Sistem off grid de automatizare a portilor batante.docx [PDF]

Zitiervorschau

Universitatea din Petroşani FACULTATEA DE INGINERIE MECANICĂ ŞI ELECTRICĂ

PROIECT DE DIPLOMĂ

Absolvent, Agavriloaiei Cristian Gabriel

Coordonator, Șef lucr.dr.ing. Slusariuc Răzvan

2021

Universitatea din Petroşani FACULTATEA DE INGINERIE MECANICĂ ŞI ELECTRICĂ

SISTEM OFF GRID DE AUTOMATIZARE A PORȚILOR BATANTE

Absolvent, Agavriloaiei Cristian Gabriel

Coordonator, Șef lucr.dr.ing. Slusariuc Răzvan

2021 1

Cuprins CAPITOLUL 1. SISTEME DE ACȚIONARE ELECTRICĂ........................................................3 Introducere..............................................................................................................................................3 Motorul de current continuu....................................................................................................................3 Bobinele polare........................................................................................................................................4 Rotorul.................................................................................................................................................5 Arborele rotorului................................................................................................................................5 Colectorul............................................................................................................................................5 Periile..................................................................................................................................................5 Scuturile si lagărele motorului.............................................................................................................5 Cutia cu borne.....................................................................................................................................5 Actuatorul................................................................................................................................................7 Actuatoarele electrice..........................................................................................................................8 Acționarea pneumatică........................................................................................................................8 Sistemele hidraulice.............................................................................................................................9 Actuatorii liniari................................................................................................................................10 Actuatorii rotativi..............................................................................................................................10 Actuatoarele hidraulice,.....................................................................................................................10 Actuatoarele termice și magnetice.....................................................................................................10 Releul....................................................................................................................................................11

CAPITOLUL 2. ENERGIA SOLARĂ FOTOVOLTAICĂ..........................................................15 Panouri solare fotovoltaice....................................................................................................................15 Bateriile.................................................................................................................................................25

CAPITOLUL 3. METODE DE CONTROL AUTOMATIZAT...................................................27 Arduino.................................................................................................................................................27 Arduino IDE......................................................................................................................................29 Microcontroller......................................................................................................................................31

CAPITOLUL 4. REALIZAREA AUTOMATIZĂRII PORȚILOR BATANTE..........................36 2

CAPITOLUL 1. SISTEME DE ACȚIONARE ELECTRICĂ Introducere Tema aleasă reprezintă o testare a cunoștințelor dobândite pe parcusul anilor de facultate, îmbină domeniul atutomatizărilor și domeniul electric cu aspectele tehnice civile și reprezintă o îmbunătățire în controlul locuinței. Un alt aspect îl reprezintă faptul ca este o lucrare practică cu utilizări reale și vaste, la un cost redus atât material cât și energetic care poate fi implementat cu ușurință si aduce un plus de confort. Motorul de current continuu. Motoarele de curent continuu (fig.1.1) sunt construite din următoarele părți principale: statorul, rotorul, periile, scuturile și lagărele, cutia de borne. Statorul produce fluxul magnetic inductor. Este format din carcasă, poli și bobine polare. Carcasa este confecționată din materiale feromagnetice (oțel) și are o formă cilindrică. Polii principali (sau de excitație) se fixează de carcasă. Aceștia se confecționează din tole din oțel cu grosimea de 1 - 1,5 mm. Polii principali sunt întotdeauna în număr par. Magneți statorici Bobinaj Perii colectoare

Armătură

Plăcuțe colectoare Terminali

Figura 1.1

3

Figura 1.2. Motor de curent continuu. Bobinele polare sunt înfășurări izolate cu conductoarele din cupru sau aluminiu plasate pe poli. Ele sunt legate în serie și conectate la rețeaua de alimentare și excită câmpul magnetic inductor.

Armătură Bobinaj de cupru Carcasa motorului Axul motorului

Magneți statorici

Colector

Perii de carbon

Figura 1.3. Motor de curent continuu.

4

Conexiunile între bobine se execută astfel încât să se realizeze o alternanță a polarității la trecerea curentului. Rotorul este rotit de cuplul forțelor de interacțiune dintre câmpul magnetic inductor și curentul electric din propriul bobinaj, permițând astfel transformarea energiei electrice în energie mecanică. El este format din : arborele rotorului, pachetul de tole ale rotorului, bobinajul rotoric, colectorul și ventilatorul. Arborele rotorului este executat din oțel și are rolul de a transmite energia mecanică de rotație. Pe el se găsesc montate toate celelalte parți componente ale rotorului. Pachetele de tole ale rotorului se execută din tabla de oțel, cu grosimea de 0,5mm. Tolele sunt de forma unei coroane circulare cu crestări la exterior. Tolele sunt menținute împachetate foarte strâns pe arbore cu ajutorul unor piese speciale de strângere. Bobinajul rotoric (indus) constă dintr-o serie de bobine de cupru sau aluminiu (izolat) și montate în crestăturile pachetului de tole. Capetele acestor bobine sunt lipite de lamele colectorului. Colectorul este format din lamele de cupru identice dispuse pe circumferința unui butuc fixat de arbore. Între lamele de cupru se află izolaţia de micanit. Ventilatorul este fixat pe axul rotoric asigură circulaţia forţată a aerului din mediul înconjurător prin intermediul motorului. În felul acesta motorul se răceşte. Este prevăzut numai la maşinile de putere mare, pentru o mai bună utilizare a secţiunii conductoarelor. Periile freacă pe lamelele colectorului pentru a realiza legătura electrică dintre bobinajul rotoric şi cutia de borne a motorului. Ele sunt susţinute şi presate pe colector de crucea portperii din oţel sau fontă. Periile sunt executate de regulă, din cărbune sau materiale cu mare rezistenţă mecanică și foarte conductoare de electricitate. Scuturile si lagărele motorului sunt piese mecanice care asigură închiderea statorului şi susţinerea arborelui rotoric, pentru a putea efectua mişcarea de rotaţie. Lagărele pot fi cu cuzineţi sau cu rulmenţi. Cutia cu borne reprezintă locul unde se execută legăturile electrice între capetele înfăşurărilor din maşină şi reţeaua de alimentare. Bornele sunt executate din cupru sau oţel, iar cutia este prevăzută cu un capac cu rol de protecţie şi izolare. Motoarele de curent continuu ca şi toate receptoarele sunt dimensionate pentru un anumit regim de funcţionare. Acesta se numeşte regimul nominal, (sau serviciul nominal) şi în cadrul lui 5

