Vidareutveckling av maxeffektföljande mätutrustning för solpaneler

(1)

Examensarbete 15 hp

Juni 2013

Vidareutveckling av maxeffektföljande

mätutrustning för solpaneler

Alexander Bergström

Viktor Styrud

(2)

Popul¨arvetenskaplig sammanfattning

Solenergi är en förnyelsebar energikälla som det forskas mycket om p˚a Uppsala Universitet. En stor del av solcellsforskningen p˚a Uppsala Universitet handlar om att utveckla solceller i nya material för att p˚a s˚a sätt ta fram en typ som har till exempel lägre produktionskostnad eller högre verkningsgrad. Det finns därför ett stort intresse av att mäta genererad effekt p˚a olika solpaneler och lagra denna data för att p˚a s˚a sätt kunna jämföra dessa. För att göra detta krävs speciell mätelektronik som är anpassad efter solcellernas karakteristiska och varierande egenskaper. Tv˚a viktiga egenskaper ur ett kostruktions- perspektiv för en s˚adan mätkrets är solcellers maxeffektpunkt och dess tomg˚angsspänning respektive kortslutningsström, V_OC och I_SC. Maxeffektpunkten för en solcellsmodul är en egenskap som bestämmer vid vilken spänning och ström som den levererar högst elektrisk effekt.

Denna varierar beroende p˚a temperatur, solinstr˚alning etc. VOC och ISC är viktiga eftersom dessa är den högsta spänning respektive ström som solcellen kan leverera. Mätkretsen m˚aste anpassas s˚a att dessa extremvärden ligger inom dess mätomr˚ade. Detta projekt syftade till att konstruera en elektrisk krets som har till uppgift att automatiskt reglera spänningen över en solcellsmodul genom att variera lastmotst˚andet s˚a att den alltid genererar maximal effekt. Mätretsen skulle ocks˚a skicka mätdata över aktuell maxeffekt var tionde sekund och kunna utföra ett mätsvep där hela vidden av spänningen och strömmen som solcellsmodulen leverar mäts. Det skulle vara möjligt att be om detta mätsvep fr˚an en central PC. Denna data skulle skickas digitalt, till skillnad fr˚an nuvarande mätutrustning, som skickar datan analogt.

Det skulle vara enkelt att anpassa samma krets till olika solcellsmoduler med olika karaktäristik. Mätkretsen togs fram med den tidigare kretsen som grund och byggdes successivt upp p˚a en kopplingsplatta. När en fungerande krets hade utvecklats s˚a monterades den p˚a ett kretskort för att kunna monteras i ett chassi för att klara väder och vind. Resultatet av projektet var en mätkrets som uppfyllde de flesta designkraven.

Undantaget var kravet p˚a att skicka en IV-kurva efter ett kommando fr˚an en central PC. Mätsvepet g˚ar att utföra, men inte efter kommando fr˚an en central PC. Det är dock endast en mindre ändring i mjukvaran som behöver göras för att detta ska g˚a.

(3)

Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten

Besöksadress:

Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0

Postadress:

Box 536 751 21 Uppsala

Telefon:

018 – 471 30 03

Telefax:

018 – 471 30 00

Hemsida:

http://www.teknat.uu.se/student

Abstract

Vidareutveckling av maxeffektföljande mätutrustning för

solpaneler

Further development of maximum power point

tracking measurement instrument for solar panels

Alexander Bergström & Viktor Styrud

För att kunna utvärdera resultaten av solcellsforskningen på Uppsala Universitet krävs anpassad

mätutrustning. Idag finns en krets som kan följa maxeffektspunkten på en

solpanel genom att använda en MOSFET som variabelt motstånd och styra detta via en lågpassfiltrerad PWM-signal från en enkapseldator. Enkapseldatorn mäter kontinuerligt spänning och ström via dess analog-digital-ingångar (ADC ingångar). Strömmen och spänningen skickas också analogt ned till en multimeter i testlabbet som loggar datan. Analoga signaler är mer

störningskänsliga än digitala och kräver också minst två sladdar ifrån varje solpanel till testlabbet. Genom att närmare solcellen konvertera ström och spänning till digital data undviks

störningar samtidigt som det blir lättare att koppla in många solpaneler med färre sladdar. Detta projekt syftade till att vidareutveckla den tidigare mätkretsen. Den skulle kunna anpassas till olika solpaneler, följa maxeffekt snabbare och stabilare än tidigare, förutom ström och spänning även digitalt skicka tomgångsspänningen (Voc) och kortslutningsströmmen (Isc), kunna mäta och skicka en ström-spännings-kurva (IVkurva) efter kommando från en cetral dator och vara utrustad med en LED för felsökningssyfte. En prototypkrets konstruerades och testades via långa kablar (60-70m) från en solcellsmodul på Ångströmslaboratoriets tak ner till testlaboratoriet som uppfyllde alla designkraven förutom ett. Det är inte möjligt att skicka ett kommando från en central dator och få tillbaka en IV- kurva. Det går att programmera om enkapseldatorn med ny programkod för att göra detta. Det är dock bara en

mjukvaruändring som behöver göras för att detta designkrav ska uppfyllas.

Kretsen har inte monterats och testats vid solpanelen där den ska sitta. Både mjukvaran och hårdvaran i kretsen kan utvecklas vidare.

Ämnesgranskare: Henrik Olsson Handledare: Uwe Zimmermann

(4)

Inneh˚ all

1 Inledning 1

1.1 Bakgrund . . . 1

1.1.1 Solcellers maxeffektpunkt . . . 1

1.2 Projektbakgrund . . . 1

1.3 Projektbeskrivning . . . 1

2 Teori 3 2.1 Solceller . . . 3

2.2 Enkapseldator . . . 5

2.2.1 Analog-till-digital-omvandlare - ADC . . . 5

2.2.2 Pulsbreddsmodulering - PWM . . . 5

2.2.3 ATmega328 . . . 6

2.3 Elektroniken i kretsen . . . 7

2.3.1 MOSFET . . . 7

2.3.2 Inverterande differensf¨orst¨arkare . . . 9

2.3.3 Effekt-MOSFET med differensförstärkare för ström- respektive spänningsreglering över solcellsmodul . . . 10

2.3.4 Avkopplingskondensatorer och spolar . . . 11

2.4 Maxeffektsf¨oljning . . . 11

2.4.1 Perturb and observe (kort P&O, sv st¨or och observera) 11 2.4.2 Incremental conductance . . . 12

2.4.3 Constant voltage method (kort CV) . . . 13

3 Metod 14 3.1 Prototypframtagning . . . 14

3.1.1 Spännings- och strömmätning . . . 14

(5)

3.1.2 Enkapseldator f¨or styrning av MPPT-algoritm . . . . 16

3.1.3 Design av kretskort . . . 17

3.1.4 Design av chassi . . . 17

3.1.5 Designval och kretsoptimeringar . . . 18

3.2 Algoritmer och dataprotokoll . . . 21

3.2.1 MPPT-algoritm . . . 21

3.2.2 Modbus . . . 24

3.2.3 IV-svep . . . 24

4 Resultat 25 4.1 Maximal uppn˚add effekt . . . 25

4.2 Hastighet i kretsen . . . 25

4.2.1 Maximal PWM-¨andring . . . 25

4.2.2 95-100 PWM-¨andring . . . 25

4.3 IV-svep . . . 26

4.4 MPP/V_OC . . . 27

5 Diskussion 30 5.1 Maximal uppn˚add effekt . . . 30

5.2 Hastighet i kretsen . . . 30

5.3 IV-svep . . . 30

5.4 MPP/V_OC . . . 31

5.5 F¨orb¨attringar . . . 31

6 Slutsats 32

A Appendix 33

(6)

A.1 Oscilloskopbilder av kretshastighet . . . 33 A.2 Ovriga grafer ifr˚¨ an IV-svep . . . 37

(7)

Vidareutveckling av maxeffektföljande mätutrustning för solpaneler

1 Inledning

1.1 Bakgrund

Solenergi ¨ar en energik¨alla som det forskas mycket om p˚a Uppsala Universitet.

