IIS ENZO FERRARI SUSA
Anno scolastico: 2013/2014
Tonco Daniel
Classe V°EA - Periti in Elettronica e Telecomunicazioni
Tonco Daniel V°EA a.s. 2013/2014
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Indice:
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Obiettivo
Premessa
Prime operazioni (foto allegate)
Spiegazione montaggio supporto (foto allegate)
Schema a blocchi
Schema elettrico
Elenco componenti acquistati e prezzi
Descrizione Arduino Uno
Schema elettrico Arduino Uno
Codice Arduino
Descrizione motoriduttore
Schema elettrico circuito per motoriduttore
Circuito stampato
Foto circuito su millefori
Foto dispositivo finito
Conclusioni
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Obiettivo:
Essendo interessato allo sviluppo dell’energie alternative e avendo a casa un
impianto fotovoltaico, mi sono predisposto l’obbiettivo di realizzare un dispositivo
elettronico che migliori il rendimento di un pannello solare fotovoltaico.
Premessa:
Un pannello solare fotovoltaico è un dispositivo composto da “celle fotovoltaiche”,
in grado di convertire l’energia solare incidente in energia elettrica mediante un
effetto fotovoltaico. Può essere esteticamente simile al pannello solare termico, ma,
pur avendo entrambi l’energia solare come fonte di energia primaria, hanno scopi e
funzionamenti differenti. La cella fotovoltaica, o cella solare, è l'elemento base nella
costruzione di un modulo fotovoltaico. La versione più diffusa di cella fotovoltaica,
quella in materiale cristallino, è costituita da una lamina di materiale
semiconduttore, il più diffuso dei quali è il silicio, che si presenta in genere di colore
nero o blu. Il rendimento della cella fotovoltaica è il rapporto tra l'energia elettrica
prodotta dalla cella e l'energia della radiazione solare che investe la sua superficie.
Le tipologie costruttive delle celle fotovoltaiche più comuni sono:
Silicio monocristallino: presentano efficienza dell'ordine del 16-17%. Sono
tendenzialmente costose e, dato che i wafer (sottili fette di materiale
semiconduttore) vengono tagliati da lingotti cilindrici, è difficile ricoprire con essi
superfici estese senza sprecare materiale o spazio.
Silicio policristallino: celle più economiche, ma meno efficienti (15-16%), il cui
vantaggio risiede nella facilità con cui è possibile tagliarle in forme adatte ad essere
unite in moduli.
Silicio "ribbon" (a nastro): preparate da silicio fuso colato in strati piani. Queste
celle sono ancora meno efficienti (13,5-15%), ma hanno il vantaggio di ridurre al
minimo lo spreco di materiali, non necessitando di alcun taglio.
Silicio amorfo depositato da fase vapore: hanno un'efficienza bassa (8%), ma sono
molto più economiche da produrre. Il silicio amorfo è più efficiente nell'assorbire la
parte visibile dello spettro della luce solare, ma meno efficace nel raccoglierne la
parte infrarossa.
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Per questo il silicio amorfo può essere combinato con quello “nanocristallino”
creando una cella a strati, in cui lo strato superiore amorfo assorbe la luce visibile e
lascia la parte infrarossa dello spettro alla cella inferiore di silicio nanocristallino.
Come abbiamo visto esistono vari tipi di silicio utilizzato per costruire i moduli
fotovoltaici, ma quelli più comuni sono quelli in silicio cristallino.
Per migliorare l’efficienza dei pannelli solari fotovoltaici vengono utilizzati,
soprattutto per scopi commerciali, gli inseguitori solari.
Prime operazioni:
Dopo aver analizzato l’esigenza descritta nella sezione relativa all’obbiettivo, ho
iniziato a cercare dispositivi in kit, consultando inizialmente su internet i siti di
Futura Elettronica, Nuova Elettronica, e alcuni siti per cercare possibili
soluzioni e relativi schemi elettrici, ma non avendo trovato niente, ho dovuto fare
tutto da me.
