Misuratore di massima potenza erogabile

t
Anno 2009_Numero 95
apporti
tecnici
Misuratore di massima potenza erogabile
Istituto Nazionale di
Geofisica e Vulcanologia
Direttore
Enzo Boschi
Editorial Board
Raffaele Azzaro (CT)
Sara Barsotti (PI)
Mario Castellano (NA)
Viviana Castelli (BO)
Anna Grazia Chiodetti (AC)
Rosa Anna Corsaro (CT)
Luigi Cucci (RM1)
Mauro Di Vito (NA)
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Segreteria di Redazione
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Tel. +39 06 51860068
Fax +39 06 36915617
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Fax +39 06 36915617
[email protected]
t
t
apporti
tecnici
MISURATORE DI MASSIMA POTENZA EROGABILE
Alessandro Iarocci, Giovanni Romeo
INGV (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Sezione di Sismologia e Tettonofisica)
Anno 2009_Numero 95
2
Indice
Introduzione
5
1
Principio di funzionamento e caratteristiche tecniche
5
2
Schema elettrico
8
3
Alcune considerazioni sulla potenza erogata dalle celle solari
10
4
Test effettuati su pannelli solari
11
4.1 Test su pannello solare UNISOLAR FLX-11
11
4.2 Test sui pannelli solari di PEGASO
12
4.3 Test con il simulatore di pannello solare SPS
14
5
Conclusioni
15
Bibliografia
16
Introduzione
Lo strumento descritto in queste pagine è stato pensato per poter tracciare la caratteristica tensionecorrente (V-I) di un pannello solare e misurarne in ogni momento la massima potenza erogabile.
Quello che generalmente si pretende da un alimentatore, e quindi anche da un pannello solare, è che
tragga il massimo dell’energia dalla sorgente primaria. Per ogni sorgente di energia elettrica vale il teorema del
massimo trasferimento di potenza. Tale teorema afferma che un generatore connesso con un carico variabile R,
eroga la massima potenza in corrispondenza di un solo valore del carico R. Tale valore del carico, nel caso di
un pannello solare, è funzione della temperatura del pannello, dell’intensità dell’irraggiamento e dell’angolo di
incidenza delle radiazioni solari [Tsuno et al. 2005]. Dunque il punto di massima potenza varia di continuo con
le condizioni ambientali. Un sistema in grado di trovare e mantenere tale punto di lavoro si dice ad
inseguimento del punto di massima potenza o MPPT (Maximun Power Point Tracking).
Il misuratore di massima potenza che presentiamo produce un carico variabile in grado di esplorare la
curva V-I del pannello e contiene un algoritmo ad inseguimento per la misura istantanea della massima
potenza erogabile.
1. Principio di funzionamento e caratteristiche tecniche
Nel misuratore di massima potenza il componente che consente di ottenere un carico variabile è
semplicemente un MOSFET di potenza. Il principio di funzionamento è illustrato nella fig. 1. Lo
spostamento del punto di lavoro, che determina il valore del carico, si ottiene variando la tensione gatesource del MOSFET; infatti la corrente che fluisce tra il drain ed il source di un MOSFET è controllata dalla
tensione presente sul gate. Tale tensione, di valore continuo, è ottenuta filtrando opportunamente un segnale
PWM (Pulse Width Modulation) generato da un microcontrollore. Questa è una tecnica molto comoda per
produrre un segnale in tensione continua da un microprocessore evitando l’uso di un convertitore digitaleanalogico. Infatti il valor medio di un segnale binario 0-Vmax, di periodo T, è Vmax * D; dove D (dutycycle) è il rapporto tra il tempo (in un periodo) in cui il segnale vale Vmax e il periodo T. In pratica ciò che
si fa è convertire un segnale periodico ad onda quadra, il PWM, in uno equivalente di valore continuo adatto
a pilotare il gate del MOSFET.