motorul poate funcţiona permanent fără ca părţile sale componente să se încălzească peste limita admisibilă. Mărimile nominale pentru un motor de curent continuu sunt în general următoarele: 

putere nominală (Pm în W, KW) reprezintă puterea mecanică utilă la arborele motorului



tensiunea nominală (Ue în V) este tensiunea necesară a fi aplicată excitatiei



curentul nominal (I în A) este curentul absorbit de la reţea corespunzător puterii şi tensiunii nominale



turaţia nominală (nn în rot/min) este turaţia arborelui rotorului



randamentul motorului (rj) reprezintă raportul

T 1=

Pn Pn = Pa UxI

(fig. 1.1)

unde: 

Pn (este puterea nominală) (mecanică) a motorului



Pa= UxI - puterea electrcă absorbită de la reţea



Randamentul este subunitar datorită pierderilor de energie din maşină. Aceste pierderi sunt de natură electromagnetică şi mecanica.

Pierderile electromagnetice sunt: -pierderi de cupru, care reprezintă pierderile din bobinajele de excitaţie şi al indusului -pierderi în fier, care reprezintă pierderile ce se produc în pachetul de tole al rotorului -pierderile mecanice ce se datoresc forţelor de frecare din lagăre Motoarele de curent continuu nu pornesc prin legare directă la, deoarece curentul de pornire ar fi de aproximativ 20 - 50 de ori mai mare decât curentul nominal. Pentru a se micşora acest curent până la de 2 - 2,5 ori curentul nominal, se utilizează un reostat de pornire. Acesta se introduce în circuitul principal al motorului. Pe măsură ce turaţia motorului creşte, curentul absorbit de la reţea scade. Reostatul de pornire este scos treptat din circuit şi ajunge să fie scurtcircuitat când se atinge turaţia nominală a motorului.

6

Actuatorul. Ce este un actuator? Un actuator este o componentă care este responsabilă de mișcarea și controlul unui mecanism sau sistem. Actuatoarele sunt utilizate pe scară largă în agricultură, construcții, echipamente miniere, forestiere, maritime, rutiere și feroviare pentru poziționarea scaunelor, hote, capace, uși, clapete de accelerație, brațe pentru porți, supape hidraulice, transmisii schimbătoare și multe altele. Actuatoarele sunt utilizate pentru poziționarea panourilor solare în timpul zilei și să le readucă noaptea într-o poziție de odihnă. De asemenea, sunt utilizat la morile de vânt pentru a deschide și închide conductele de ventilație și panouri de acces. Un actuator necesită un semnal de control și o sursă de energie. Semnalul de control poate fi sub formă de tensiune electrică sau intensitate electrică, presiune pneumatică sau hidraulică a fluidului sau chiar putere umană. Principala sa sursă de energie poate fi un curent electric, o presiune hidraulică sau o presiune pneumatică. Când primește un semnal de control, un actuator răspunde prin conversia energiei sursei în mișcare mecanică. În sens electric, hidraulic și pneumatic, este o formă de automatizare sau control automat. Componenta fundamentalǎ a actuatorului este traductorul. Traductorul a fost definit ca un dispozitiv care transformǎ energia neelectricǎ în energie electricǎ sau invers. Traductorul a fost definit şi ca un dispozitiv care transformǎ o formǎ de energie în alta: energia cineticǎ de translaţie în energie cineticǎ de rotaţie sau invers. Un actuator poate fi asimilat cu o înseriere de douǎ traductoare cu douǎ porturi: portul de intrare electric şi portul de ieşire mecanic.

Figura 1.4. Schemă bloc pentru actuator 7

Actuatoarele nu sunt ceva despre care ați citi în fiecare zi în mass-media, dar realitatea este că joacă un rol critic în lumea modernă. Actuatoarele pneumatice și hidraulice liniare funcționează pe diferențiale de presiune; actuatoarele electromecanice sunt fie motoare liniare, fie motoare rotative care acționează un șurub sau o curea. Selecția și utilizarea acestor tehnologii sunt influențate în mare măsură de cunoștințele tehnice ale utilizatorului, bugetul proiectului, sursele de energie și compromisurile de performanță. De exemplu, actuatoarele pneumatice nu furnizează forță mare, dar sunt potrivite atunci când este necesară o soluție de pornire ușoară și rentabilă. Actuatoarele liniare hidraulice generează mult zgomot și pot scurge lichid, dar sunt ideale pentru aplicații cu forță mare care necesită un control precis. Actuatoarele electromecanice au cerințe energetice ridicate și sunt mai dificil de instalat și întreținut, dar sunt preferate pentru aplicații complexe, multi-axiale, de control al mișcării. Actuatoarele electrice liniare transformă mișcarea de rotație în mișcare liniară. Mișcarea de rotație este generată mai întâi de motorul electric. Această mișcare de rotație de mare viteză este apoi redusă de o cutie de viteze pentru a crește cuplul care va fi folosit pentru a roti șurubul de plumb. Rotirea șurubului de plumb are ca rezultat o mișcare liniară a piuliței de acționare acme. Gândiți-vă la asta ca la introducerea unui șurub într-o bucată de lemn, dar mai degrabă decât șurubul care se deplasează spre lemn, lemnul se va deplasa spre sau îndepărtează de șurub în funcție de direcția de rotație. Actuatoarele electrice oferă cea mai mare precizie. Scalabil pentru orice scop sau cerință de forță. Acestea oferă un control complet al mișcării, oferind viteze personalizate, lungimi de cursă și forțe aplicate. Sunt mai silențioase decât dispozitivele de acționare pneumatice și hidraulice. Acționarea pneumatică este conversia aerului comprimat în forță liniară. Formele acestei tehnologii au fost folosite de secole; burduful în formarea metalelor de bază este un exemplu. Cu toate acestea, pneumatica a fost în mare parte manuală până la apariția electricității și a compresorului mecanic la începutul secolului al XIX-lea. Interacțiunea presiunii, volumului și temperaturii unui gaz este guvernată de legile perfecte ale gazelor, prin amabilitatea lui Boyle, Charles și Gay Lussac. Combinarea acestora este legea generală a gazelor: P1 x V1 / T1 = P2 x V2 / T2 Această relație, plus forța rezultată derivată din presiunea care acționează asupra unei zone, guvernează utilizarea pneumaticii: Forța = Presiunea x Zona. 8