Det vanligaste materialet i solceller idag är kisel [IEA PVPS, 2012]. En stor del av solcellsforskningen p˚a Uppsala Universitet handlar om att hitta andra material att ersätta kiselsolcellerna med. Olika m˚al är att f˚a högre verkningsgrad eller billigare produktionskostnad. Det finns därför ett stort intresse av att mäta genererad effekt p˚a olika solpaneler och lagra denna data för att p˚a s˚a sätt kunna jämföra dessa över tid. För att göra detta krävs speciell mätelektronik som är anpassad efter solcellernas karakteristiska och varierande egenskaper.

1.1.1 Solcellers maxeffektpunkt

Solceller har en punkt med maximal effekt, en s˚a kallad ”maximum power point” (MPP), med motsvarande optimal ström (I_mp) och optimal spänning (V_mp). MPP:n varierar beroende p˚a förändring av solinstr˚alning skapade av faktorer s˚asom ändring av vinkeln mellan infallande solstr˚alar och solpanel, moln och lokala skuggor. [Zimmermann and Edoff, 2012] Genom att reglera lastmotst˚andet kan MPP:n följas och solpanelen kan arbeta s˚a effektivt som möjligt och därmed generera maximal elektrisk energi.

1.2 Projektbakgrund

En tidigare krets existerar f¨or m¨atning av data. Denna krets centrala del

¨

ar en enkapseldator. Detta är en integrerad krets som inneh˚aller processor, minne och olika stödfunktioner. Den är väldigt lätt att anpassa till olika syften och lämpas sig väl för uppgifterna i detta projekt. Den tidigare kretsen är en maxeffektföljare (MPPT) och kan reglera ett lastmotst˚and för att därefter analogt skicka ned ström och spänning till en multimeter som utför de faktiska mätningarna. Analoga signaler är mer störningskänsliga

¨

an digitala signaler eftersom det räcker med en liten störning för att man ska f˚a ett annat värde. För att en digital signal ska störas m˚aste det ske en störning s˚a stor att en etta skiftas till en nolla eller tvärtom. Om en digital signal störs g˚ar det ocks˚a att upptäcka lättare och man kan därmed skicka mätdatan en g˚ang till. [?] En annan begränsning med analoga mätsignaler

är att man behöver ˚atminstone en sladd för varje signal, medan man kan skicka digital data ifr˚an en stor mängd olika källor igenom samma sladd via databussning.

1.3 Projektbeskrivning

Detta projekt syftade till att vidareutveckla den tidigare kretsen. M˚al som skulle uppfyllas var:

(8)

Vidareutveckling av maxeffektf¨oljande

m¨atutrustning f¨or solpaneler 1.3 Projektbeskrivning

Minst var tionde sekund skulle kretsen kunna skicka m¨atdata digitalt via en databuss

Motst˚anden i spänningsdelaren skulle vara lätta att byta ut för att kunna använda kretsen p˚a solpaneler med olika specifikationer

Det skulle g˚a att programmera om enkapseldatorn

Det skulle finnas en LED som kunde styras av enkapseldatorn i fels¨okningssyfte

Kretsen skulle kunna utföra ett mätsvep över spänningsomr˚adet för att returnera en IV-kurva

Kretsen skulle sj¨alv kunna hitta MPP vid ¨andrad solinstr˚alning

Det skulle g˚a att montera kretsen s˚a att den t˚al utomhusmilj¨o

(9)

2 Teori

2.1 Solceller

Solceller använder den fotovoltaiska effekten för att omvandla solljus till elektrisk energi. Ljus best˚ar av fotoner, vilka är sm˚a energipaket. Beroende p˚a ljusets v˚aglängd f˚ar fotonerna olika mycket energi. När solljus skiner p˚a ett material kan energin fr˚an fotonerna excitera elektroner i materialet.

Vanligtvis ˚aterg˚ar elektronerna snabbt till grundtillst˚andet. I en solcell träffar fotonerna ett halvledande material där elektroner exciteras s˚a högt att de n˚ar ett ledande material och frigörs. P˚a grund av materialkompositionen i solcellen kan elektronerna bara röra sig i en riktning. Flera solceller kopplas samman till en solpanel och ansluts till en krets s˚a man f˚ar en elektrisk ström [Nelson, 2003].

Typiskt för solceller är att ström-spännings-kurvan (kort IV-kurvan) inte är linjär och att det därför finns en viss punkt (MPP) där effekten är maximal.

En rad olika faktorer p˚averkar vid vilken spänning MPP ligger. Figur 1 visar hur IV-kurvan förändras vid ändrad solinstr˚alning p˚a en typisk solcell.

Den mörkbl˚a vertikalg˚aende linjen visar var maxeffektspunkten ligger för de olika instr˚alningarna. Som man ser p˚a linjen är förändringen ganska liten men samtidigt inte heller linjär eller p˚a annat sätt trivial att räkna ut.

(10)

m¨atutrustning f¨or solpaneler 2.1 Solceller

Figur 1: IV-kurva med MPP vid olika solinstr˚alning [5]

Tv˚a viktiga punkter p˚a IV-kurvan för solceller är spänningen för öppen krets V_oc(eng. voltage open-circuit) och kortslutningsströmmen I_sc (eng current short-circuit). De ligger där IV-kurvan skär respektive axel.

Till vänster i figur 2 visas hur IV-kurvan ser ut för en viss solpanel under 600 W/m², 800 W/m² respektive 1000 W/m² solinstr˚alning men konstant temperatur 20 ^◦C. IV-kurvan förskjuts framför allt i höjdled s˚a att I_sc varierar mellan 4 A, 5 A respektive 6 A medan Voc ligger p˚a 49 V för alla tre kurvorna.

Till höger i figur 2 visas hur IV-kurvan ser ut för en samma solpanel under 30 ^◦C, 25 ^◦C respektive 20 ^◦C men konstant solinstr˚alning 1000 W/m². IV-kurvans förskjuts framförallt i sidled s˚a att V_oc varierar mellan 38 V , 43 V respektive 49 V .

(11)

m¨atutrustning f¨or solpaneler 2.2 Enkapseldator

Figur 2: IV-kurvor vid olika solinstr˚alning och temperatur [7]

P˚a solpanel utan kylning ger ökad solinstr˚alning ocks˚a ökad temperatur vilket gör IV-kurvan förskjuts b˚ade i höjdled och sidled. P˚a grund av att MPP:ns läge p˚averkas av m˚anga olika faktorer kan det vara sv˚art att exakt beräkna MPP. Var man befinner sig p˚a IV-kurvan, dvs vilken effekt man f˚ar ut av solpanelen beror p˚a hur stort lastmotst˚and solcellen kopplas till. Ökat lastmotst˚and ger högre spänning över solcellsmodulen och tvärtom ger en minskning av lastmotst˚andet en minskning av spänningen över solcellsmodulen.

2.2 Enkapseldator

2.2.1 Analog-till-digital-omvandlare - ADC

ADC (eng. Analog-digital-conversion) bygger p˚a att en inspänning jämförs med en referensspänning s˚a att man f˚ar ett kvantifierat värde mellan 0 och upplösningen. ADC:n i Atmega328 [The Atmel Corporation, 2009] har en upplösning p˚a 10 bitar. Det betyder att ADC:n kan anta värden mellan 0 och 1023. För att kunna mäta signalen s˚a bra som möjligt bör man ha en referensspänning som ligger s˚a nära den maximala inspänningen som möjligt. Om man har för l˚ag referensspänning kan inspänningen bli för hög och därmed ligga utanför det mätbara omr˚adet. Om man istället har för hög referensspänning tappar man upplösning. Med en referensspänning p˚a 5V och en inspänning som kan variera mellan 0 till 2.5V f˚ar man en effektiv upplösning p˚a hälften av den maximala. En 10 bitars ADC kan d˚a anta värden mellan 0 och 511 och samtidigt ha 512 värden som aldrig uppn˚as.