LCD
V=15V I=0.7A
P=10.5W
V
RX RS232
microcontr
I
TX RS232
+
-
PWM
D1
2
RMS
DC
Equiv
Vgs
IRF640
1
3
R sensing
Figura 1 Principio di funzionamento del misuratore di massima potenza.
5
Il misuratore ha due diverse modalità di funzionamento: sweep e mppt.
Modalità di funzionamento sweep.
Si usa quando si vuole determinare la caratteristica V-I di un pannello solare: il duty cycle del segnale PWM
viene fatto variare da zero a uno. Si ottiene così un valore della resistenza di carico variabile da infinito
(condizione di circuito aperto) a circa zero (condizione di corto circuito). Circa zero in quanto, se il duty
cycle del PWM è pari ad uno, il pannello solare risulta chiuso in realtà sulla resistenza Rds(on) del MOSFET
(0.14 ! ) e sulla resistenza di shunt (0.1 ! ).
Modalità di funzionamento mppt.
Questa modalità consente il calcolo della massima potenza erogabile dal pannello. L’algoritmo utilizzato è
quello noto come “perturba ed osserva” [Joe-Air Jiang et al. 2005]. Esso risulta di facile implementazione, di
elevata affidabilità e fornisce buoni risultati in condizioni stabili di irraggiamento solare ( le stesse a cui sono
stati effettuati i test qui presentati). Al contrario, in condizioni di irraggiamento fortemente variabili, a
seguito delle oscillazioni attorno al punto di massima potenza che l’algoritmo induce sul sistema, si hanno
perdite di potenza non trascurabili.
Il metodo consiste nel perturbare il punto di lavoro, valutare la variazione di potenza erogata che ne
consegue, quindi stabilire il segno e l’ampiezza della perturbazione successiva. La perturbazione viene
indotta sul sistema variando il duty cycle D del segnale di PWM: ciò determina lo spostamento del punto di
lavoro del MOSFET. Il diagramma di flusso dell’algoritmo è mostrato in fig. 2. La potenza P(k) calcolata
all’iterazione k-esima, come prodotto della tensione V(k) e della corrente I(k) (fig. 7), viene comparata con
quella calcolata all’iterazione precedente P(k-1): se risulta maggiore, si continua a perturbare il sistema nella
stessa direzione, in caso contrario la perturbazione si muoverà in direzione opposta.
Acquisizione V(k), I(k)
Calcolo P(k) = V(k) * I(k)
NO
NO
Incrementa D
V(k) > V(k-1)
SI
P(k) > P(k-1)
SI
NO
Decrementa D
V(k) > V(k-1)
Decrementa D
SI
Incrementa D
Reiterazione ciclo
Figura 2 Diagramma di flusso dell’algoritmo “perturba ed osserva”.
Il misuratore di massima potenza è dotato di un display LCD che consente la visualizzazione delle telemetrie
della scheda (V, I, Temperatura) e della potenza erogata dal pannello. Tali parametri possono essere acquisiti
real-time anche da PC tramite interfaccia seriale RS-232.
Lo strumento è stato pensato per essere utilizzato per misure puntuali su pannelli aventi potenze fino a 10W.
L’errore di misura risulta pari a: 0,39% (1/255).
6
Per potenze superiori, o per misure continuative, si deve dotare il MOSFET di appropriato dissipatore e di
sistema di raffreddamento. In questo caso vanno considerati i limiti elettrici e termici del modello IRF640
utilizzato, che sono di seguito riportati:
- Corrente continuativa nel drain: 18 A (con temperatura del contenitore di 25 °C);
- Tensione di Breakdown tra drain e source: 200V;
- Massima potenza dissipabile: 125 W (con temperatura del contenitore di 25 °C);
- Fattore di derating della dissipazione del calore: 1 W/°C;
- Resistenza termica giunzione/contenitore: 1 °C/W;
- Resistenza termica giunzione/ambiente: 62 °C/W.