Pierderile de presiune și compresibilitatea aerului fac uneori pneumatice mai puțin eficiente decât alte tehnologii liniare. Limitările prea mari ale compresorului și ale sistemului de livrare dictează faptul că sistemele pneumatice funcționează la presiuni mai mici, oferind forțe mai mici decât alte sisteme liniare. Materialele componente (în principal aluminiu) și construcția elementelor de fixare și a capacelor filetate impun presiuni de funcționare mai mici. Ca urmare, cilindrii pneumatici funcționează de obicei cu aer comprimat la 7atm sau mai puțin, spre deosebire de cilindrii hidraulici, care funcționează pe fluid hidraulic presurizat la peste 34 atm. Deci, viteza variază de la câțiva centimetri pe secundă la 150cm/sec. Forța de la ieșire depinde de presiunea maximă nominală și de dimensiunea alezajului aferent: actuatoarele din aluminiu au o presiune pneumatică maximă de 10atm cu dimensiuni ale orificiului variind de la 1cm la 20cm. pentru aproximativ 13 până la 3400kg. Majoritatea dispozitivelor de acționare din oțel au o presiune maximă pneumatică de 17atm cu dimensiuni ale orificiului variind de la aproximativ 1cm la 35 cm ceea ce se traduce la aproximativ 23 până la 17 447kg de forță. Sistemele hidraulice sunt potrivite pentru aplicații robuste care necesită o putere mare. Formele de cilindri hidraulici au fost folosite de secole pentru a genera forță și mișcare. Funcționarea lor se bazează pe principiul lui Pascal: presiunea aplicată unui fluid închis este transmisă nediminuată către fiecare porțiune a fluidului și pereții vasului care conține. Deci, cantitatea de forță aplicată de cilindru este produsul presiunii hidraulice de intrare înmulțit cu aria pistonului cilindrului. Cu toate acestea, sistemele hidraulice generează zgomot și, fără o întreținere adecvată, se pot scurge. Dacă un sistem pneumatic scapă de aer, eficiența scade. Dar dacă un sistem hidraulic se scurge, este mult mai grav. Lichidul se pierde, provocând probleme de curățenie și posibile daune dacă ajunge pe alte componente sau produse ale sistemului. Este nevoie și de mai mult echipament. Un compresor, un regulator și o supapă direcțională sunt tot ceea ce este necesar pentru un sistem pneumatic. Dar sistemele hidraulice necesită un rezervor de lichid, motoare și pompe, supape de eliberare și echipamente pentru a reduce nivelul de zgomot și căldură. Acestea trebuie să fie conectate la o supapă de presiune pentru controlul presiunii maxime a sistemului și o supapă direcțională pentru a controla fluxul de fluid hidraulic în și din cilindru. Toate cele trei tehnologii își au locul lor în industrie, dar flexibilitatea actuatoarelor electrice liniare, combinată cu faptul că prețul componentelor electrice a scăzut constant de-a lungul anilor, le face o alegere mai populară decât erau odinioară. 9

Motorul

Piulită ACME Cutia de angrenare

Întrerupător pentru limita superioara

Șurub de putere

Întrerupător pentru limita inferioară

Figura 1.5. Actuator liniar.

In funcție de tipul de mișcare, există două tipuri de actuatori, cei liniari si cei rotativi. Actuatorii liniari, după cum le zice și numele, produc mișcare în linie dreaptă. Într-un actuator liniar simplu, există o piuliță, capac și un tub glisant. Tubul culisant oferă spațiul pentru mișcare, în timp ce piulița și capacul asigură mișcarea de blocare care menține actuatorul într-o cale dreaptă. Alte elemente de acționare liniare complexe vor avea piese suplimentare, dar sistemul menționat mai anterior este fundamentul mișcării drepte. Actuatorii rotativi, în comparație cu actuatorii liniari, creează o mișcare circulară. Majoritatea utilajelor folosesc aceste piese rotative pentru a finaliza o mișcare de rotire. Acestea sunt adesea utilizate împreună cu un actuator liniar dacă o mașină necesită deplasare înainte, înapoi, în sus sau în jos. Puteți găsi actuatoare rotative în ștergătoarele de parbriz, ventilatoare electrice sau mașini de fabricație care transportă mărfuri dintr-o zonă în alta. În funție de sursa de energie, putem să mai clasificăm actuatoarele în cateva tipuri. Actuatoarele hidraulice, funcționează prin utilizarea unui cilindru umplut cu lichid cu un piston suspendat în centru. În mod obișnuit, actuatoarele hidraulice produc mișcări liniare și un arc este atașat la un capăt ca parte a mișcării de întoarcere. Aceste dispozitive de acționare sunt văzute pe scară largă în echipamentele de exerciții. Actuatoarele termice și magnetice constau de obicei din aliaje cu memorie care pot fi încălzite pentru a produce mișcare. Mișcarea actuatorilor termici sau magnetici provine adesea 10

din efectul Joule, dar poate apărea și atunci când o bobină este plasată într-un câmp magnetic static. Câmpul magnetic determină o mișcare constantă numită forța Laplace-Lorentz. Majoritatea actuatoarelor termice și magnetice pot produce o gamă largă și puternică de mișcare, rămânând ușosre. Releul

Figura 1.6. Construcția unui releu.

Primele relee au fost utilizate în circuite telegrafice pe distanțe lungi ca amplificatoare: au repetat semnalul care venea dintr-un circuit și l-au retransmis pe alt circuit. Releele au fost utilizate pe scară largă în centralele telefonice și computerele timpurii pentru a efectua operațiuni logice. Zona de contact

Contact normal închis (NC)

Contact normal deschis (NO)

Figura 1.7. Zona de contact din releu.

