hatására szétvált exciton párok száma adja tulajdonképpen a napelem primer hatásfokát.

(7)

Az 1.2. ábra szemlélteti a napelemek vázlatos keresztmetszetét és a működés elvét mutatja. A fény (foton) hatására az elektronlyuk-párok szétválnak. A P és N rétegek között elhelyezkedő I (insulation) szigetelőréteg tértöltése megakadályozza, hogy a töltések belül a napelemben azonnal egyesüljenek. Így a felületeken elhelyezett fémrétegen keresztül megindul egy külső áram, amely a fényből származik.

1.2. ábra: A napelem működésének vázlata

A háztartásokban, távvezetékeken váltakozófeszültségű rendszereket használnak, ezért a napelem közvetlenül nem csatlakoztatható rá a hálózatra.

Egyrészt a napelem alacsony feszültségű, másrészt egyenfeszültséget termel. A napelemmel általában akkumulátorokat töltünk, így ha éppen nem süt nap, a tápellátás szünetmentesen jelen van. Az egyenfeszültség átalakítható váltakozó feszültséggé inverter segítségével. Így egy 12 V-os akkumulátorról meg tudjuk táplálni a háztartásban lévő fogyasztókat, melyek 230 V feszültséget igényelnek.

Az 1.3. ábra szemlélteti a napelem helyettesítő kapcsolását, sajnos a napelem nem ideális generátor, van belső ellenállása, ami tovább csökkenti a napelem termelőképességét.

(8)

1.3. ábra: A napelem helyettesítő kapcsolása

2.3. Otthoni napelemes rendszerek, napkövető napelem előnyei

Az otthonunk villanyszámlája nagymértékben csökkenthető napelemes rendszer alkalmazásával, extrém esetben többet termelhetünk, mint amennyit fogyasztunk.

A napelemes rendszer főbb részei:

 Napelem

 Akkumulátortöltő

 Akkumulátor

 DC/AC inverter

 Oda-vissza fogyasztásmérő

A napelemet általában a ház tetején helyezik el, vagy ritkábban az épület mellett állványon. Ha épület mellett állványon helyezzük el, akkor érdemes napkövető rendszerrel ellátni, melyet az 1.4. ábra [4] szemléltet.

(9)

OTTHONI NAPELEMES RENDSZEREK, NAPKÖVETŐ NAPELEM ELŐNYEI 9

1.4. ábra: A napkövető napelem forgatómechanizmussal

Az épület tetején ezt a konstrukciót elhelyezni nagyon körülményes lenne, mert magas, nagyobb szelek, viharok esetén nagy a sérülés veszélye. Ha magasabban lenne, mint a háztető, akkor a villámcsapás esélye is megnőne. Valamint a plusz súlyt sem biztos, hogy elbírja a háztető.

A napelemet kétfajta módon lehet forgatni: egy tengely, két tengely mentén.

Az egytengelyes forgatást az 1.5. ábra szemlélteti, míg a kéttengelyes forgatást az 1.6. ábra.

1.5. ábra: Egytengelyes forgatás

Az egytengelyes forgatásnál csak a dőlésszöget tudjuk módosítani, a tájolás fix, a kéttengelyes forgatásnál viszont a tájolást is tudjuk változtatni.

Az egytengelyes forgatással a fixen elhelyezett napelemhez képest a többlettermelés: 25-30%. Kéttengelyes forgatással pedig: 35-45%.

(10)

1.6. ábra: Kéttengelyes forgatás

A napelem nem feltétlenül a Nap felé forog, mert a napsugárzás visszaverődik a talajról, a levegőről, felhőkről, tárgyakról, épületekről, stb. Így a napelem a legintenzívebb fény felé fog elfordulni.

A legintenzívebb fényt kétféle módon követhetjük: asztronómikus és fényszenzoros követéssel. Az asztronómikus követéssel a Nap pályáját előre kiszámított nyomvonalon követi, óramű pontossággal, fokozatosan követve a Nap pályáját az égen. A fényszenzoros követéssel a cél a legfényesebb pont megtalálása az égen, és arra merőleges irányba fordítani a napelemes felületet. A fényszenzoros követés az asztronómikushoz képest akár 20%-al jobb hatásfokú.

A napelemekre az akkumulátortöltőt csatlakoztatva tölthetjük az akkumulátorokat, amikor a fogyasztók felvett teljesítménye kisebb, mint a termelt teljesítmény. A többlet energiát akkumulátorokban eltárolva később lehetőségünk van a napsugárzás hiányakor is energiát szolgáltatni a fogyasztóknak.