Come prima operazione ho disegnato lo schema a blocchi della soluzione da
realizzare e ho proseguito con lo schema elettrico. Poi ho montato 2 resistenze in
serie a 2 led (i led servono a simulare il motoriduttore finché non l ho acquistato) e 2
fotoresistenze in serie a 2 resistenze. Dopodiché ho collegato la breadboard ad
Arduino Uno attraverso dei fili di rame (ho saldato il filo di rame con degli “spadini”
per far sì che facessero bene contatto e che non si togliessero). Poi ho programmato
Arduino per far accendere e spegnere i led alternativamente in base alla luce solare.
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Spiegazione montaggio supporto:
Ho acquistato un pannello solare fotovoltaico con le seguenti dimensioni e
caratteristiche:
Dimensioni: 340x163x25
Caratteristiche:
Tensione max [V]
Corrente max [A]
Potenza max [W]
Peso [Kg]
18
0,28
5
0,8
Non ho potuto comprare un pannello solare tanto grande, poiché diventava difficile
muoverlo con un solo motoriduttore, quindi ne ho comprato uno di “medie”
dimensioni.
Per costruire il supporto per il pannello solare ho utilizzato due staffe di metallo: ho
trovato il centro del pannello e ho fatto quattro buchi (2 per lato) e ho fissato le
staffe con 4 viti, rondelle e bulloni.
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Poi ho costruito il piedistallo per il motoriduttore con tre staffe, piegandole
rispettivamente agli estremi di 90° e le ho fissate sempre con tre viti e tre rondelle.
Sull’ingranaggio del motoriduttore ho applicato un “cappuccio”, fermandolo con una
vite dove c’era il taglio del perno. Poi ho preso una staffa e l’ho piegata di 45° in
modo da poterle posizionare sopra il pannello; per fissare la staffa piegata ho
dovuto forare il “cappuccio” e gli ho messo dentro un bullone, in modo da poterlo
fissare tramite una vite.
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Al pannello solare ho fissato il motoriduttore con delle viti, rondelle e bulloni.
Foto supporto finito:
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Schema a blocchi:
Schema elettrico:
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Elenco componenti acquistati e prezzi:
- Arduino Uno (Funduino Uno)
13.50 €
- Breadboard
4.00 €
- Fotoresistenze (x2)
2.40 €
- Resistenze varie (x8)
1.00 €
- Transistor (x2)
0.20 €
- Relè (x2)
3.60 €
- Diodi Led (x2)
0.30 €
- Diodi (x2)
0.10 €
- Jumper maschio-maschio
7.50 €
- Pannello solare 340x163x25
21.00 €
- Motoriduttore 12V
22.50 €
- Staffe e componenti vari
2.00 €
- Alimentatore 12V
8.00 €
- Basetta millefori
1.00 €
Totale:
Totale ore di lavoro:
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87.10 €
circa 30 ore
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Arduino uno:
Arduino uno è uno schema basato su uno microcontrollore ATmega328 che può
essere alimentato via porta USB oppure tramite un alimentazione esterna compresa
tra 7 e 12V. La sorgente di alimentazione è selezionata automaticamente. Arduino
uno è composto da vari piedini che hanno funzionalità diverse:
Il piedino Vin viene usato per l’alimentazione esterna insieme al piedino GND.
Il piedino 5V può essere usato per alimentare componenti esterni alla scheda,
analogamente per il piedino 3,3V; questo piedino può erogare al massimo 50mA
mentre gli altri piedini possono erogare/assorbire massimo 40mA.
Il microprocessore ATmega328 ha 32kBite di memoria flash con 0,5kBite usati dal
programma “Bootloader” più 2kBite di Static RAM (SRAM) e 1kBite di “Eeprom”
(ROM programmabile e cancellabile tramite un segnale).
Inoltre Arduino uno ha 14 piedini di input/output digitali che possono essere usati
come INPUT e OUTPUT usando i metodi “pinMode()”, “digitalWrite()” e
“digitalRead()”. I pin 0 (RX) e 1 (TX) sono utilizzati per la ricezione e la trasmissione
seriale TTL (0-5V) e quindi quando il PC è collegato ad Arduino non sono più
disponibili come pin di INPUT/OUTPUT digitali.
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- Pin 2 e 3: possono essere usati come pin di “Interrupt”
- Pin 3,5,6,9,10,11: sono pin “PWM”; è possibile generare un segnale PWM (Power
width modulation), cioè un onda rettangolare con D.C. (Duty Cicle) tra 0 e 100%.