[The Atmel Corporation, 2009]

2.2.2 Pulsbreddsmodulering - PWM

PWM (eng. Pulse width modulation) bygger p˚a att skicka ut en signal som har tv˚a lägen, p˚a eller av. Detta är en vanlig metod för att styra analoga kretsar med hjälp av en processor [Barr, 2001]. De flesta enkapseldatorer har en eller flera utg˚angar för PWM [The Atmel Corporation, 2009]. Dessa kan

(12)

m¨atutrustning f¨or solpaneler 2.2 Enkapseldator

till exempel representeras av en spänning p˚a 5V respektive 0V. Genom att snabbt byta mellan dessa tv˚a lägen och l˚ata signalen vara p˚a en viss andel av tiden kan man skapa ett medelvärde n˚agonstans mellan p˚a och av. Detta kan användas i en rad olika komponenter. Ett enkelt exempel är en lysdiod som ser ut att lysa olika starkt beroende p˚a hur stor del av tiden den är p˚a.

Detta förutsätter att frekvensen för pulserna är tillräckligt hög för att man inte ska hinna se att den blinkar. Samtidigt m˚aste lysdioden kunna g˚a fr˚an tänd till släckt under intervallet för en puls.

Figur 3 visar tre olika PWM-signaler. I ordning uppifr˚an och ned visas signalen f¨or en PWM som ¨ar p˚a respektive 5%, 50% och 90% av cykeltiden.

Med 5V som matningsspänning skulle detta allts˚a motsvara en signal p˚a 0.25V, 2.5V och 4.5V respektive. Cykeltiden är 2ms vilket ger en frekvens p˚a 500Hz vilket i fallet med lysdioden är mer är nog [Barr, 2001] men i de flesta användningsomr˚adena brukar man använda en frekvens p˚a 1kHz till 200kHz.

Figur 3: PWM-signaler vid olika pulsbredd [1]

2.2.3 ATmega328

ATmega328 är en enkapseldator med 32kB flashminne. Figur 4 visar en ATmega328 med dess utg˚angar. Vcc och intilligande GND är enkapseldatorns matningsspänning respektive jord. Portarna märkta med ADC0 till ADC5 kan användas för ADC. För att ADC ska fungera krävs att maximal och minimal spänning som ska mätas kopplas till AREF respektive intilligande

(13)

m¨atutrustning f¨or solpaneler 2.3 Elektroniken i kretsen

GND. Ytterligare matningssp¨anning som inte f˚ar skilja mer ¨an ±0.3V fr˚an Vcc ska ocks˚a kopplas in till AVCC.

MISO (Master Input Slave Output), MOSI (Master Output Slave Input), RESET och SCK (Serial Clock) kopplas till en master till exempel igenom USB-porten p˚a en dator. Dessa krävs för att kunna skriva kod till enkapseldatorn. MISO och MOSI används för att skicka respektive hämta data fr˚an enkapseldatorn. RESET används för att ˚aterställa enkapseldatorn till programstart och kan ocks˚a anropas igenom att kopplas till jord.

Figur 4: ATmega328 med utg˚angar [2]

2.3 Elektroniken i kretsen 2.3.1 MOSFET

MOSFET är en typ av FET (fälteffekttransistor). Det är en 3-terminalig elektrisk halvledarkomponent som främst används för att förstärka elektriska signaler eller för växling [Horowitz and Hill, 1989].

(14)

Figur 5: Exempelkrets med MOSFET

När gatepotentialen, VG, är högre än sourcepotentialen, VS, och n˚ar över transistorns tröskelspänning, VT kan en ström g˚a mellan drain och source.

Denna ström, I_D kommer att bero p˚a hur hög V_G sätts. P˚a grund av de ickelinjärna egenskaperna s˚a är det inte trivialt att bestämma en arbetspunkt för MOSFET:en. Effekten av MOSFET:ens egenskaper är att en l˚agimpediv last kan drivas med en högimpediv spänningskälla. Hur stor förstärkningen

¨ar varierar mellan olika MOSFET:ar [Horowitz and Hill, 1989].

Figur 6: IDVGS-kurva f¨or effekt-MOSFET IRF730AS

(15)

Idealiskt sett ska inte n˚agon drainstr¨om g˚a igenom MOSFET:en innan V_GS

¨

overstiger VT. Därefter ska ID vara konstant. I figur 6 visas IDVGS-kurvan för en effekt-MOSFET. Man kan där se ett ickelinjärt samband mellan I_d och V_GSprecis under V_T. Det finns allts˚a en möjlighet att reglera resistansen genom MOSFET:en genom att variera VGS i det omr˚adet. P˚a detta sätta kan en MOSFET användas som ett variabelt motst˚and.

2.3.2 Inverterande differensf¨orst¨arkare

Det finns olika typer av differensförstärkare, men den vanligaste typen är operationsförstärkaren eller OP-förstärkaren, [Horowitz and Hill, 1989].

Operationsförstärkaren är en spänningsförstärkande komponent med tv˚a ing˚angar och en utg˚ang (figur 7). Ing˚angarna kallas inverterande respektive icke-inverterande och markeras med - respektive +. En operationsförstärkare producerar typiskt en utg˚angssignal som är hundratusentals g˚anger större

¨an sp¨anningsdifferensen mellan ing˚angarna.

Figur 7: Schematisk bild av en operationsf¨orst¨arkare

Figur 8: Operationsf¨orst¨arkare med ˚aterkoppling

Idealt s˚a är ing˚angsimpedansen oändlig och utg˚angsimpedansen 0. Oftast används OP-förstärkaren med ˚aterkoppling fr˚an utg˚angen tillbaka till antingen den inverterande eller ickeinverterande ing˚angen (figur 8).

(16)

Figur 9: Operationsförstärkare kopplat som en inverterande differensförstärkare

Figur 10: Operationsförstärkare som en icckeinverterande differensförstärkare

P˚a grund av ˚aterkopplingen s˚a kommer potentialen p˚a utg˚angen automatiskt sättas s˚a att spänningsdifferensen mellan ing˚angarna elimineras. Detta kan utnyttjas för att f˚a olika typer av förstärkning p˚a utg˚angen.

Kopplar man OP-förstärkaren enligt figur 9 s˚a f˚as en inverterande förstärkare.

Signalförstärkningen beräknas enligt

V_ut/R₂ = −V_in/R₁ ⇒ V_ut/V_in = −R₂/R₁ (1)

vilket gör att in-signalen kommer att byta tecken och förstärkningen beror p˚a kvoten mellan R2 och R1.

Om man istället kopplar OP-förstärkaren enligt figur 10 s˚a f˚as en ickeinverterande differensförstärkare. Signalförstärkningen beräknas enligt

V_in= V_utR₁/(R₁+ R₂) ⇒ V_ut/V_in = (R₁+ R₂)/R₂ (2)

vilket gör att förstärkningen beror p˚a förh˚allandet i spänningsdelaren R₁/(R₁+ R₂).