Az egyenáramú hálózatot, mely a napelem és az akkumulátor oldalán van át kell alakítani váltakozó árammá. Biztosítani kell az 50 Hz frekvenciájú 230V feszültségű szinuszos energiát.

A váltakozó áramú hálózatra oda-vissza fogyasztásmérőt kell telepíteni.

Általában egyirányú fogyasztásmérőket alkalmaznak, mivel nem szoktunk otthon többlet energiát termelni a hálózatra. Napelemek alkalmazásakor pedig előfordulhat, hogy több energiát termelünk, mint fogyasztunk, ekkor mi táplálunk a hálózatra

(11)

energiát. Egy akkumulátor nélküli egyszerűsített hálózatot szemléltet az 1.7. ábra [5].

1.7. ábra: Egyszerűsített napelemes hálózat

(12)

A LÉPTETŐMOTOR VEZÉRLÉSE 12

3. Hardveres kivitelezések

3.1. A léptetőmotor és vezérlése

A napelem forgatómechanizmusához célszerű léptetőmotorokat használni, mivel kis léptékekben forgatható a tengelye.

A léptetőmotor digitális jellel vezérelhető kommutátor, kefe nélküli egyenáramú motor. Ennek köszönhetően csak a csapágy minősége határozza meg az élettartamot.

Kétfajta típusú léptetőmotor van: unipoláris, bipoláris, melyet az 1.8. ábra szemléltet [6].

Az unipoláris léptetőmotor 5 vagy 6, a bipoláris 4 kivezetéssel rendelkezik.

Az 5 és 6 kivezetéses motorok között az a különbség, hogy a tápfeszültséget, melyet a K pólusra kötnek, összekötik közös potenciálra.

A léptetőmotorok leglényegesebb paraméterei a forgatónyomaték és lépésszám. A motor lépésszáma azt jelenti, hogy egy körülforduláshoz (360°) hány lépést kell megtennie a motor tengelyének.

1.8. ábra: Léptetőmotor típusai

(13)

Ha 360°-ot elosztjuk a lépésszámmal, akkor megkapjuk, hogy egy lépés alatt hány fokot fordul el a motor tengelye, amit fogaskerék áttétellel még tovább csökkenthetünk.

A léptetőmotor vezérlésének három lehetséges módja van:

 Teljes léptetés (egy tekercs bekapcsolásával)

 Fél léptetés (egy-kettő tekercs bekapcsolásával)

 Teljes léptetés (két tekercs bekapcsolásával)

A forgatómechanizmus két tengely irányban képes forgatni, ehhez kettő darab 28BYJ-48 típusú léptetőmotort alkalmazok, mely unipoláris és 5 kivezetése van, melynek a kapcsolási rajzát az 1.9. ábra szemlélteti. Az ábrán a körben elhelyezett nyíl a motor tengelyét jelöli, körülötte helyezkednek el a tekercsek, melyek középmegcsapolására a tápfeszültség csatlakozik.

Az öt kivezetés:

 +5V (piros)

 1 (kék)

 2 (rózsaszín)

 3 (sárga)

 4 (narancssárga)

(14)

1.9. ábra: 28BYJ-48 típusú léptetőmotor kapcsolási rajza

A 28BYJ-48 típusú léptetőmotor tengelyének körbeforgásához (360°

elforduláshoz) 2048 lépéshez van szükség. E nagy szám az 1/64-es fogaskerék áttételnek köszönhető. Áttétel nélkül 32 lépésben (11,25°/lépés) körbefordulna, így eléggé durva lépésekben lehetne szabályozni, ami finom szabályozáshoz nem engedhető meg.

A motornak meglehetősen kicsi a nyomatéka, ezért célszerű egyszerre két tekercs bekapcsolásával, teljes léptetés módban vezérelni. Így a legnagyobb a tengely nyomaték leadási képessége. Ez a vezérlés sokkal jobban melegíti a tekercseket, de a napelemeket nem kell folyamatosan forgatni, így szakaszos üzemként tekinthető.

A motor tengelyének elfordulását úgy kell kivitelezni, hogy a tekercseket megfelelő sorrendben kapcsolgatjuk. A teljes léptetés metódusait fogom bemutatni.

Az 1.10. ábra a teljes léptetést (egytekercses módban) ábrázolja.