7
2. Schema elettrico
Il circuito del misuratore di massima potenza, (fig. 4), è basato sull’uso di un microcontrollore (MCU)
PIC16F877A (U1).
Esso consente:
la conversione analogico-digitale delle grandezze d’ingresso (corrente e tensione del pannello);
il calcolo del PWM per le modalità di funzionamento mppt e sweep;
l’interfacciamento del dispositivo, tramite protocollo RS-232 (U3), con un PC;
la visualizzazione, tramite un display (U2), dei valori delle grandezze misurate.
Il pannello solare è collegato tra la porta + gen ed il riferimento gnd (connettore JP1). I regolatori lineari di
tensione U6 ed U7 forniscono i livelli di alimentazione per la MCU e per tutta la circuiteria presente; essi
ricevono in ingresso una sorgente di tensione esterna di 12V (connettore JP1). Il connettore J1 consente la
programmazione della MCU. Le grandezze di ingresso, corrente e tensione del pannello solare, vengono
acquisite rispettivamente da: shunt R15 ed operazionale U4B, partitore R16-R17 ed operazionale U5A.
Nella modalità di funzionamento mppt, la MCU calcola il valore aggiornato del duty-cycle del PWM
(frequenza di 5 KHz) che permette l’inseguimento del punto di massima potenza. Il convertitore PWMtensione continua è formato da R9, R10 e C3. Il segnale di PWM, prima di giungere sul gate del MOSFET,
incontra uno stadio di filtraggio passa basso (R9, C3) ed uno di amplificazione (U4A): questi due stadi
consentono di ottenerne un segnale equivalente continuo (0-8 V), adatto a pilotare il MOSFET M1.
Nella modalità di funzionamento sweep, variando il duty-cycle del segnale PWM da 0 a 1 si ottiene per il
pannello solare un carico che va da infinito (nessuna tensione di polarizzazione sul GATE del MOSFET,
quindi circuito aperto) a zero (MOSFET con il canale completamente polarizzato); ne viene tracciata in
questo modo la caratteristica V-I.
In fig. 3 una foto di un prototipo dello strumento.
Figura 3 Un prototipo del misuratore di massima potenza.
8
U1
R3
3.3k
R4 1k
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
MCLR
R6 1k
R8
6.8k
C12
100n
+5
8MHz 20pF
Y1
C1
C2
20p
20p
MCLR/VPP
RB7/PGd
RA0/AN0
RB6/PGC
RA1/AN1
RB5
RA2/AN2/VREF-/CVREF
RB4
RA3/AN3/VREF+
RB3/PGM
RA4/T0CKI/C1OUT
RB2
RA5/AN4/SS/C2OUT
RB1
RE0/RD/AN5
RB0/INT
RE1/WR/AN6
VDD
RE2/CS/AN7
VSS
VDD_
RD7/PSP7
VSS_
RD6/PSP6
OSC1/CLKI
RD5/PSP5
OSC2/CLKO
RD4/PSP4
RC0/T1OSO/T1CKI
RC7/RX/DT
RC1/T1OSI/CCP2
RC6/TX/CK
RC2/CCP1
RC5/SDO
RC3/SCK/SCL
RC4/SDI/SDA
RD0/PSP0
RD3/PSP3
RD1/PSP1
RD2/PSP2
40
39
38
37
36
35
34
33
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
R1
R2
10k
10k
R5
1
RB7
RB6
R20
D1
1k
+5
1
2
1
2
SW1
POT- 100K
2
U2
SW2
+5
+5
LED
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
3
16f877a
R7
GND
VCC
VEE
RS
RW
E
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
A
K
10k
RB6
RB7
MCLR
MAX492CPA/MXM
+8
220k
2
10u
3
100k
+
V
13
8
11
10
M1
1
OUT
+
V
+
4
R13
10k
+8
7
-
R10
R11
110k
1000k R14
IRF640
U4A 8
+
+
C4
100n
1
3
4
5
2
6
C6
100n
U4B
8
+
V
OUT
-
V
+
+
6
R15
0.1
5
C7
100n
U3
R1IN
R2IN
T1IN
T2IN
C+
C1C2+
C2V+
V-
C8
+ 100n
+gen
R1OUT
R2OUT
T1OUT
T2OUT
VCC
GND
16
15
+8
4
1
R17
100k
U5A
8
+
V
OUT
-
V
+
2
+gen
+12V
3
100n
2
1
+
C9
L7808CV/TO220
VIN
VOUT
D
N
G
2
1
2
3
4
JP1
gen
com
+12V
gnd
4 HEADER
U6
SW4
680u 35v
C5
+8
3
1
+
C10
.33u 12v
U7
L7805CV/TO220
VIN
VOUT
D
N
G
3
+5
+
C11
.1u 12v
2
Figura 4 Schema elettrico.