- Pin 13 è collegato internamente ad un led, ma posso usarlo INPUT.
Oltre ai piedini digitali ci sono 6 piedini analogici numerati da A0 a A5, dove il valore
di tensione analogica viene convertito in un numero a 10bit tra 0 e 1023.
Il pin AREF (Analog Reference) si può utilizzare per cambiare il valore della massima
tensione analogica applicabile agli INPUT analogici.
Il pin RESET portandolo a massa, resetta il microcontrollore e il programma riparte
da SETUP().
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Schema elettrico di Arduino Uno:
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Codice Arduino:
// Lettura pin analogico 1
byte pinAnalogico1 = A4;
// Lettura pin analogico 1
byte pinAnalogico2 = A5;
// Lettura pin digitale 1
byte Led1 = 11;
// Lettura pin digitale 2
byte Led2 = 12;
void setup()
{
pinMode(Led1,OUTPUT);
pinMode(Led2,OUTPUT);
}
void loop()
{
// Legge il valore della fotoresistenza 1
int valore1 = analogRead(pinAnalogico1);
// Legge il valore della fotoresistenza 2
int valore2 = analogRead(pinAnalogico2);
// Tutti e due i led spenti
digitalWrite (Led1, LOW);
digitalWrite (Led2, LOW);
if (valore1 > (valore2+100))
{
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// Led1 acceso e Led2 spento
digitalWrite (Led1, HIGH);
digitalWrite (Led2, LOW);
}
if (valore2 > (valore1+100))
{
// Led2 acceso e Led1 spento
digitalWrite (Led2, HIGH);
digitalWrite (Led1, LOW);
}
}
Il motoriduttore:
Il motoriduttore è un tipo di azionamento a velocità non regolabile che permette di
aumentare la coppia in uscita dal motoriduttore e diminuire la velocità, così che il
motore possa sollevare carichi pesanti senza sforzarsi. È costituito da una serie di
ingranaggi che hanno un certo rapporto di trasmissione a seconda della loro
dimensione e di come sono accoppiati tra di loro.
Il motoriduttore che ho utilizzato è un RH 158 a 12V
della “Micromotors” con le seguenti caratteristiche:
Tensione
[V]
12
Riduzioni Coppia max
[Ncm]
15÷630
100
Velocità (vuoto)
[RPM]
440÷10
Velocità (max
coppia) [RPM]
300÷9
Dimensione
[mm]
39,6
Siccome Arduino è un dispositivo a 5V ho dovuto costruire un circuito apposta per
pilotare il motoriduttore.
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Schema elettrico circuito:
In serie al positivo è presente un diodo 1N4007 per proteggere il dispositivo da una
eventuale inversione di polarità dell’alimentazione
Circuito stampato:
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Foto circuito montato su millefori:
Dopo aver montato tutti i componenti sulla millefori, con i vari ponticelli, ho
spostato le resistenze e collegato i jumper di Arduino alla basetta: (rosso = +5V, nero
= GND, giallo e verde = pin 11 e 12 per pilotare il motoriduttore, bianco e blu = pin
analogici A4 e A5 per le resistenze); in modo da avere tutti i componenti sulla
millefori e non più sulla breadboard. In questo modo ho “risparmiato” cavetti,
facendoli passare da Arduino a millefori e non più da Arduino a millefori a
breadboard. È risultato anche un lavoro più pulito.
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Poi ho collegato il motoriduttore al circuito e le fotoresistenze al pannello solare
tramite 4 cavetti (2 per fotoresistenza) e le ho collegate anch’esse al circuito. Ho
alimentato Arduino tramite un alimentatore a 12V e ho verificato che fosse tutto
funzionante.
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Foto dispositivo finito:
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Conclusioni:
Oggigiorno, vista la crescita della domanda di energia, acquista sempre più
importanza lo studio di tecnologie che permettano di rendere economicamente
conveniente l’utilizzo da fonti alternative (quali eolico, fotovoltaico, solare-termico,
ecc..). Con questo lavoro ho cercato di sviluppare ulteriormente una tecnologia già
molto diffusa e conosciuta come i pannelli fotovoltaici, cercando di ottimizzarne il
rendimento con l’inseguitore solare. Quindi sono riuscito a raggiungere il mio
obiettivo.
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