(15)

1.10. ábra: Teljes léptetés egy tekercs bekapcsolásával

Az 1.11. ábra szemlélteti a teljes léptetést (kéttekercses módban). Ezzel a léptetéssel érhető el a legnagyobb forgatónyomaték, de ahogy említettem, ez nagyobb tekercsmelegedést fog előidézni, csak szakaszos üzemre lehet használni.

1.11. ábra: Teljes léptetés két tekercs bekapcsolásával

A világoskék vonalak a digitális jelszinteket jelentik az időfüggvényében. A világoskék szaggatott vonalak a digitális jelszint magas (HIGH) értékét jelentik.

A forgatómechanizmusnak, intenzitásmérőnek automatikusan, mikrovezérlővel kell működnie. Napjainkban a mikrovezérlők nagyon elterjedtek, mivel sokféle programozási nyelven lehet őket programozni, olcsó, kisméretű, kvázi nagysebességű.

A mikrovezérlőnek az alábbi feladatokat kell ellátnia:

 Napelem által termelt áramerősség mérése, terhelő ellenálláson keresztül

(16)

 A mért áramerősségből igazságfüggvényen keresztül kijelzőn megjelenítve a fényintenzitást [W/m²] mértékegységben kijelezve

 A külső hőmérsékletet, relatív páratartalmat jelezze ki

 Pontos idő mérése

 Memóriakártyára kimenteni a pillanatnyi fényintenzitást időponthoz kötve, így később számítógépen excelbe importálva grafikonokat készíthetünk a mért adatokból

 A léptetőmotorok vezérlése

 Fotoellenállás segítségével megállapítani, hogy merre kell forgatni a napelemeket, azaz merre van a Nap az égen

A napelem által termelt egyenfeszültségre terhelő ellenállást csatlakoztatva a körben áram indul meg. Ezt az áramot méri majd a mikrovezérlő segédelektronikán keresztül, mivel a mikrovezérlő közvetlenül nem képes áram mérésére.

A napelemre nem lenne muszáj terhelő ellenállást kötni, rövidzárüzemben is mérhető lenne áram, de ez az üzemmód a napelem hatásfokcsökkenését felgyorsítaná, így nem célszerű rövidzárüzemben használni.

3.2. Mikrovezérlő, Arduino

A mikrovezérlő, vagy mikrokontroller egy integrált áramkör, mely elektronikus úton programozható. Legfőbb részei a: Központi Vezérlő Egység (CPU), memóriák, Aritmetikai Logikai Egység (ALU), EEPROM (háttértárként memória), flash memória (itt tárolódik a végrehajtandó program), perifériák (I²C, Soros port kommunikáció, időzítők, A/D átalakítók, stb).

(17)

MIKROVEZÉRLŐ, ARDUINO 17

A mirkovezérlő legkedvezőbb tulajdonsága, hogy a flash memóriát akár tízezerszer is újra programozhatjuk, így elég sokszor módosíthatjuk a programunkat, és kipróbálhatjuk.

A megvalósítandó célokra az Atmel ATmega 2560 mikrovezérlő alkalmazkodik gazdaságosan. Az összetett rendszer megkívánja a hosszabb programírást, nagyobb memória méretű áramköröket, mivel sok globális változót kell deklarálni a programírásakor. Ez a dinamikus memóriát nagymértékben fogyasztja.

Az ATmega 2560-as áramkörnek 8192 bájt méretű a dinamikus memóriája, ami alkalmas a kitűzött célokhoz.

Ez a mikrovezérlő önmagában külső elemek nélkül nem működőképes.

Kvarcokat, kondenzátorokat, Soros port – USB illesztőt, feszültség stabilizátort, csatlakozókat, stb igényel. Ezért célszerű, és gazdaságosabb az Arduino cég által készített kártyákat használni, amin minden fontos elem megtalálható, készen áll a használatra.

Az Arduino cég saját nyitott forráskódú fejlesztőkörnyezetet is készített, ahol C, C++ nyelven írhatjuk a programunkat a mikrovezérlőre és gombnyomással fel is tölthetjük rá.

Az általam használt Arduino Mega 2560 az 1.12. ábrán látható.

1.12. ábra: Arduino Mega 2560 panel

A panel középén látható maga a mikrovezérlő. A mikrovezérlő kivezetései csatlakozókra vannak kötve. Található a panelen még tápfeszültség csatlakozó,

(18)

ULN2003A TRANZISZTORMEZŐ 18

USB csatlakozó, állapotjelző LED-ek, kvracok, feszültségstabilizátor, RESET gomb, stb.