9
1
6
2
7
3
8
4
9
5
female DB9
4
SW KEY-YM061
+
MAX232A
MAX492CPA/MXM
+12V
+5
R16
390k
MAX492CPA/MXM
1
P1
12
9
14
7
J1
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
2
4
6
8
10
PicFlash_CON
LCD 2*16 (PC1602-G)
R9
C3
1
3
5
7
9
+5
1
R18
10k
+5
2
SW3
+5
3. Alcune considerazioni sulla potenza erogata dalle celle solari
Come noto una cella solare può essere schematizzata come un generatore di corrente con in parallelo un
diodo (fig. 5).
Iph
I
V
Figura 5 Circuito equivalente di una cella solare.
L’espressione della corrente I erogata dal pannello è data dalla differenza tra la corrente I ph e la corrente che
fluisce nel diodo:
I = I ph - I S · ( e
V / Vt
-1) ;
(1)
dove I S è la corrente di saturazione inversa del diodo, V t è la sua tensione termica e I ph è la intensità di
corrente proporzionale all’irraggiamento.
L’espressione della potenza P erogata dal pannello risulta quindi:
P = V · I = V · I ph - I S · V · ( e
V / Vt
-1) ;
(2)
Nelle figg. 6-7 sono rappresentati i grafici delle funzioni (1) e (2), avendo assunto:
!15
I S = 10 A;
Vt = 25 mV ( per diodi di “segnale”, temperatura ambiente di 20 °C);
I ph = 1 A.
1,4
1,0
(P)
1,2
f(V,I)
0,8
Potenza [W]
Corrente [A]
1,0
0,6
0,8
0,6
0,4
0,4
0,2
0,2
0,0
0,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
0,0
Tensione [V]
0,2
0,4
0,6
Tensione [V]
Figura 6 Grafico della funzione I = f(V).
Figura 7 Grafico della funzione P = f(V).
10
0,8
4. Test effettuati sui pannelli solari
In questo capitolo vengono presentati i risultati dei test effettuati accoppiando il misuratore di massima
potenza con alcuni pannelli solari e con un simulatore di pannello solare. Scopo dei test è tracciare per ogni
pannello la caratteristica V-I e la curva di potenza in determinate condizioni ambientali di volta in volta
specificate.
4.1 Test su pannello solare UNISOLAR FLX-11
Il pannello solare esaminato, prodotto dalla UNISOLAR, è il modello FLX-11 (10 W). È stato scelto questo
pannello perché ha trovato largo impiego in diverse applicazioni/progetti che hanno coinvolto l’INGV.
Le specifiche elettriche del pannello, fornite dal costruttore, sono basate su misure effettuate in condizioni
2
standard di test (intensità irraggiamento 1 KW/m , massa d’aria 1.5, temperatura delle celle 25 °C) e sono:
Max Power:
Current Max:
Voltage Max:
Short Circuit Current:
Open Circuit Voltage:
10.3 W
0.62 A
16.5 V
0.78 A
23.8 V
Il test è stato effettuato il 1-10-08 alle ore 11 circa, in una giornata soleggiata leggermente velata,
temperatura ambiente di circa 23 °C, angolo di incidenza circa 90°. In tali condizioni la potenza massima che
il pannello è in grado di erogare è circa 7.4 W (fig. 8).