Releele reprezintă categoria cea mai importantă de aparate din cuprinsul unei instalații de protecție și comandă automată. Un releu este un dispozitiv de comutare prevăzut cu unul sau mai multe contacte, acționat de un semnal electric. Releele sunt utilizate pentru comutarea unei valori

11

mari a tensiunii cu ajutorul unei valori mici de tensiune. De exemplu, un circuit cu o baterie de tensiune mică poate utiliza un releu pentru a comuta un circuit la 230V. Nu există nicio conexiune electrică în interiorul releului între cele două circuite, legătura este magnetică și mecanică. Materialele de contact pentru relee variază în funcție de aplicație. Materialele cu rezistență scăzută la contact pot fi oxidate de aer sau pot avea tendința de a se „lipi” în loc să se despartă curat la deschidere. Materialul de contact poate fi optimizat pentru rezistență electrică scăzută, rezistență ridicată pentru a rezista operațiilor repetate sau capacitate mare pentru a rezista căldurii unui arc. Acolo unde este necesară o rezistență foarte scăzută sau sunt dorite tensiuni scăzute induse termic, pot fi utilizate contacte placate cu aur, împreună cu paladiu și alte metale semi-prețioase neoxidante. Pentru comutarea semnalului se utilizează contacte argintate sau placate cu argint. Releele umezite cu mercur deschid și închid circuitele folosind o peliculă subțire, autoînnoitoare, de mercur lichid. Pentru relee de putere mai mare care comută mulți amperi, cum ar fi contactorii circuitului motor, contactele sunt realizate cu un amestec de oxid de argint și cadmiu, oferind o rezistență scăzută la contact și o rezistență ridicată la căldura arcului. Unele relee au contacte înlocuibile în câmp, cum ar fi anumite relee de mașini-unelte; acestea pot fi înlocuite atunci când sunt uzate sau pot fi schimbate între starea normal deschisă și cea normal închisă, pentru a permite schimbări în circuitul controlat. Prin bobina unui releu trece un curent relativ mare, de obicei 30mA pentru un releu de 12V, dar poate fi de până la 100mA pentru relee concepute pentru a funcționa de la tensiuni mai mici. Majoritatea circuitelor integrate nu pot furniza acest curent și un tranzistor este de obicei utilizat pentru a amplifica curent mic al circuitului integrat la o valoarea mai mare necesară pentru bobina releului. Curentul maxim de ieșire pentru popularul 555 IC este de 200 mA, astfel încât aceste dispozitive pot furniza bobine de releu direct fără amplificare. Simboluri ale bobinelor de releu întâlnite într-o schemă de conexiuni: -bobina de releu (semn general) -bobina de releu:

a)cu o singură înfășurare b)cu două înfășurări

-bobina de releu cu temporizare

a) la acționare b) la revenire 12

-bobina de releu polarizată

-bobina de releu cu blocaj mecanic -bobina de releu cu contacte în gaze -releu acționat prin impuls Un releu este format dintr-o bobină, unul sau mai multe contacte și un mecanism cu arc. Releul poate fi de tip SPDT, SPST, DPDT, DPST(fig. 1.8). Prin alimentarea bobinei curentul electric se propagă și se creează un câmp magnetic, pârghia este antrenată iar poziția contactelor se schimbă.

Figura 1.8

Barele de alimentare au fost denumite A si B iar contactele X ,Y si Z. Contactul intre X si Y este denumit contact normal inchis. Contactul intre X si Z este denumit contact normal deschis. Releele folosite în sistemele electrice functionează după aceleași principii ca și aparatele de măsurat; de aceea ele pot fi clasificate, în general, după aceleași criterii: a) după principiul de funcționare, releele pot fii: electromagnetice (magnetoelectrice, de inducție, magnetice, electrodinamice, termice) și electronice; b) după felul parametrului la care acționează, releele pot fii: de curent, de tensiune, de putere, de temperatură, etc. 13

c)după valoarea mărimii de intrare la care acționează, releele pot fii: maximale, a căror acționare are loc când valoarea mărimii de intrare devine egală sau depășește o anumită valoare maximă, dinainte stabilită; minimale, care acționează în momentul când valoarea mărimii de intrare devine egală sau mai mică decât o anumită valoare minimă, dinainte stabilită și relee diferențiale, a căror acționare are loc când diferența valorilor a două mărimi aplicate la intrare devine, în valoare absolută, mai mare decât o valoare dinainte stabilită; d) o clasificare specifică a releelor se obține dacă se ia în considerație modul conectării în circuitul elementului protejat, deosebindu-se: relee primare și relee secundare; e) ținând seama de modul de acționare asupra întrupătoarelor, releele pot fii: cu acțiune directă sau directe și cu acțiune indirectă sau indirecte; f) în funcție de durata de acționare: relee ultra rapide ( ta < 0,0 s), relee rapide (ta < 0,05 s), relee normale (ta = 0,05 ÷ 0,15 s ), relee lente (ta = 0,15 ÷ 1 s), de temporizare (ta > 1 s) g) în funcție de mărimea de intrare: releu de tensiune, releu de curent, releu de putere, releu de frecvență, releu de timp; h) cele mai utilizate relee: relee termice, relee electromagnetice, relee electronice, relee mecanice, relee ferodinamice, declanșatoare. i) după natura elementului de execuție: relee cu contacte și relee fară contacte (statice). Trebuie să luăm în considerare mai multe caracteristici atunci când alegem un releu, principalele caracteristici sunt: Dimensiunile sale și poziția pinilor, dacă alegem un releu pentru un circuit imprimat existent, va trebui să ne asigurăm că dimensiunile și dispunerea pinurilor sunt potrivite. Valoarea tensiunii bobinei releului trebuie să corespundă circuitului care alimentează releul. Majoritatea releelor au o bobină pentru o sursă de alimentare de 12V, însă există relee care pot fi alimentate și la 5v și 24v. La fel și valorile maxime ale tensiunii și curentului de pe contactele COM/NO/NC trebuie verificate, pe relee având valorile maxime pentru curent continuu sau curent alternativ.