3.3. ULN2003A tranzisztormező

A léptetőmotort közvetlenül nem kapcsolhatjuk rá a mikrovezérlő kimeneteire, mivel nagy áramot vesznek fel a tekercsei, a mikrovezérlő tönkre menne. A mikrovezérlő kimenete 20 mA áramot képes tartósan elviselni. Így célszerű tranzisztort alkalmazni, mely biztosítja, hogy a mikrovezérlő kimenetén mA nagyságrendű áram, a léptetőmotor tekercsén 100 mA nagyságrendű áram legyen.

Amikor a léptetőmotor tekercsét kikapcsoljuk, akkor a tekercs önindukciós együtthatója miatt a tápfeszültségtől sokkal nagyobb feszültség indukálódik. Ennek kiküszöbölésére szabadonfutó diódákat kell beépíteni. Ezek a diódák az ULN2003A integrált áramkör belsejében megtalálhatók, melyek a COM bemenetre csatlakoznak, erre kell a tápfeszültséget kötni, tulajdonképpen túlfeszültség levezető diódaként működik.

Az 1.13. ábra [7] az ULN2003A Darlington tranzisztormező blokksémáját mutatja. Darlington kapcsolás azért szükséges, hogy pici bázisáram révén nagy kollektor áramot tudjunk vezérelni, azaz nagy erősítést (β) lehet létrehozni.

1.13. ábra: ULN2003A integrált áramkör blokksémája

(19)

ULN2003A TRANZISZTORMEZŐ 19

A blokkséma bal oldalán található a bemenet (Input B), mely a mikrovezérlő kimenetére csatlakozik. Jobb oldalon a kimenetre (Output C) a léptetőmotor tekercsét kell csatlakoztatni. Mivel egy léptetőmotornak négy tekercse van, ezért négy bemenet, négy kimenet szükséges az ULN2003A integrált áramkörből. A kettő léptetőmotor nyolc digitális kimenetet felemészt a mikrovezérlő lábszámából, nyolc ki-bemenetet az ULN2003A integrált áramkörből, melynek sajnos csak hét kimenete, bemenete van. Így kettő darab integrált áramkör szükséges. Az 1.14. ábra az integrált áramkör egyszerűsített blokksémát vázolja.

1.14. ábra: ULN2003A integrált áramkör egyszerűsített blokksémája

3.4. Árammérés INA219 integrált áramkörrel

Az ATmega2560-as mikrovezérlőben 10 bites A/D átalakító található. Az A/D átalakító (Analog to Digital) az analóg bemeneti jelet digitális jellé alakítja, melyekhez értékeket rendel. 2¹⁰=1.024, azaz 1024 részre bontja a mérendő jelet. A tápfeszültség 5 V, ami azt jelenti, hogy 5V/1.024=4,88 mV a pontosság. Az intenzitás

(20)

ÁRAMMÉRÉS INA219 INTEGRÁLT ÁRAMKÖRREL 20

értéke, ha eléri a maximális 1.000 W/m²értéket, és ezt 1.024-el elosztjuk, akkor 0,94 W/m² lenne a pontosság. Ezt a pontosságot javítani lehet az INA219 integrált áramkörrel.

Árammérési célokra az INA219 integrált áramkör jól alkalmazható. A mérendő árammal sorba kell kötni egy kis értékű ellenállást, mely sönt ellenállásként funkcionál.

Ha áram folyik az ellenálláson, akkor feszültségesés következik be, ezt a feszültséget lehet mérni. Ohm törvény alkalmazásával (2.1. képlet) az árammérést vissza vezethetjük egy ellenálláson keresztül feszültség mérésre.

I R

U   (2.1.)

Fix ellenállás értéke ismert, a feszültséget megmérve kiszámítható az áram.

Az INA219 integrált áramkörben 12 bites A/D átalakító található, ami 4.096 egységere bontja a mérendő feszültséget, így sokkal pontosabb, mint a mikrovezérlő 10 bites A/D átalakítója. 1.000 W/m² maximális fényintenzitást 4.096 részre osztva 0,24 W/m² lesz a billegés.

Készen vásárolva az INA219 modul 0,1 Ω sönt ellenállással van szerelve, és a legpontosabb mérésre beállítva 400 mA a méréshatár. 1 Ω sönt ellenállással a méréshatár 40 mA-ra csökken, 2 Ω sönt ellenállással 20 mA-ra csökken. Így már a napelem által leadott áramot lehet mérni, mert az általam használt napelem csak milliamper nagyságrendben képes áramot leadni. Gyári adatai a napelemnek:

P = 0,55 W, U = 9 V.