2.3.3 Effekt-MOSFET med differensförstärkare för ström- respektive spänningsreglering över solcellsmodul

Genom att sätta ett börvärde, V_set, p˚a differensförstärkarens inverterande ing˚ang och göra en ˚aterkoppling fr˚an utg˚angen till den inverterande ing˚angen, kommer den ickeinverterande ing˚angen att följa V_set. Solcellens positiva potential skalas ner s˚a att den ligger under differensförstärkarens matningsspänning för att inte tappa mätomr˚ade och kopplas till den ickeinverterande ing˚angen. (figur 11). Till utg˚angssidan p˚a differensförstärkaren kopplas gaten p˚a en effekt-MOSFET. Om man ser till att arbeta i

(17)

mätutrustning för solpaneler 2.4 Maxeffektsföljning

MOSFET:ens linjära region, det vill säga där den beter sig som ett motst˚and,s˚a kan man styra spänningen över solcellsmodulen [Garrigós and Blanes, 2005].

Figur 11: Schematisk bild över effekt-MOSFET kopplat med differensförstärkare för styrning av elektrisk last över solcellsmodul.

VSOL+* ¨ar VSOL+ nerskalad

2.3.4 Avkopplingskondensatorer och spolar

I en krets best˚aende av m˚anga TTL-enheter (Transistor transistor logic) kan det uppst˚a brus i matningsspänningen. Detta är ett väldigt högfrekvent brus. Idealt skulle detta inte hända om spänningskällan inte har n˚agon utg˚angsimpedans. I verkligheten s˚a har alla spänningskällor en inre resistans vilket gör att när en enhet sl˚ar p˚a och tar ström fr˚an matningen s˚a sjunker matningsspänningen under en kort tid vilket skapar en fluktuation. Detta kan undvikas genom att man kopplar kondensatorer mellan jord och matningsspänning för alla enheter. Detta gör att alla högfrekventa signaler f˚ar en l˚agimpediv väg till jord genom en kondensator. Man kan ocks˚a koppla en spole mellan olika enheters matning. Spolen är högimpediv för höga frekvenser och försäkrar ytterligare att inga högfrekventa variationer i matningsspäningen ska kunna fortplanta sig till andra enheters matning [Baker, 2004].

2.4 Maxeffektsf¨oljning

2.4.1 Perturb and observe (kort P&O, sv stör och observera) Perturb and observe [Hohm and Ropp, 2002] är den vanligaste metoden för maxeffektsföljing p˚a grund av dess lätta implementation. Metoden g˚ar ut p˚a att öka spänningen lite för att se vad som händer med effekten. Om effekten

ökar fortsätter man öka spänningen tills effekten slutar öka. P˚a samma sätt minskar man spänningen om effekten minskar. Vid begränsad upplösning kommer man till slut hitta en punkt p˚a vardera sida om maxeffektpunkten som algoritmen kommer att oscillera mellan. Ett annat problem med metoden

(18)

är att yttre störningar p˚a effekten (s˚asom snabba skuggningar) som minskar spänningen över solcellen under en kort tid gör att den under en klättring mot MPP ändrar h˚all och g˚ar ˚at fel h˚all.

2.4.2 Incremental conductance

Incremental conductance [Hohm and Ropp, 2002] bygger p˚a f¨oljande egenskaper:

I/V > dI/dV f¨or dP/dV > 0

I/V < dI/dV f¨or dP/dV < 0

I/V = dI/dV f¨or dP/dV = 0

Man använder allts˚a b˚ade förh˚allandet mellan ström och spänning och dess derivata för att ta reda p˚a hur effekten ändras vid en spänningsändring. Som man ser i figur 12 motsvarar dP/dV = 0 maxeffektspunkten. dP/dV > 0 till vänster om MPP och dP/dV < 0 till höger om MPP. Genom att se hur stor skillnaden är mellan kvoten I/V och dI/dV kan man ocks˚a se ungefär hur l˚angt ifr˚an maxeffektspunkten man är och därmed anpassa stegen.

Figur 12: Effekt-sp¨anningskurvor f¨or olika solinstr˚alning [3]

Fördelar med denna metod jämfört med P&O är att den p˚a grund av att den använder sig av derivata snabbare kan hitta till MPP. Den hittar ocks˚a punkten med högre noggrannhet och kan därför stanna vid V_mp när den hittat MPP. Det är inte förrän I/V = dI/dV slutar gälla som algoritmen

(19)

behöver fortsätta. Nackdelen är att denna metod tar mer beräkningskraft.

B˚ade denna metod och P&O kallas för ”Hill climbing” (bergsbestigning) eftersom de bygger p˚a att effekten fortsätter stiga tills man n˚ar MPP och därefter dalar.

2.4.3 Constant voltage method (kort CV)

CV [Hohm and Ropp, 2002] kallas ¨aven ”Open voltage Ratio method”

eftersom den använder sig av ett förh˚allande mot VOC för att hitta maxeffektspunkten. Som man ser i figur 13 ligger MPP alltid p˚a ungefär samma andel av V_OC.

Figur 13: F¨orh˚allandet mellan MPP och VOC f¨or olika solinstr˚alning [4]

En vanlig kvot k = VM P P/VOC är 76%. I metoden mäts VOC i varje cykel och man sätter V_{M P P} = k ∗ V_OC. Fördelar med metoden är att den mycket snabbt hittar MPP. Nackdelen är att noggrannheten inte blir särskilt hög.

Om VOC ändras mellan mätningarna kommer algoritmen tappa MPP tills en ny mätning av V_OC görs. Kvoten V_{M P P}/V_OC kan ocks˚a ändras beroende p˚a till exempel solcellens temperatur.

(20)

3 Metod

3.1 Prototypframtagning

Projektarbetet inleddes med en litteraturstudie för att f˚a en grundläggande först˚aelse för solcellens egenskaper och för att lära sig funktionerna hos en enkapseldator ur ATmega-familjen samt hur den programmeras. Detta gjordes genom att utföra en serie laborationer ur tv˚a kurser som ges p˚a Uppsala Universitet; Kurs om solceller och 1TE663 Microcontroller Programming.

I början av projektet fanns det inte tillg˚ang till solcellsmoduler i den skala som mätkretsen skulle mäta p˚a. Därför byggdes det först en prototypkrets som utförde mätningar p˚a en solcellsmodul i mycket mindre skala, ca 0,01m². Figur 14 visar den enklaste prototypen uppkopplad p˚a kopplingdäck.

Prototypen saknade l˚agpassfilter, kylflänsar, databusskoppling och andra komponenter som visade sig behövas för den riktiga kretsen. För att lättare kunna felsöka under utvecklingsstadiet användes en LCD som kunde skriva ut textsträngar ifr˚an enkapseldatorn.

Figur 14: Enklaste prototypkopplingen för maxeffektsföljning med felsöknings-LCD

Till grund för kretsen användes den tidigare mätkretsens mest grundläggande delar. Denna skalades ner för att matcha den lilla solcellsmodulens karakterisktik. P˚a s˚a sätt kunde kretsen succesivt skalas upp och optimeras.

3.1.1 Spännings- och strömmätning

Spänningsmätningen gjordes med en ickeinverterande differensförstärkare.

(21)

m¨atutrustning f¨or solpaneler 3.1 Prototypframtagning

Figur 15:

Operationsförstärkarkoppling för spänningsmätning genom solcellsmodul med V_OC p˚a 4V

Figur 16:

Operationsförstärkarkoppling för spänningsmätning genom solcellsmodul med V_OC p˚a 7A

För den mindre solcellsmodulen valdes R30=R31=20kΩ och R32=R33=10kΩ (figur 15) vilket gav en förstärkning enligt

R_32,33

R_30,31 = V_SOL+− V_SOL−= V_{M ODU L}

24 = V_{M EAS} (3)

Den maximala spänningen solcellsmodulen kan leverera, V_OC, skalades ner s˚a att den matchade ADC:ns mätomr˚ade p˚a 0-5V. Dessa komponentvärden sattes till R₃₀=R₃₁=240kΩ och R₃₂=R₃₃=10kΩ när kretsen anpassades efter den stora solcellsmodulens V_OC (figur 16). Notera att detta skalade ner spänningen till under 2.5V, detta för att en yttre referensspäning p˚a 2.5V användes I ADC:n, vilket beskrivs närmare i kapitel 3.1.3.