14

CAPITOLUL 2. ENERGIA SOLARĂ FOTOVOLTAICĂ. Panouri solare fotovoltaice Termenul „fotovoltaic” derivă din combinaţia cuvântului grec „photos” ce înseamnă lumină şi numele unităţii de măsură a forţei electromotoare „volt”. Astfel, tehnologia fotovoltaică (PV) descrie generarea electricităţii cu ajutorul luminii. Descoperirea efectului fotovoltaic este atribuită fizicianului francez Edmond Becquerel, care în anul 1839, efectuând experimente cu „bateria umedă” a observat că tensiunea generată de baterie creşte dacă placa de argint este expusă radiaţiei solare. Primul raport asupra efectului fotovoltaic sau fotoelectric, cum era numit la timpul respectiv, a fost făcut de savanţii din Cambridge, W.Adams şi R. Day în 1877 unde sunt descrise schimbările care au loc într-o placă de selenium expusă luminii. În experienţele sale Heinrich Hertz a observat în anul 1887, că o placă din zinc se încarcă cu sarcină pozitivă dacă este expusă unei radiaţii ultraviolete. Fenomenul se datorează aceluiaşi efect fotoelectric: sub acţiunea razelor ultraviolete din metal sunt dezbătuţi electroni, ca rezultat metalul se încarcă pozitiv. Un sistem fotovoltaic (SFV) converteşte în mod direct energia solară în energie electrică pe baza efectului fotovoltaic şi o aduce la parametrii electrici ceruţi de consumator. Sistemele fotovoltaice sunt destinate producerii energiei electrice casnice şi industriale prin conversia luminii (energiei solare) în energie electrică. Sistemele fotovoltaice pot fi utilizate ca sisteme autonome pentru alimentarea cu energie electrică a unor consumatori aflaţi la distantă mare de sistemul naţional de alimentare cu energie electrică sau conectaţi la SEN (Sistemul Energetic Naţional). Sistemele fotovoltaice se mai numesc şi centrale fotoelectrice, parcuri fotovoltaice sau ferme fotovoltaice şi au puteri instalate de la câteva sute de wati până la ordinul zecilor şi sutelor de MW. În componenţa unui sistem fotovoltaic conectat la SEN intră un generator fotovoltaic format dintr-un număr bine determinat de panouri, unul sau mai multe invertoare de reţea şi un contor pentru măsurarea energiei electrice produse.

15

Sistemele fotovoltaice de reţea nu au în compunere baterii de acumulatori, iar energia electrică produsă pe durata zilei este utilizată pentru consum propriu sau injectată în SEN pentru a fi utilizată de alţi consumatori. Componentele unui sistem fotovoltaic, panouri fotovoltaice, bateria de acumulatori, invertorul reprezintă proces complex în care proiectantul are obligația de a avea în vedere datele tehnice ale panourilor fotovoltaice, coeficienţii de variaţie cu temperatură ai puterii de ieşire şi ai tensiunii la puterea maximă ai panourilor fotovoltaice, nivelul iradianţei solare, variaţiile de temperatură, curentul maxim de încărcare al controlerelor şi al invertoarelor de baterii, tipul reţelei, locul de montaj, curba de consum a sarcinii. Conversia radiaţiei solare în energie electrică prin efect fotovoltaic se realizează în celule solare. Celula solară este un dispozitiv realizat cu materiale semiconductoare, în care prin absorbţia luminii se generează perechi de electroni şi goluri libere, iar aceştia sunt separaţi spaţial datorită unei discontinuităţi interne ce formează o barieră de potenţial, electronii fiind antrenaţi în sens opus golurilor. Prin separarea purtătorilor de sarcină ia naştere o tensiune la bornele celulei şi un curent printr-o rezistenţă de sarcină, astfel încât celula iluminată funcţionează ca un generator de putere electrică. Din punct de vedere structural, celulele fotovoltaice sunt formate din două zone, realizând o joncţiune, care poate fi de mai multe tipuri: 

homojoncţiune, în care cele două zone sunt formate din acelaşi material semiconductor, având tipuri de conducţia diferite;



heterojoncţiune, în care cele două zone sunt formate din materiale semiconductoare diferite, având de asemenea tipuri de conducţie diferită;



joncţiune metal - semiconductor (celula Schotky);



joncţiune electrolit – semiconductor



celule electrochimice pe bază de pigmenţi;



celule din compuşi organici;



celule bazate pe fluorescenţă.

Prima celulă PV a fost construită de electricianul american Charles Fritts în 1883 pe bază de selenium. Construcţia celulei a fost patentată în anul 1884. De menţionat, că construcţia 16