(21)

FÉNYÉRZÉKELÉS FOTOELLENÁLLÁSSAL 21

3.5. Fényérzékelés fotoellenállással

A fotoellenállás egy kadmium szulfid (CdS) ellenálláscsík, amelynek az ellenállása a ráeső fény intenzitásától függően változik. Sötétben az ellenállása nagy, világosban pedig alacsony [8]. Az 1.15. ábra a fotoellenállást szemlélteti.

1.15. ábra: Fotoellenállás

Az 1.16. ábra szerinti elrendezésben lehetőségünk van meghatározni a legintenzívebb fény irányát. Négy darab fotoellenállás szükséges hozzá, ezek közé egy kereszt alakú testet kell elhelyezni. A nyíl a beeső fénysugarat szimbolizálja. A jobb felső fotoellenállás nagyobb fényintenzitást kap, a bal alsó fotoellenállás pedig a legkevesebbet, ott árnyék lesz.

(22)

FÉNYÉRZÉKELÉS FOTOELLENÁLLÁSSAL 22

1.16. ábra: Fényirány meghatározása fotoellenállásokkal

A mikrovezérlőre mind a négy fotoellenállást rá kell kötni, differenciálmérést kell alkalmazni. A mikrovezérlő analóg bemeneteire (A8, A9, A10, A11) csatlakoznak a fotoellenállások az 1.17. ábra szerint. A kapcsolási rajz az EasyEDA fejlesztőkörnyezetben készült. Külön-külön megmérjük a feszültségeket mind a négy ellenálláson.

1.17. ábra: Kapcsolási rajz

(23)

18650LI-ION AKKUMULÁTOR,DC/DC BOOST KONVERTER 23

Négy értéket képzünk:

 Felső átlagos érték (aef)

 Alsó átlagos érték (aea)

 Bal oldali átlagos érték (aeb)

 Jobb oldali átlagos érték (aej)

A megírt programban a zárójelben lévő neveken van elnevezve, melyet az 1.18. ábra mutat.

1.18. ábra: Programrész, a négy képzett érték

Átlagokat számolunk, majd ezekből az átlagokból képezünk kettő új értéket: a felső-alsó különbséget és a bal-jobb különbséget. Ezeket az értékeket vizsgálva egy referencia értékhez képest (tolerancia) el tudjuk dönteni, hogy szükség van-e a napelem forgatására. Amint ezek az értékek kisebbek, mint a tolerancia érték, azaz kicsi a különbség, akkor nincs szükség forgatni a napelemet. Attól függően, hogy ezek a különbség értékek pozitívak, vagy negatívak, eldönthető, hogy jobbra, vagy balra kell a motor tengelyét forgatni.

(24)

18650LI-ION AKKUMULÁTOR,DC/DC BOOST KONVERTER 24

3.6. 18650 Li-ion akkumulátor, DC/DC boost konverter

A tápellátást egy darab lítium-ion cella szolgáltatja (megközelítőleg 1.500 mAh kapacitású), mely DC/DC boost konverterre van rákötve. A lítium-ion akkumulátor feszültsége feltöltött állapotban 4,15 V, lemerült állapotban 2,9 V (eddig szabad meríteni a károsodás elkerülése érdekében). A mikrovezérlős rendszer stabil +5 V tápellátást igényel.

A DC/DC boost konverter lényege, hogy a rákapcsolt egyenfeszültséget, ami jelen esetben 2,9-4,15 V, a beállított 5 V értékre növelje, természetesen némi vesztességgel (90% hatásfokkal működik). A lítium-ion cella méretét a 18650 szám jelöli, 18 mm átmérőjű, 65,0 mm hosszú.

Az általam használt DC/DC boost konverter típusa: MT3608, melyet az 1.22.

ábra jelenít meg. A potenciométerrel állítható be a kívánt kimeneti feszültség. A kimeneti feszültség nem lehet kisebb, mint a bemeneti feszültség, csak egyenlő, vagy nagyobb azzal.