Figur 17:

Operationsförstärkarkoppling för strömmätning genom solcellsmodul med ISC p˚a 0,02A

Figur 18:

Operationsförstärkarkoppling för strömmätning genom solcellsmodul med ISC p˚a 7A

För att mäta ISC p˚a den lilla solcellsmodulen användes en inverterande differensförstärkare (figur 17). Strömmen mäts indirekt genom att mäta

(22)

spänningsfallet över shunt-motst˚andet R_SH. För att inte nollniv˚an för solcellsmodulens spänning ska bli märkbart förändrat p˚a grund av spänningsfallet över R_SH s˚a valdes ett med l˚ag resistans. För den mindre solcellsmodulen användes komponenter enligt R_SH = 10Ω, R₂₀=100kΩ och R21=10kΩ. Detta gör att den uppskalade strömsignalen ges av

VIM EAS = −R21

R20

1VSOL−= R21RS

R20

IM OD = IM OD100V

A (4)

Strömsignalens mätomr˚ade 0-0,25A skalades till ADC:ns mätomr˚ade, 0-5V.

Detta för att maximera upplösningen i strömmätningen. Dessa komponentvärden sattes till R_SH = 0.25Ω, R₂₀=110kΩ och R₂₁=151kΩ när kretsen anpassades efter den stora solcellsmodulens ISC. Enligt (4) s˚a ger det att

V_{IM EAS} = I_{M OD}151 440

V

A (5)

Notera att även här skalas strömmätsignalen ner till under 2.5V, detta för att en yttre referensspäning p˚a 2.5V användes I ADC:n. Även ett annat värde p˚a R_SH användes. Detta för att minska spänningsfallet över R_SH ytterligare.

Figur 19: Brygga med R30, R31, R32, R33, R21 och R20

R₃₀, R₃₁, R₃₂, R₃₃, R₂₁ och R₂₀ sattes p˚a en motst˚andsbrygga för att en och samma mätmodul ska g˚a att använda p˚a solcellsmoduler med varierande I_SC och V_OC (figur 19).

3.1.2 Enkapseldator f¨or styrning av MPPT-algoritm

Den centrala komponenten i styrningen av MPPT-algoritmen är en ATmega328. Dess PWM-funktion används för att ge ett börvärde, V_set, som sedan ett nedskalat mätvärde fr˚an solcellen följer, vilket reglerar spänningen

över solcellen, och därmed även strömmen genom den. Mätvärden som skalas ner genom differensförstärkare mäts av enkapseldatorns AD-omvandlare.

(23)

3.1.3 Design av kretskort

Efter att kretsen testats p˚a kopplingsplatta s˚a togs det fram en kretskortsdesign för samma krets. Denna modellerades i CAD-programmet EAGLE. Ett dubbelsidigt kretskort användes. Kortet designades s˚a att endast undersidan hade kopparbanor. Fokus lades p˚a att se till s˚a att de övre kopplingarna endast gick i raka linjer, detta för att slippa etsa kopparbanor.

De övre kopplingarna löddes med oisolerade ledningar. En första prototyp etsades i laboratoriet istället för att beställas för att spara tid om eventuella buggar i designen uppdagades. Dessa kunde d˚a snabbt korrigeras och ett nytt kort kunde etsas p˚a plats i laboratoriet. Ett mindre kretskort designades och etsades p˚a samma sätt för montering av shuntmotst˚and och motst˚and i parallelkopplingen av effekt-MOSFET:arna (figur 20).

Figur 20: Kretskort f¨or paralellkoppling av effekt-MOSFET:ar

3.1.4 Design av chassi

Samma chassi användes som i den tidigare designen (figur 21). Chassits baksida är en kylfläns som har till uppgift att leda bort värme som alstras i effekt-MOSFET:arna. Den enda modifikationen som gjordes var att borra h˚al för montering av tre MOSFET:ar parallellt

(24)

Figur 21: Chassi f¨or utomhusmontering

3.1.5 Designval och kretsoptimeringar

I detta stycke kommer det att tas upp vilka val som gjordes gällande design av kretsen för att optimera dess stabilitet och övergripande prestanda. Dessa designval p˚averkar inte resultatet utav projektet direkt, men spelar änd˚a en central roll i hur kretsen är uppbyggd och hur olika problem som uppstod löstes.

Parallellkopplade effekt-MOSFET:ar för att öka värmeavledning Tre effekt-MOSFET:ar kopplades parallellt i slutprototypen. Detta gjordes för att öka värmeavledningen och p˚a s˚a sätt öka effektkapaciteten hos den variabla lasten [Zimmermann and Edoff, 2012].

Nätspänningens grundfrekvens fortplantades Nätspänningens grundfrekvens (50Hz) fortplantades genom halogenlampan in i mätkretsen vilket ledde til att mätsignalen oscillerade. Detta gjorde att algoritmen för att hitta MPP ofta gick ˚at fel h˚all eftersom en mätning kunde ge högre effekt än den borde. För att motverka fluktuationerna i VV M EAS och VIM EAS kopplades ett l˚agpassfilter in som filtrerade bort större delen av dessa störningar till- sammans med att medelvärdesbilda ett antal mätningar i ett intervall som motsvarade periodtiden för nätspänningen (20ms), varje g˚ang en mätning skulle göras. Detta filter behövdes inte när kretsen kopplades till den riktiga

(25)

solpanelen som drevs av solljus eftersom solinstr˚alningen inte pulserade med en konstant frekvens.

Kondensatorer och spole för att minska högfrekvent brus p˚a matningsspänningen Det uppstod instabilitet i kretsen som framför allt märktes p˚a att LCD:n frös fast. Kondensatorer (1nF respektive 100nF) kopplades mellan jord och matningsspänning för alla delkomponenter. P˚a s˚a sätt eliminerades högfrekventa spänningstoppar som uppstod när komponenter slogs av och p˚a. En spole (10µH) kopplades mellan AD-omvandlarens matnings- och referensspänning för att stabilisera ytterligare när matningsspänningen används som referensspänning.

LCD och LED för felsökning I prototypkretsen som kopplades p˚a kopplingsplatta s˚a användes en LCD-display för att kunna göra strängut- skrifter i felsökningssyfte. I den slutgiltiga kretskortsdesignen implemen- terades en LED för felsökningssyfte.

Spänningsreferens D˚a temperaturberoendet för ATmega328:s referensspänning inte fanns specifierad i databladet användes istället en yttre spänningsreferens, lm385 [Texas Instruments, 2005]. Den ger en stabil referensspänning som varierar väldigt lite med temperaturen.

Oversp¨¨ anningsskydd När solpanelen kopplades in blev en del komponenter överhettade och slutade fungera. Komponenterna byttes ut och mellan jord och matning kopplades en zenerdiod för att släppa igenom ström om

spänningsskillnaden gick över 5.5V [Modica and Arkin, 2012]. P˚a s˚a sätt motverkades att komponenter matades med för hög spänning. De sladdar där hög spänning och ström gick dimensionerades ocks˚a upp och kopplingarna gjordes

noggrannare vilket gjorde att problemet inte ˚ateruppstod.

Differensförstärkare istället för Spänningsdelning vid nedskalning För att skala ner spänningen över solcellen s˚a att den skulle bli mätbar med ADC användes tv˚a motst˚and för att göra en enkel spänningsdelning. Detta fungerar inte eftersom ADC:omvandlaren använder jord som referens och vi mäter en spänningsdifferens. Därför används en differensförstärkare istället.