celulei era foarte asemănătoare cu celulele de astăzi, dar eficienţa celulei era mai mică de un procent şi nu a obţinut o utilizare industrială. La mijlocul secolului XX savanţii şi inginerii au revenit asupra studiului efectului fotovoltaic care are loc în semiconductoare. În anul 1953 echipa de ingineri de la Telephone Laboratories (Bell Labs) D. Chapin, C. Fuller şi G. Pearson creează celula PV din siliciu dopat cu o eficienţă cu mult mai mare decât celula din selenium. În următorul an aceeaşi echipă construiesc o celulă din siliciu cu un randament de 6%. În acelaşi timp apar şi primii consumatori de energie fotovoltaică – sateliţii artificiali. În anul 1958 celulele PV au fost instalate la bordul satelitului american Vanguard 1 şi serveau pentru alimentarea unui emiţător radio. Până în prezent celulele PV sunt cele mai indicate surse de energie pentru tehnica spaţială. Competiţia între SUA şi fostul URSS din anii ’60 ai secolului trecut în domeniul surselor de alimentare cu energie electrică a sateliţilor a condus la o dezvoltare spectaculoasă a tehnologiei PV şi s-a produs o ruptură în dependenţa rigidă a energeticii descentralizate de sursele tradiţionale: grupuri electrogene, baterii de acumulatoare sau baterii uscate. Energia solară fotovoltaică este energia produsă prin celule fotovoltaice solare, care convertesc lumina soarelui direct în energie electrică. Celulele solare erau înainte folosite adesea pentru alimentarea, fără baterii electrice, a calculatoarelor de buzunar și a ceasurilor. Ele sunt fabricate din materiale semiconductoare similare cu cele utilizate în electronică la cipurile semiconductoare din componența dispozitivelor semiconductoare. Deşi conversia fotovoltaică este încă puţin răspândită, industria de profil înregistrează creşteri anuale de aproximativ 25%, în unele ţări ca Japonia, atingând chiar valori de ordinul 63%. Cu toate acestea, este foarte clar că energia solară nu este valorificată la întregul potenţial. Energia solară reprezintă o opţiune foarte bună în ţările în curs de dezvoltare, datorită costurilor mari pe care le presupune electrificarea (linii de transport a energiei, transportul combustibilului). O treime din populaţia globului (majoritatea în ţările în curs de dezvoltare) nu beneficiază încă de energie electrică. Utilizarea tehnologiei fotovoltaice ar putea fi o soluţie la cererea din ce în ce mai mare de energie electrică în astfel de zone. Conversia radiaţiei solare în energie electrică prin efect fotovoltaic se realizează în celule solare. Celula solară este un dispozitiv realizat cu materiale semiconductoare, în care prin absorbţia luminii se generează perechi de electroni şi goluri libere, iar aceştia sunt separaţi spaţial datorită unei discontinuităţi interne ce formează o barieră de potenţial, electronii fiind 17

antrenaţi în sens opus golurilor. Prin separarea purtătorilor de sarcină ia naştere o tensiune la bornele celulei şi un curent printr-o rezistenţă de sarcină, astfel încât celula iluminată funcţionează ca un generator de putere electrică. Instalaţiile fotovoltaice sunt proiectate pentru funcţionarea în exterior, în condiţii aspre cum ar fi cel marin, la tropice, cel arctic sau deşert. Instalaţia fotovoltaică constă într-un număr de module fotovoltaice individuale, interconectate în module, iar acestea la rândul lor se interconectează în panouri fotovoltaice, pentru producerea unui current şi voltaj corespunzător. Panourile solare fotovoltaice sunt, de obicei, structuri de celule fotovoltaice elementare grupate în module, care conțin aproximativ 40 de celule. Un număr mai mare din aceste module pot forma unități suprafațiale de câțiva metri pătrați. Aceste panouri sunt plate și pot fi montate sub un unghi de expunere către sud, fix, sau pot fi montate pe un dispozitiv autoreglabil de urmărire a soarelui, care să le permită să capteze lumina soarelui în decursul unei întregi zile. Celulă

Modul

Panou Fotovoltaic

Figura 2.1. Construția unui panou fotovoltaic.

Performanța unei celule fotovoltaice este măsurată după intensitatea curentului electric produs de ea. Din acest motiv panourile solare fotovoltaice au o eficiență de 15%. O eficiență atât de mică a unui panou conduce la un număr mare de panouri necesare și deci înseamnă costuri mai mari. Îmbunătățirea celulelor solare este principalul obiectiv actual și de viitor al industriei fotovoltaice pentru îmbunătățirea randamentului. Primele celule fotovoltaice aveau 4% eficiență și au fost produse în anul 1950. Astăzi a treia generație de panouri fotovoltaice conțin celule cu o eficiență de 20% și se așteaptă ca în câțiva ani aceasta să crească. Eficiența este măsurată în condiții ideale de laborator și reprezintă eficiența maximă realizabilă a celulei sau modulului fotovoltaic. Pentru cele mai bune performanțe, sistemele fotovoltaice terestre își 18

propun să maximizeze timpul în care se confruntă cu soarele. Monitorizarea solară realizează acest lucru prin deplasarea modulelor fotovoltaice pentru a urma soarele. Sistemele montate static pot fi optimizate prin analiza traseului soarelui. Modulele fotovoltaice sunt adesea setate la înclinarea latitudinii, un unghi egal cu latitudinea, dar performanța poate fi îmbunătățită prin ajustarea unghiului pentru vară sau iarnă. În general, ca și în cazul altor dispozitive semiconductoare, temperaturile peste temperatura camerei reduc performanța modulelor fotovoltaice. Cele mai multe module de putere livrează curent continuu la 12V, pe când cele mai multe aplicaţii casnice şi procese industriale operează cu un curent alternativ la 240V sau 400V. De aceea este utilizat un invertor pentru conversia curentului continuu cu tensiuni joase în curent alternativ de tesiuni ridicate. Caracteristica curent-tensiune (I-V) a unui modul fotovoltaic depinde în principal de nivelul radiaţiei şi de temperatura celulelor. Astfel pentru diferiţi parametri meteorologici există o caracteristică de funcţionare a generatorului fotovoltaic. La intersecţia caracteristicii I-V cu caracteristica sarcinii de la bornele modulului fotovoltaic se află punctul de funcţionare aşa cum este reprezentat în figura 2.2.

Figura 2.2 Asocierea celulelor PV şi punctul de funcţionare Acest punct - poziția acestuia - diferă în general de punctul maxim de putere, la care sistemul poate funcţiona, când între panoul fotovoltaic şi consumator se realizează transferul

19

optim de putere. Astfel, punctul de maxima putere depinde de condiţiile de funcţionare ale generatorului fotovoltaic, dar şi de caracteristicile electrice ale sarcinii de la borne. Scopul sistemelor de urmărire a punctului maxim de putere (MPPT) este de a menţine punctul de funcţionare cât mai aproape de MPP. În figura 2.3 sunt prezentate două caracteristici I-V ale aceluiaşi modul fotovoltaic pentru două valori diferite ale intensităţii radiaţiei solare şi ale temperaturii celulelor componente, cât şi caracteristicile tensiune-putere aferente.

Figura 2.3. Influenţa parametrilor meteo asupra caracteristicii I-V şi MPP

Pentru ca un panou solar să funcţioneaze în punctul maximă de putere este necesar să fie îndeplinite relațiile: U pv =U opt ; I pv =I opt ; R pv =R s=

U opt I opt

(fig. 2.1)

Pentru că variaţiile parametrilor meteo şi a parametrilor electrici de funcţionare ai modulului fotovoltaic nu sunt constante acest lucru nu este posibil. De asemenea consumatoru nu se poate adapta de cele mai multe ori la aceste condiții de funcționare. Pentru a realiza transferul maxim de putere dintre generatorul PV şi receptor se interconectează un convertor DC/DC .