1.22 ábra: MT3608 DC/DC boost konverter

(25)

FÉNYINTENZITÁSMÉRÉS 25

4.Fényintenzitásmérés, adatkiértékelés

4.1. Fényintenzitásmérés

A fényintenzitásmérés meghatározásához módosítást kell elvégezni a gyári árammérő áramkörön, valamint a napelemmel olyan értékű ellenállást kell sorba kötni, hogy maximális 1.000 W/m²fényintenzitásnál adja le azt az áramot, ami az árammérő modul (INA219) méréshatár legfelső értékéhez tartozik. A korábban leírt 2.7. pontban ismertettem a söntellenállás megválasztását. A napelemmel pedig három darab 470 Ω-os

ellenállást kötöttem sorba, ehhez alkalmazkodtam program íráskor, konstansokkal szoroztam a mért áramot, melyet az 1.19. ábra mutat.

1.19. ábra: Az intenzitásmérés részlete a programból

A 11.7 konstans érték úgy jött létre, hogy valós fényintenzitásmérőhöz kalibráltam be az általam épített készüléket. Valamint debugolás érdekében kiszámoltam egy százalékos értéket. A programban a current_mA változó 0-400-ig kap értéket, mert az INA219 áramkör 0-400 mA-ig mér a gyári sönt ellenállással (0,1 Ω). A 400 mA-t el kell osztani 20-al, így 0-20 mA-ig fog mérni, persze ha a söntellenállást is kicseréljük, én estemben 2 Ω. 0,25-el megszorozva az áramot

(26)

ADATRÖGZÍTÉS MEMÓRIAKÁRTYÁRA 26

megkapom az áram százalékos értékét, majd ezt szoroztam 11.7-el, ami a kalibrálásból jött ki.

4.2. Adatrögzítés memóriakártyára, adatok kiértékelése

A mikrovezérlőre kötött SD memóriakártyamodul segítségével adatot menthetünk le az SD kártyára. Szöveges (.txt) fájlformátumot hozunk létre, ebben megtalálható a pillanatnyi időpont és a pillanatnyi fényintenzitás értéke. Ezeket később kiolvashatjuk, akár Excel programban grafikonokat készíthetünk belőle. Az 1.20. ábrán látható adatokból készíthető olyan grafikon, melyet az 1.21. ábra szemléltet. A grafikon vízszintes tengelyén az idő, a függőleges tengelyén a fényintenzitás látható. Ezek az adatok csak demo jellegűek, nem mutatnak valós fényintenzitás mérést.

(27)

ADATRÖGZÍTÉS MEMÓRIAKÁRTYÁRA 27

1.20. ábra: Rögzített adatok

1.21 ábra: Rögzített adatok diagram

(28)

BEFEJEZÉS 28

Befejezés

Összességében elmondható, hogy a napkövető napelem kisebb méreteknél nem gazdaságos, nagyobb méretekben viszont 20%-al nagyobb termelhető teljesítményt tudunk elérni. A fényintenzitásmérő viszonylag pontos értékeket mutat, nagymértékben látszik a kijelzőn, hogy a Nap felé beforgatott napelem sokkal nagyobb áramot ad le.

Ezt a feladatot sikerült kivitelezni sikeresen, viszont a berendezésen a jövőben alakítani kell, mert a fényérzékelés nem a legoptimálisabb, a 100 kΩ értékű ellenállások a fotoellenállásokra kötve nem ideális értékűek, így nem mindig forog a legerősebb fény felé, főleg erősebb napsütéskor, a megírt programon változtatni kell, hogy optimálisabb legyen a fényérzékelés.

A mintegy 380 soros program megfelelően vezérli az áramköröket, léptetőmotorokat. A mikrovezérlő tehát alkalmas ezen feladat elvégzésére, kicsi áramfogyasztása is jól alkalmazkodik ehhez a napelemes rendszerhez.

További jövőben megvalósítandó dolog, hogy a napelem a Li-ion cellát töltse, ehhez DC/DC buck konvertert ajánlott majd használni, vagy L7805 feszültségstabilizátor integrált áramkör, majd erre kötni a Li-ion cella töltő integrált áramkört. Ezek az áramkörök viszont nagy veszteségekkel működnek, nem jó hatásfokú.

Sajnos ez a rendszer, dolgozat tavasszal készült el, amikor nem volt erős napsütés, borús idő volt, ezért nem lehetett erős napsugárzást, fényintenzitást mérni.

A rendszert sajnos csak lámpafénynél tudtam kalibrálni, hagyományos wolfram

(29)

BEFEJEZÉS 29

izzószálas villanykörténél, ott is csak 60-70 W/m² fényintenzitást mértem.