(26)

Filtrering av PWM-signal För att filtrera ut likströmsdelen ur PWM- signalen användes först ett första ordningens l˚agpassfilter efter PWM-signalen med en gränsfrekvens p˚a 338Hz. Detta var inte tillräckligt eftersom signalen vid vissa frekvenser (till exempel 3.125kHz) fortplantade sig s˚a att spännings- mätningen gav ett missvisande resultat. Med ett tredje ordningens filter med 33.8Hz gränsfrekvens dämpades signalen tillräckligt för prototypkretsen. För att inte signalstyrka skulle förloras vid användandet av ett passivt filter användes istället ett aktivt Sallen Key-filter [Horowitz and Hill, 1989]. Detta designades med en brytfrekvens p˚a 600Hz. Brytfrekvensen valdes för att inte de snabba PWM-ändringarna skulle filtreras bort, men änd˚a dämpa brus i form av höga egenfrekvenser fr˚an PWM-signalen. 100 PWM-ändringar per sekund ger en promilles upplösning. Enkapseldatorns inre klocka och PWM:ns upplösning ger 8Mhz/256=15kHz vilket blir typ 78dB dämpning ifr˚an 600Hz. 60dB motsvarar en promille.

(27)

m¨atutrustning f¨or solpaneler 3.2 Algoritmer och dataprotokoll

Figur 22: Den f¨ardiga kretskortdesignen

3.2 Algoritmer och dataprotokoll 3.2.1 MPPT-algoritm

Algoritmen som användes för att följa MPP var baserad p˚a Uwe Zimmermanns metod som användes i den tidigare mätkretsen [Zimmermann and Edoff, 2012]. Algoritmen hämtar in och jämför mätdata för att bestämma vilken styrsignal som ska skickas tillbaka. Figur 23 visar flödesschemat för MPPT-algoritmen. Den avgör vilket h˚all PWM-signalen ska stegas eller om den ska ˚aterställas till ett startvärde.

Nedan f¨orklaras de olika stegen och funktionerna som anv¨andes i

(28)

maxeffektf¨oljningsalgoritmen.

˚Aterställning Startvärdet ges av V oc f actor ∗ V_OC där V oc f actor h˚ardkodas till den procent av Voc där MPP bör ligga enligt tidigare mätningar.

Vid varje ˚aterställning av algoritmen mäts V_OC p˚a nytt. P˚a s˚a sätt använder algoritmen CV-metoden för att snabbare hitta MPP. Denna del skiljer sig ifr˚an den tidigare metoden där PWM-signalen vid ˚aterställning sattes till 0.[Zimmermann and Edoff, 2012]

Räknaren för returvariabler ”countMPPT” Efter ˚aterställning följer en inre funktion enligt figur23b där första anropet g˚ar till räknaren för returvariabler ”countMPPT”. Räknaren h˚aller koll p˚a hur m˚anga cykler som g˚att sedan data senast sparades i returvariabler. När ett visst antal cykler g˚att sparas V1 och I1 ned i respektive returvariabel och mätning av VOC och ISC anropas. PWM-signalen sätts d˚a till max respektive 0.

PWM-ändring och mätning Mellan all ändring av PWM och mätning väntar algoritmen den tid det tar för kretsen att stabiliseras (t_settle). Varje mätning best˚ar av flera snabba mätningar i följd där medelvärdet returneras.

Inre funktionen Den inre funktionen s¨atter PWM-signalen till Vset

respektive V_set + 2∆V och returnerar de uppm¨atta effekterna P1 och P2.

∆V är den minsta möjliga ändringen av PWM-signalen det vill säga 1/255.

Yttre funktionen Figur 23a visar fl¨odesschemat f¨or den yttre funktionen.

Etikett A är en snabb koll för att ˚aterställa om Vset är högre än spänningen solcellen kan leverera, vilket annars skulle göra att algoritmen kör fast.

Genom att jämföra Vset med V2 istället för Voc behöver man inte uppdatera Voc för att undvika att algoritmen kör fast. För att inte r˚aka ˚aterställa algoritmen p˚a grund av snabba variationer i spänningen m˚aste ocks˚a P1 och P2 vara lika för att algoritmen ska ˚aterställas. Etikett B ˚aterställer om Vset ligger utanför ett h˚ardkodat intervall av VOC där MPP bör ligga.

Förutsatt att V oc_factor är satt till ett lämpligt värde snabbar detta upp algoritmen vid plötslig minskning av solinstr˚alning. Vset hamnar direkt när MPP istället för att behöva stegas hela vägen. Eftersom VOCinte uppdateras i varje cykel används det senast mätta värdet. Om P 2 > P 1 (etikett C) betyder ökad Vset, ökad effekt. Vset ökas d˚a med ∆V och algoritmen g˚ar

˚aterigen till den inre funktionen. Om Vset inte kan ¨okas 3∆V utan att

överstiga Vmax ˚aterställs algoritmen, eftersom den inte skulle kunna fortsätta.

(29)

N˚agot har d˚a g˚att fel eftersom motst˚anden i kretsen ska dimensioneras s˚a att MPP aldrig ligger nära Vmax. Om P 2 < P 1 (etikett D) betyder ökad Vset, minskad effekt. Vset minskas d˚a med ∆V och algoritmen g˚ar ˚aterigen till den inre funktionen. Om Vset inte kan minska ∆V utan att n˚a 0 ˚aterställs algoritmen, eftersom den inte skulle kunna fortsätta. N˚agot har d˚a g˚att fel eftersom motst˚anden i kretsen ska dimensioneras s˚a att MPP aldrig ligger nära 0.

(a) Yttre funktion

(b) Inre

funktion

Figur 23: Fl¨odesschema f¨or MPPT-algoritmen. Etiketterna A-D finns beskrivna i texten.

(30)

3.2.2 Modbus

För att hämta data ifr˚an kretsen till en central dator används dataöverförings- protokollet Modbus ,[The Modbus Organisation, 2012]. I varje cykel i MPPT- algoritmen undersöks om den centrala datorn vill hämta data. Om s˚a är fallet skickas de senaste returvariabler som sparats av countMPPT.

3.2.3 IV-svep

När enkapseldatorn ställs in för att göra IV-svep mäts först V_OC. Därefter sätts PWM-signalen till varje möjligt värde mellan 0 och V_OC. Spänningen och strömmen mäts mellan varje ändring och sparas i tv˚a vektorer. Värdena skickas i paket med 5 värden av varje typ samt en räknare för att kunna se att alla paket kommit med. Algoritmen skickar ett paket i taget varje g˚ang den centrala datorn ber om det tills alla värden skickats. Eftersom algoritmen väntar p˚a att den centrala datorn ska hämta alla data s˚a m˚aste algoritmen vänta tills datan är färdigskickad.

(31)

4 Resultat

4.1 Maximal uppn˚add effekt

För solpanelen som skulle ha specifikationen 100W uppmättes en maximal effekt p˚a 24V*4.5A=108W. Spänningen och strömmen mättes d˚a med multimetrar uppkopplade nere i testlabbet (60-70m sladd bort) och samtidigt med mätkretsen som gav samma resultat. Specifikationerna kom dock ifr˚an en liknande solpanel eftersom den det mättes p˚a var gammal och inte hade n˚agra nedskrivna specifikationer.

4.2 Hastighet i kretsen

När PWM-signalen ändrades snabbt uppstod en viss fördröjning innan MOSFET:ens drainpotential stabiliserades vid önskat värde. Det gick att mäta tv˚a distinkta fördröjningar b˚ade för en snabb höjning och en snabb sänkning av PWM-signalen oavsett hur stor förändringen var. Oscilloskopbilder av mätningarna ligger i appendix A.1.