20

Figura 2.4. Consumator rezistiv conectat la modulul fotovoltaic Rolul convertorului DC/DC este de a realizeaza adaptarea continuă a sarcinii la generatorul de energie, prin utilizarea unui semnal de comandă în impulsuri modulate. Semnalul este aplicat pe baza unui tranzistor MOSFET cu timp mic de comutaţie. Pentru aplicaţii ce necesită tensiuni mici se utilizează un convertor coborâtor de tensiune (buck – figura 2.6), iar pentru aplicaţii ce necesită tensiuni ridicate unul ridicător de tensiune (boost – figura 2.5).

Figure 2.5 Schema de principiu a unui convertor DC/DC tip boost

Figure 2.6. Schema de principiu a unui convertor DC/DC tip buck La o anumită frecvenţă, între 20- 200kHz, factorul de umplere al semnalul de comandă al tranzistorului este calculat în mai multe feluri, în funcţie de algoritmul de urmărire a MPP. 21

În regim staţionar factorul de umplere depinde de rezistenţa de sarcină şi de rezistenţa optimă, în funcţie de tipul convertorului. Pentru convertor tip „boost” este valabilă relaţia (2.2.), iar pentru cel „buck” relaţia (2.3.).

√

Ropt Rs

(2.2.)

√

Rs R opt

(2.3.)

∝opt =1−

∝opt =

Există mai multe tipuri de algoritmi de urmărire a punctului de maximă putere, iar cele mai utilizate sunt algoritmul P&O (Perturbă & Observă), metoda circuitului deschis şi a scurt circuitului (Open and Short Circuit), algoritmul Conductanţei Incrementală (Incremental Conductance) şi altele. Deși acești algoritmi sunt utilizați pe scară largă, au dezavantaje ca răspuns lent la variaţii rapide ale nivelului radiaţiei solare, oscilaţii în jurul MPP sau chiar urmărire în

22

direcţiaopusă.

Figure 2.7. Algoritmul MPPT Perturbă & Observă

În figura 2.7 este realizat algoritmul P&O şi schema aferentă. Modalitatea de a găsi MPP este prin încercări repetate, adică prin modificarea tensiunii la bornele generatorului şi prin compararea puterii electrice livrate în acest caz cu puterea de la pasul anterior. 23

Dacă puterea de la pasul prezent este mai mare se continuă modificarea sarcinii în acelaşi sens, iar dacă nu se modifică în sens invers. Această metodă de a găsi punctul de maximă conduce la oscilaţii în jurul acestui punct, chiar şi în condiţii staţionare, iar în cazul unor valori oscilante bruşte ale radiaţiei solare poate conduce chiar la urmărirea în direcţia opusă a puctului de maximă putere. De asemenea mai este prezent și un MPPT (maximum power point tracker), care este un convertor electronic curent continuu-curent continuu care optimizează conexiunea dintre panoul solar (panouri fotovoltaice) și baterii sau rețeaua de utilități. Mai simplu spus, convertesc o ieșire de curent continuu de tensiune mai mare de la panourile solare la tensiunea mai mică necesară pentru încărcarea bateriilor. Controlerul de încărcare se uită la ieșirea panourilor și îl compară cu tensiunea bateriei. Apoi își dă seama care este cea mai bună putere pe care panoul o poate scoate pentru a încărca bateria. Este nevoie de acest lucru și îl convertește la cea mai bună tensiune pentru a obține amperaj maxim în baterie. Majoritatea MPPT-urilor moderne sunt eficiente în conversie în jur de 93 97%. În mod obișnuit, obțineți un câștig de putere de 20 până la 45% iarna și 10 15% vara. Câștigul real poate varia foarte mult în funcție de vreme, temperatură, starea de încărcare a bateriei și alți factori. Regulatoarele de sarcină controlează încărcarea bateriilor de la panourile solare. Circuitul lor este dedicat să mențină bateriile complect încărcate şi să evite supraîncărcarea sau subîncărcarea. Un regulator de sarcină poate să fie de tip serie sau de tip şuntare, al doilea tip realizând deconectarea de la baterii prin devierea curentului printr-un şunt. Mai poate fi folosit şi regulatoar de sarcină cu PWM (Pulse Width Modulation) care aplică pulsuri pentru a încărca bateriile. Aceste regulatoare sunt mai performante şi au rolul de a mări perioada de viață a bateriilor şi de a previni sulfatarea. Aceste regulatoare pot fi achiziționate de la diferiţi producători. Cel mai utilizat tip de încărcător al acumulatorilor solari este încărcătorul cu MPPT (Maximum Power Point Tracker) datorită performanțelor ridicate. În această aplicaţie vom utiliza un încărcător cu controler MPPT de tipul BlueSolar charge controller MPPT 75/15. 24

Figura 2.8. Regulatorul de încărcare Blue solar charger 12V 15A

MPPT (Maximum power point tracking) ultra rapid În special în cazul unui cer întunecat, atunci când intensitatea luminii este în continuă schimbare, un controler MPPT ultra rapid va îmbunătăți preluarea de energie cu până la 30% față de un controler PWM și cu până la 10% față de controlerele MPPT mai lent. Energia electrică debitată de o celulă fotovoltaică nu este de ajuns pentru majoritatea aplicaţiilor consumatorilor casnici sau industriali. Pentru acest motiv, celulele fotovoltaice se conectează în serie pentru a mări tensiunea la borne şi astfel se realizează un modul fotovoltaic. Apoi, modulele se realizează o rețea sau o matrice de celuleconectate fie în serie pentru creşterea şi mai mult a tensiunii, fie în paralel pentru creşterea curentului electric la bornele modulului. Aceste conectări serie-paralel formează câmpurile fotovoltaice. Bateriile. O baterie electrică este un dispozitiv format din una sau mai multe celule electrochimice cu conexiuni externe furnizate pentru alimentarea dispozitivelor electrice. O baterie care se descarcă are un terminal pozitiv sau catod și un terminal negativ sau anod. Terminalul marcat negativ este sursa de electroni care atunci când este conectat la un circuit extern va curge și va furniza energie către un dispozitiv extern. Când o baterie este conectată la un circuit extern, electroliții se pot mișca ca niște ioni în interior, permițând finalizarea reacțiilor chimice la bornele separate și astfel furnizează energie circuitului extern. Mișcarea acestor ioni din interiorul bateriei permite curentul să curgă din baterie pentru a efectua lucrări. Din punct de 25