Napközben, ettől nem volt több a kinti fényintenzitás borús időben. Ezek a mérések viszont nagy tapasztalatot adtak számomra, mert a LED-es világítás mellett nem kaptam szinte semmilyen fényintenzitást, valószínűleg a keskeny fényspektruma miatt, kicsi teljesítménye miatt, valamint a napelem nem a Nap felé fordult sokszor, hanem tárgyak felé, égbolt felé, ahonnan erősebb volt a fényvisszaverődés valószínűleg, nagy volt az albedo sugárzása.

A mellékletekben megtalálhatóak: a mikrovezérlőre megírt program, kapcsolási rajz, fényképek a napkövető rendszerről

(30)

IRODALOMJEGYZÉK 30

Irodalomjegyzék

[1] http://nagysandor.eu/AsimovTeka/blackbody_physlet/solar_spectrum_hu.png (letöltés éve: 2017)

[2] http://www.naplopo.hu/tudastar/szakcikkeink-hasznos-irasaink/28-

magyarorszagra-vonatkozo-fontosabb-napsugarzasi-adatok (letöltés éve: 2017) [3] VÉGHELY TAMÁS:Napelemek és napelemrendszerek szerelése.BUDAPEST,2013 [4] https://debrecenbar.com/2012/11/30/napkoveto-napelemes-rendszer-pro-es-kontra

(letöltés éve: 2017)

[5] http://www.solarside.hu/wp-content/uploads/2010/09/rajz.jpg (letöltés éve: 2017) [6] http://qtp.hu/elektro/leptetomotor_mukodese.php (letöltés éve: 2017)

[7] www.ti.com/jp/lit/pdf/slrs027 (letöltés éve: 2017)

[8] http://www.hobbielektronika.hu/cikkek/willi_v20_robotika_es_avr_

kezdoknek.html?pg=4 (letöltés éve: 2017)

(31)

1.MELLÉKLET 31

Mellékletek

1. melléklet

#include <SPI.h>

#include <Wire.h>

#include <SD.h>

#include <SPI.h>

#include <Adafruit_GFX.h>

#include <Adafruit_SSD1306.h>

#include <Adafruit_INA219.h>

#include "RTClib.h"

File myFile; //objektum létrehozás RTC_DS3231 rtc;

Adafruit_INA219 ina219;

#define OLED_RESET 0

Adafruit_SSD1306 display(OLED_RESET);

#define tajolas_1 9

#define tajolas_2 10

#define doles_1 5

#define doles_2 6

#define doles_3 7

#define doles_4 8

#define BF A11

#define BA A10

#define JF A9

#define JA A8

(32)

1.MELLÉKLET 32

#define pinCS 53

int BF_ertek, BA_ertek, JF_ertek, JA_ertek;

float current_mA = 0;

float current_ertek = 0;

float current_szazalek = 0;

int intenzitas = 0;

unsigned short int poz_tajolas = 1;

unsigned short int poz_doles = 1;

int aef, aea, aej, aeb;

int diff_fuggoleges, diff_vizszintes;

int tolerancia = 6;

int kalibralo;

int program = 0;

void setup() {

Serial.begin(115200);

Serial.setTimeout(10);

pinMode(tajolas_1, OUTPUT);

pinMode(doles_1, OUTPUT);

pinMode(pinCS, OUTPUT);

ina219.begin();

ina219.setCalibration_16V_400mA();

display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C);

display.clearDisplay();

if (SD.begin()) {

display.setTextSize(3);

display.setTextColor(WHITE);

(33)

1.MELLÉKLET 33

display.setCursor(20, 20);

display.println("SD OK");

display.display();

Serial.println("SD kartya keszen all");

delay(2000);

} else {

display.println("SD ERROR");

display.display();

Serial.println("SD kartya inicialasi hiba");

delay(2000);

return;

} //SD end } // Setup end

void loop() { program++;

DateTime now = rtc.now();

JF_ertek = analogRead(JF);

JA_ertek = analogRead(JA);

BF_ertek = analogRead(BF);

BA_ertek = analogRead(BA);

aef = (JF_ertek + BF_ertek) / 2;

aea = (JA_ertek + BA_ertek) / 2;

aeb = (BF_ertek + BA_ertek) / 2;

aej = (JF_ertek + JA_ertek) / 2;

diff_fuggoleges = aef - aea;

diff_vizszintes = aeb - aej;

if (diff_fuggoleges < tolerancia) { coiloff_doles();

}

(34)