25
I
V
P
V, A, W
20
15
10
P MAX = 7.4W
5
0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,9
1,0
PWM
Figura 8 Caratteristica V-I del pannello UNISOLAR FLX-11, ottenuta collegando il pannello allo strumento
(modalità sweep).
11
4.2 Test sui pannelli solari di PEGASO
Scopo del test è verificare se, in seguito ad irraggiamento solare in stratosfera per periodi prolungati (40
giorni), un pannello solare subisce un decadimento significativo delle prestazioni in termini di potenza
erogata. Infatti nella stratosfera si trovano particelle ad alta energia, provenienti dai raggi cosmici e dal sole,
che possono danneggiare le celle al silicio dei pannelli provocandone un peggioramento delle prestazioni
[NATO Science Series 2003].
Il test è stato condotto su un set di tre pannelli solari (modello UNISOLAR FLX-11) che hanno
circumnavigato il Polo Nord ad un’altitudine di 35 km per un periodo di circa 40 giorni. Tali pannelli
facevano parte del carico utile di PEGASO [Iarocci et al. 2008], un progetto di payload stratosferico ideato e
realizzato dall’INGV e dall’Università di Roma La Sapienza in collaborazione con il P.N.R.A.. Tale payload
(fig. 9) utilizzava come sorgente di energia un array di pannelli solari a geometria cilindrica, per garantire
un’illuminazione sicura al sistema qualunque fosse l’orientazione angolare della gondola, essendo non nota a
priori la posizione del sole durante il volo.
Il test consiste nel collegare i pannelli al misuratore di massima potenza per tracciarne la caratteristica V-I e
confrontarla con quella ottenuta con un analogo pannello nuovo, naturalmente a parità di condizioni
ambientali (stesso livello di irraggiamento, stesso angolo di incidenza dei raggi solari e stessa temperatura
ambiente).
Figura 9 Il carico utile di PEGASO prima della fase di lancio. Sulla destra l’array cilindrico di pannelli
solari.
Il test è stato effettuato il 30-9-08 alle ore 11:30 circa, in una giornata soleggiata leggermente velata,
temperatura ambiente di circa 23 °C, angolo di incidenza di circa 90°. Come risultato della misura vengono
riportate in fig. 10 le curve di potenza erogate da ciascun pannello.
Dalla loro analisi è evidente che i pannelli 1 e 3 hanno un comportamento molto simile, in termini di potenza
erogata, a quello del pannello analogo (nuovo) testato nel paragrafo 4.1. Al contrario tale comportamento
non si manifesta nel pannello 2, in quanto quest’ultimo risulta erogare in quelle medesime condizioni una
potenza massima di 5.5 W contro valori di 7.3 W e 6.9 W ottenuti rispettivamente dal pannello 1 e dal
pannello 2. Tale comportamento si spiega constatando che il pannello 2 (fig. 11) presenta delle ammaccature
più marcate rispetto agli altri sulla sua superficie, che ne giustificano il suo peggioramento di efficienza. Da
ciò si può concludere che l’irraggiamento nella stratosfera, a cui sono stati sottoposti i pannelli per diversi
giorni, non ha provocato un deterioramento significativo delle prestazioni delle celle solari.
12
10
8
W
6
pann.1
pann.2
pann.3
P MAX 7.3W
P MAX 6.9W
P MAX 5.5W
4
2
0
0,0
0,1
0,2
0,3
PWM
Figura 10 Foto e curve di potenza dei 3 pannelli oggetto del test.
Figura 11 Particolare del pannello 2. La
freccia
indica
il
punto
del
danneggiamento.