4.2.1 Maximal PWM-¨andring

De första mätningarna mätte hur l˚ang tid det tog för drainpotentialen att reagera efter maximala utslag p˚a PWM-signalen, mellan 0 och 5V.

PWM fr˚an 0 till 255 Figur 29 visar att det tog 750µs innan drainpotentialen började reagera följt av en snabb uppg˚ang fr˚an 2.5V till 16V med en översläng p˚a cirka 3V som stabiliserades 2ms efter uppg˚angens start. Över ett längre tidsintervall visar figur 30 att drainpotentialen l˚angsammare fortsatte öka resterande 25V under 92ms.

PWM fr˚an 255 till 0 Figur 31 visar att det tog 750µs innan drainpotentialen började reagera följt av 250µs där drainspänningen minskade med 5V. Över ett längre tidsintervall visar figur 32 att drainspänningen l˚angsammare fortsatte minska resterande 35V under 160ms.

4.2.2 95-100 PWM-¨andring

De andra mätningarna mätte hur l˚ang tid det tog för drainpotentialen att reagera efter mindre utslag p˚a PWM-signalen, mellan 95(1.86V) och 100(1.96V).

PWM fr˚an 100 till 95 Figur 33 visar att det tog 2ms för drainpotentialen att öka fr˚an 25.8V till 26.6V. Över ett längre tidsintervall visar figur 34 hur drainpotentialen l˚angsamt ökar mot 27V under ca 160ms.

(32)

m¨atutrustning f¨or solpaneler 4.3 IV-svep

PWM fr˚an 95 till 0 Figur 35 visar att det tog 1.8ms för drainpotentialen att minska fr˚an 26.2V till 25.4V. Över ett längre tidsintervall visar figur 36 hur drainpotentialen l˚angsamt minskar mot 24.6V under 200ms.

4.3 IV-svep

Tiden för att mäta ett IV-svep med alla värden p˚a PWM-signalen ifr˚an 0 till VOC uppmättes till 16.5s. Tiden att skicka samma data med uppmättes till ca 38s. Varje datapaket innehöll d˚a en räknare, 5 spänningsvärden och 5 strömvärden.

Graferna ifr˚an IV-svepen blev väldigt ostadiga vid hög spänning och l˚ag ström. Figur 24 visar IV-kurvan med en 50 cm l˚ang sladd mellan kretskortet och MOSFETens gate. Figur 25 visar IV-kurvan där sladden ersatts med en 5 cm l˚ang. Strömmen är ocks˚a lägre i figur 24. ISC = 1.3A jämfört med I_SC = 4 i figur 25. I appendix A.2 finns även PV-kurvor och separata ström- och spänningskruvor för samma mätningar.

Figur 24: IV-kurva 50 cm l˚ang sladd mellan kretskortet och MOSFETens gate.

(33)

mätutrustning för solpaneler 4.4 MPP/VÔC

Figur 25: IV-kurva 5 cm l˚ang sladd mellan kretskortet och MOSFETens gate.

4.4 MPP/V_OC

Tv˚a mätningar gjordes där PWM jämfördes med VOC under maxeffekts- följning. Figur 26 visar kurvorna under relativt hög solinstr˚alning med en medeleffekt p˚a 73.8W. Snittkvoten P W M/V_OC blev under denna mätning 57.9%. VOC l˚ag stadigt p˚a 118 medan PWM-signalen varierade mellan 55.1 till 62.7. Figur 27 visar kurvorna under l˚ag solinstr˚alning med en medeleffekt p˚a 6.7W. Snittkvoten P W M/V_OC blev under denna mätning 73.3%. V_OC sjönk ifr˚an 160 till 157 medan PWM-signalen varierade mellan 70.6 till 76.7.

I figur 28 ser man att den inb¨ordes skillnaden i effekt mellan m¨atningarna

är stor jämfört med variationen under respektive mätning. Man ser att effekten för den andra mätningen sjunker n˚agot under mätningen likt dess VOC medan effekten för den första mätningen endast fluktuerar svagt.

(34)

Figur 26: PWM, VOC och deras kvot under en ganska solig dag d¨ar effekten l˚ag vid 73.8W. Tiden 0 s motsvarar 2013-05-13 09:30

Figur 27: PWM, VOC och deras kvot under en molnig dag d¨ar effekten l˚ag vid 6.7W. Tiden 0 s motsvarar 2013-05-22 13:05

(35)

Figur 28: Effekterna under m¨atningarna i figur 26 (bl˚a) respektive figur 27 (orange)

(36)

5 Diskussion

5.1 Maximal uppn˚add effekt

Toppnoteringen för effekten översteg den specifierade för solpanelen. Det kan hända att specifikationen inte var helt korrekt för solpanelen. Mätningen skedde med l˚anga sladdar ifr˚an solpanelen vilket snarare borde göra att viss effekt tappas p˚a vägen. Multimetrarna är heller inte exakta instrument s˚a de kan visa fel. Mätkretsen var intrimmad för att stämma med multimetrarna s˚a det var inte konstigt att den gav samma resultat. Det mest troliga är att specifikationerna inte stämde. Det är dock inte omöjligt att överstiga specifikationerna d˚a dessa är uppmätta vid en solinstr˚alning p˚a 1000W/m² och v˚ara mätningar gjordes med n˚agot högre solinstr˚alning, 1070W/m². 5.2 Hastighet i kretsen

Tv˚a distinkta fördröjningar syntes efter maximal ökning och minskning av PWM-signalen. För minskning gällde storleksordningen 1ms respektive 160ms medan ökning gav storleksordningen 3ms respektive 92ms. Kurvorna (figur 32 och figur 30)för de b˚ada längre fördröjningarna liknande typiska kurvor för en krets där en kondensator laddas upp respektive laddas ur.

Aven kurvorna [figur 36 och figur 36] f¨¨ or de sm˚a ökningarna respektive minskningarna visade p˚a en l˚angsam upp- och urladdning. Upp- och urladdningstiderna var 160ms respektive 200ms. Eftersom l˚anga sladdar kan fungera som kondensatorer med högre kapacitans ju längre sladden är finns det en möjlighet att de längre upp- och urladdningarna försvinner när kretsen kopplas upp närmare solpanelen där den i slutändan ska sitta. Man kan d˚a ocks˚a ändra i algoritmen s˚a att väntetiden mellan PWM-justering och mätning inte blir lika l˚ang.

5.3 IV-svep

Tiden för att mäta IV-svepet l˚ag inte inom ramen för det 10-sekunders intervall som mätkretsen skulle kunna skicka data. Ett sammanh˚allet IV-svep

¨

ar nog att föredra vilket gör det olämpligt att l˚ata n˚agot annat köras mellan mätningarna (s˚asom maxeffektsföljning). Att missa n˚agra 10-sekunders intervall av maxeffektsföljning för att göra ett IV-svep bör inte vara n˚agot stort problem d˚a dessa inte ska mätas hela tiden. Dock skulle IV-svepet kunna snabbas upp p˚a flera sätt. Genom att inte mäta varje möjligt PWM-värde skulle b˚ade mätning och sändning av data snabbas upp.

M¨atningarna skulle kunna snabbas upp av att minimera tiden mellan PWM-

¨

andring och mätning. Antalet medelvärdesbildningar för varje mätning skulle ocks˚a kunna minskas särskilt i IV-svepen. Sändningen av data skulle kunna snabbas upp av att skicka större datapaket.

IV-svepet s˚ag ut att bli bättre men att bara göra tv˚a mätningar räcker

(37)

inte för statistisk säkerhet. Man ser ocks˚a tydligt p˚a graferna att effekt och ström var större i den stabila grafen vilket antagligen berodde p˚a högre solinstr˚alning (h˚al i molntäcket). Det är troligt att mätningarna blir mindre störningskänsliga vid högre strömmar och därför kan man inte med säkerhet säga att det var den kortare sladden som gjorde att IV-kurvan visade p˚a minskat brus.