1.MELLÉKLET 34

if (diff_vizszintes < tolerancia) { coiloff_tajolas();

}

if (-1 * tolerancia > diff_fuggoleges || diff_fuggoleges > tolerancia) // ha a kulonbseg nem a toleranciaban van, akkor a dolesszoget valtoztatjuk

{

if (aef > aea) { jobbra_doles(1, 10);

}

else if (aef < aea) { balra_doles(1, 10);

} }

if (-1 * tolerancia > diff_vizszintes || diff_vizszintes > tolerancia) { if (aeb > aej) {

jobbra_tajolas(1, 10);

}

else if (aeb < aej) { balra_tajolas(1, 10);

} }

if (program % 100 == 0) {

current_mA = ina219.getCurrent_mA() / 20.0; //20mA méréshatár beállítása, 2ohm ellenállással, 0,005mA pontosság

current_ertek = ina219.getCurrent_mA(); //400mA értékig ad vissza current_szazalek = 0.25 * current_ertek; //400mA*0,25

intenzitas = current_szazalek * 11.7;

if (current_mA < 0) { current_mA = 0;

}

display.println(current_mA); display.setCursor(35, 10); display.println("mA");

(35)

1.MELLÉKLET 35

display.println(current_szazalek); display.setCursor(40, 20); display.println("%");

display.println(intenzitas);

display.println("W/m");

display.println("2");

display.display();

Serial.println("---");

Serial.println(JF_ertek);

Serial.println("****");

Serial.println(JA_ertek);

Serial.println(BF_ertek);

Serial.println(BA_ertek);

Serial.println("---");

Serial.println("");

program = 0;

}

if (now.second() % 60 == 0) {

myFile = SD.open("adat.txt", FILE_WRITE);

if (myFile) {

myFile.print(now.hour());

myFile.print(":");

myFile.print(now.minute());

myFile.print(":");

myFile.print(now.second());

myFile.print(",");

myFile.println(intenzitas);

myFile.close();

// Serial.println("Adat kiirva");

display.println("Data Saved");

(36)

1.MELLÉKLET 36

display.display();

delay(999);

} else {

Serial.println("Hiba a fajl irasakor");

display.println("ERROR");

display.display();

delay(2500);

} }

} // loop vege

void jobbra_tajolas(int lepesszam, int kesleltetes) { for ( unsigned int i = 0; i < lepesszam; i++) { switch (poz_tajolas) {

case 1:

digitalWrite(tajolas_1, HIGH);

digitalWrite(tajolas_3, LOW);

poz_tajolas = 2;

break;

case 2:

poz_tajolas = 3;

break;

case 3:

poz_tajolas = 4;

break;

(37)

1.MELLÉKLET 37

case 4:

poz_tajolas = 1;

break;

} //switch vége delay(kesleltetes);

}//for vege } // jobbra vége

void coiloff_tajolas() {

} // tekercs kikapcsolás vége

void balra_tajolas(int lepesszam, int kesleltetes) { for (int i = 0; i < lepesszam; i++) {

switch (poz_tajolas) { case 1:

poz_tajolas = 2;

break;

case 2:

(38)

1.MELLÉKLET 38

poz_tajolas = 3;

break;

case 3:

poz_tajolas = 4;

break;

case 4:

poz_tajolas = 1;

break;

}

delay(kesleltetes);

}

} // ******************************

void jobbra_doles(int lepesszam, int kesleltetes) { for (int i = 0; i < lepesszam; i++) {

switch (poz_doles) { case 1:

digitalWrite(doles_1, HIGH);

digitalWrite(doles_3, LOW);

poz_doles = 2;

break;

case 2:

(39)

1.MELLÉKLET 39

poz_doles = 3;

break;

case 3:

poz_doles = 4;

break;

case 4:

poz_doles = 1;

break;

} //switch vége delay(kesleltetes);

}

} // jobbra vége

void coiloff_doles() {

} // tekercs kikapcsolás vége

void balra_doles(int lepesszam, int kesleltetes) { for (int i = 0; i < lepesszam; i++) {

switch (poz_doles) { case 1:

(40)

1.MELLÉKLET 40

poz_doles = 2;

break;

case 2:

poz_doles = 3;

break;

case 3:

poz_doles = 4;

break;

case 4:

poz_doles = 1;

break;

}

delay(kesleltetes);

} }

(41)

2.MELLÉKLET 41

2. melléklet

(42)

3.MELLÉKLET 42

3. melléklet

(43)

3.MELLÉKLET 43