13
0,4
0,5
1,0
Current [A], Power [W/10], LED status
4.3 Test con il simulatore di pannello solare SPS
Il misuratore di massima potenza si è rivelato anche un utile strumento di verifica: è stato utilizzato infatti
per collaudare un simulatore di pannello solare SPS [Romeo and Urbini 2008]. Quest’ultimo è un dispositivo
completamente analogico che riesce a fornire in uscita la caratteristica V-I di un pannello solare; è dotato di
led di segnalazione bicolori, rosso o verde che indicano la zona di lavoro in cui il pannello si trova:
condizione di carico eccessivo e condizione di basso carico rispettivamente. Quando le due condizioni si
verificano contemporaneamente, il pannello si trova nelle condizioni di massima erogazione della potenza.
La fig. 12 mostra il comportamento del simulatore, ottenuto con simulazioni effettuate con PSpice.
current
red LED
green LED
power
2
maximum power point
1
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Voltage [V]
Figura 12 Comportamento del simulatore. In blu la caratteristica V-I del pannello, in arancione la curva di
potenza. Led verde acceso: condizioni di basso carico; led rosso acceso: condizioni di carico eccessivo.
Per trovare un riscontro alle curve sopra esposte ottenute con simulazioni software, si è connesso il
simulatore di pannello solare al misuratore di massima potenza, settato in modalità sweep. Il risultato del test
è mostrato nella fig. 13: la caratteristica V-I e la curva di potenza del simulatore sono effettivamente quelle
che la simulazione aveva mostrato.
Voltage[V], Current [A], Powwer [W]
20
Current
Voltage
Power
18
16
14
Voc = 17.5V
Isc = 1.09A
12
10
8
6
MPP = 10W
4
2
0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,9
1,0
PWM
Figura 13 Caratteristica V-I del simulatore di pannello ottenuta con il misuratore di massima potenza.
14
5. Conclusioni
Vengono di seguito elencati i possibili impieghi e alcune caratteristiche dello strumento:
può essere utilizzato per test comparativi: dato un set di diversi pannelli solari, di eguale potenza
(fino a 10W), consente di verificare immediatamente l’efficienza di ciascuno di essi;
durante campagne di test è utile per misurare in ogni momento qual’è la massima potenza di cui
si può disporre dai pannelli per alimentare apparecchiature, strumentazioni ecc.;
necessita per il funzionamento solamente di una sorgente continua a 12V (ad es. una batteria);
non reperibilità in commercio di strumenti con analoghe caratteristiche.
Si possono pensare i seguenti miglioramenti alla versione attuale:
adozione di un display grafico touch-screen e di una memoria esterna per la rappresentazione
grafica e l’immagazzinamento dei dati (quindi non più indispensabile interfacciarsi con un PC);
adozione di dissipatore e sistema di raffreddamento per il MOSFET, al fine di incrementare il
livello della massima potenza misurabile.
15
Bibliografia
Iarocci, A. et al., (2008). PEGASO: An ultra light long duration stratospheric payload for polar regions
flights, Advances in Space Research 42, 1633-1640.
Joe-Air Jiang et al., (2005). Maximum power tracking for photovoltaic power systems. Tamkand Journal of
Science and Engineering, Vol. 8, No 2, pp. 147-153.
NATO Science Series (2003). Effects of Space Weather on Technology Infrastructure, vol. 176 p. 116.
Romeo, G. and Urbini, G., (2008). Solar panel Simulator. Electronic Design, in press.
http://hdl.handle.net/2122/3999.
Tsuno, Y., Hishikawa, Y. And Kurokawa, K., (2005). Temperature and irradiance dependence of the I-V
curves of various kinds of solar cells, 15th International Photovoltaic Science & Engineering Conference
(PVSEC-15), Shangai China.
16
Coordinamento editoriale e impaginazione
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Progetto grafico e redazionale
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