5.4 MPP/VOC

Kvoten P W M/VOC ökade kraftigt vid l˚ag solinstr˚alning. Om kvoten hade haft ett smalare intervall hade algoritmen kunnat trimmas s˚a att den använde CV-metoden mer för att följa maxeffekt och p˚a s˚a sätt bli snabbare vid snabba ändringar av solintr˚alningen. V_OC var ganska stabil vid vardera mätning vilket man kan förvänta sig eftersom effekten (och därmed solinstr˚alningen) heller inte varierade särskilt mycket.

5.5 F¨orb¨attringar

Det kan b˚ade göras förbättringar p˚a mjuk- och h˚ardvaran i kretsen.

Man skulle kunna använda mer avancerade algoritmer för MPPT, vilket skulle göra att MPP hittades snabbare.

Ett kortare intervall mellan dataloggning skulle öka datamängden, vilket skulle ge större statistisk mätdata.

En enkapsel med snabbare PWM och högre upplösning skulle ge en bättre upplösning p˚a mätdatan man f˚ar vid ett IV-svep.

Det vore mycket smidigare att kunna trigga IV-svep genom Modbus ist¨allet f¨or att programmera om enkapseldatorn.

Det skulle ocks˚a vara bra om det gick att v¨alja hur m˚anga m¨atpunkter man vill ha p˚a IV-svepet.

För att öka noggrannheten kan skalningsfaktorerna för ström och spänning beräknas mer exakt genom att mäta upp resistorvärdena istället för att beräkna utifr˚an nominella motst˚andsvärden.

Optimera väntetiderna för mätning efter PWM-ändring s˚a att de inte

¨

ar längre än de behöver vara.

(38)

6 Slutsats

Projektets m˚al var att:

Minst var tionde sekund skulle kretsen kunna skicka m¨atdata digitalt via en databuss

Motst˚anden i spänningsdelaren skulle vara lätta att byta ut för att kunna använda kretsen p˚a solpaneler med olika specifikationer

Det skulle g˚a att programmera om enkapseldatorn

Det skulle finnas en LED som kunde styras av enkapseldatorn i fels¨okningssyfte

Kretsen skulle kunna utföra ett mätsvep över spänningsomr˚adet för att returnera en IV-kurva

Kretsen skulle sj¨alv kunna hitta MPP vid ¨andrad solinstr˚alning

Det skulle g˚a att montera kretsen s˚a att den t˚al utomhusmilj¨o

Vad gäller tidsintevallet för att skicka mätdata s˚a kan kretsen mycket väl skicka data tillräckligt snabbt. Teoretiskt ska maxeffektpunkten kunna hittas inom 10 sekunder. Inga mätningar har gjorts av hur snabbt kretsen hittar MPP, s˚a det är inte verifierat om kretsen hinner hitta maxefektpunkten inom 10s. Detta p˚a grund av d˚aligt väder som skapade för snabba ändringar i solinstr˚alning för att man säkert ska se om mätkretsen hittat maxeffektpunkten. Mätningar gjordes i d˚aligt väder. Dessa pekar mot att kravet troligen är uppfyllt.

En motst˚andsbrygga som lätt g˚ar att byta ut används. Det gör det väldigt lätt att anpassa kretsen till olika moduler.

Enkapseldatorn är lätt att programmera om med en laptop d˚a en lättillgängligt programmeringskontakt sitter p˚a kretsen.

En LED sitter p˚a kretsen. Det g˚ar lätt att använda denna för felsökning.

En metod finns för att göra ett IV-mätsvep över solcellsmodulen. För att använda den m˚aste man nu programmera om enkapseldatorn fr˚an MPPT.

Ett batchskript finns för att hämta data och formatera den för att plottas i MATLAB.

Kretsen hittar MPP.

Chassikostruktionen är väl lämpad för utomhusmiljö.

(39)

A Appendix

A.1 Oscilloskopbilder av kretshastighet

Figur 29: Oscilloskopmätning av filtrerad PWM vid minskning ifr˚an 5V till 0V (överst med upplösning 2V) och MOSFETens drainpotential (underst med upplösning 20V) med 50ms tidsupplösning

(40)

m¨atutrustning f¨or solpaneler A.1 Oscilloskopbilder av kretshastighet

Figur 31: Oscilloskopmätning av filtrerad PWM vid minskning ifr˚an 5V till 0V (överst med upplösning 2V) och MOSFETens drainpotential (underst med upplösning 5V) med 250µs tidsupplösning

(41)

Figur 33: Oscilloskopmätning MOSFETens drainpotential vid ökning av PWM-signal fr˚an 95 till 100, upplösning 5V med 1ms tidsupplösning

(42)

Figur 34: Oscilloskopmätning MOSFETens drainpotential vid ökning av PWM-signal fr˚an 95 till 100, upplösning 5V med 50ms tidsupplösning

Figur 35: Oscilloskopmätning MOSFETens drainpotential vid minskning av PWM-signal fr˚an 100 till 95, upplösning 20V med 1ms tidsupplösning

(43)

m¨atutrustning f¨or solpaneler A.2 Ovriga grafer ifr˚¨ an IV-svep

Figur 36: Oscilloskopmätning MOSFETens drainpotential vid minskning av PWM-signal fr˚an 100 till 95, upplösning 5V med 100ms tidsupplösning

A.2 Ovriga grafer ifr˚¨ an IV-svep

Figur 37: PV-kurva f¨or 50 cm l˚ang sladd mellan kretskortet och MOSFETens gate.

(44)

Figur 38: Sp¨anning mot index 50 cm l˚ang sladd mellan kretskortet och MOSFETens gate.

Figur 39: Str¨om mot index f¨or 50 cm l˚ang sladd mellan kretskortet och MOSFETens gate.

(45)

Figur 40: PV-kurva 5 cm l˚ang sladd mellan kretskortet och MOSFETens gate.

Figur 41: Sp¨anning mot index f¨or 5 cm l˚ang sladd mellan kretskortet och MOSFETens gate.

(46)

m¨atutrustning f¨or solpaneler Referenser

Figur 42: Str¨om mot index f¨or 5 cm l˚ang sladd mellan kretskortet och MOSFETens gate.

Referenser

[Baker, 2004] Baker, B. (2004). Bypass capacitors: no black magic here.

http: // www. edn. com/ electronics-blogs/ bakers-best/ 4328787/

Bypass-capacitors-no-black-magic-here .

[Barr, 2001] Barr, M. (2001). Pulse width modulation. Embedded Systems Programming. http://www.barrgroup.com/Embedded-Systems/

How-To/PWM-Pulse-Width-Modulation.

[Garrig´os and Blanes, 2005] Garrig´os, A. and Blanes, J. M. (2005). Power mosfet is core of regulated-dc electronic load. EDN.

[Hohm and Ropp, 2002] Hohm, D. P. and Ropp, M. E. (2002). Comparative study of maximum power point tracking algorithms. Progress in Photovoltaics: Research and Applications.

[Horowitz and Hill, 1989] Horowitz, P. and Hill, W. (1989). The art of electronics. Cambridge university press, second edition.

[IEA PVPS, 2012] IEA PVPS (2012). Trends in photovoltaic aapplications.

[Modica and Arkin, 2012] Modica, E. and Arkin, M. (2012). Robust amplifiers provide integrated overvoltage protection. Analog Dialogue.

[Nelson, 2003] Nelson, J. (2003). The physics of solar cells. Imperial college press.

[Texas Instruments, 2005] Texas Instruments (2005). lm385 datasheet.