vedere istoric, termenul „baterie” se referea în mod specific la un dispozitiv compus din mai multe celule, cu toate acestea, utilizarea a evoluat pentru a include în plus dispozitive compuse dintr-o singură celulă. Bateriile primare ( de unică folosință) sunt utilizate o dată și aruncate; materialele electrodului sunt schimbate ireversibil în timpul descărcării. Exemple obișnuite sunt bateria alcalină utilizată pentru lanterne și o multitudine de dispozitive portabile. Secundare (baterii reîncărcabile) pot fi descărcate și reîncărcate de mai multe ori; compoziția originală a electrozilor poate fi restabilită prin curent invers. Exemplele includ bateriile plumb-acid utilizate în vehicule și bateriile litiu-ion utilizate pentru electronice portabile. Bateriile vin în mai multe forme și dimensiuni, de la celule miniaturale utilizate pentru alimentarea aparatelor auditive și a ceasurilor de mână la bateriile de baterii de dimensiunile camerelor care asigură energie de așteptare pentru centrele telefonice și centrele de date ale computerului. Potrivit unei estimări din 2005, industria bateriilor la nivel mondial generează vânzări de 48 miliarde USD în fiecare an, cu o creștere anuală de 6%. Bateriile au o energie specifică mult mai mică (energie pe unitate de masă) decât combustibilii obișnuiți, cum ar fi benzina. Acest lucru este oarecum compensat de eficiența mai mare a motoarelor electrice în producerea de lucrări mecanice, comparativ cu motoarele cu ardere.

26

CAPITOLUL 3. METODE DE CONTROL AUTOMATIZAT Arduino Majoritatea dispozitivelor electronice moderne sunt de fapt o combinație atât de hardware cât și de software, și asta este Arduino. Plăcile Arduino sunt computere minuscule care permit să construim propriul proiect și apoi rulăm programe mici numite „schițe” pentru a face componentele să facă diferite lucruri. Această combinație de hardware și software este ceea ce face ca dispozitivele electronice să pară atât de magice. Hardware-ul furnizează intrările și ieșirile, în timp ce software-ul controlează modul în care se va comporta dispozitivul. Numele Arduino provine dintr-un bar din Ivrea, Italia, unde se întâlneau unii dintre fondatorii proiectului. Barul a fost numit după Arduin din Ivrea, care a fost rege al Italiei din 1002 până în 1014. Arduino este o companie open-source care produce atât plăcuțe de dezvoltare bazate pe microcontrolere, cât și partea de software destinată funcționării și programării acestora. Pe lângă acestea include și o comunitate uriașă care se ocupă cu creația și distribuirea de proiecte care au ca scop crearea de dispozitive care pot sesiza și controla diverse activități sau procese în lumea reală. Primul Arduino a fost lansat în 2005, având ca țintă asigurarea unei soluții ieftine și simple pentru începători și profesioniști spre a crea dispozitive capabile să interacționeze cu mediul, folosind senzori și sisteme de acționare. Cele mai comune exemple sunt dispozitivele pentru utilizatorii începători precum: roboții simpli, termostatele și/sau detectoarele de mișcare. Sunt disponibile diferite tipuri de plăci Arduino, în funcție de diferitele microcontrolere utilizate. Cu toate acestea, toate plăcile Arduino au un lucru în comun: sunt programate prin IDE Arduino. Diferențele se bazează pe numărul de intrări și ieșiri (numărul de senzori, LED-uri și butoane pe care le puteți utiliza pe o singură placă), viteză, tensiune de funcționare. Unele plăci sunt concepute pentru a fi încorporate și nu au interfață de programare (hardware), pe care ar trebui să îl cumpărați separat. Unele pot rula direct de la o baterie de 3.7V, altele au nevoie de cel puțin 5V. Placa Arduino UNO este cea mai populară placă din familia Arduino, fiind și cea mai bună placă pentru a începe cu electronica și codarea. Unele plăci arată puțin diferit față de Arduino Uno dar majoritatea Arduino-urilor au un număr mare al acestor componente în comun. Cuvântul „uno” înseamnă „unul” în italiană și a fost ales pentru a marca lansarea inițială a software-ului Arduino.

27

Placa Uno este prima dintr-o serie de plăci Arduino bazate pe USB, ea și versiunea 1.0 a Arduino IDE au fost versiunile de referință ale Arduino, care au evoluat acum către versiuni mai noi. ATmega328 de pe placă este preprogramat cu un bootloader care permite încărcarea unui nou cod pe acesta fără utilizarea unui programator hardware extern. ATmega328 este un microcontroler cu un singur cip creat de Atmel în familia megaAVR (ulterior Microchip Technology a achiziționat Atmel în 2016). Are o arhitectură Harvard modificată, nucleul procesorului RISC pe 8 biți. Microcontrolerul ATMel pe 8 biți bazat pe RISC combină memorie

Figura 3.1 Arduino UNO flash ISP de 32 KB cu capacități de citire în timp ce scrieți(write-while-read), 1 KB EEPROM, 2 KB SRAM, 23 linii I / O de uz general, 32 de registre de lucru de uz general. Dispozitivul funcționează între 1,8-5,5 volți. 1. Port USB de alimentare. 2. Port de alimentare. 3. Regulator de tensiune. 4. Oscilator cu cristale, acesta ajută la problemele ce implică un timp. 5,17. Prin aceste două puncte putem reseta plăcuța UNO. 6. Ieșire de 3.3V 7. Ieșire de 5V 28

8. GND-conectarea la masă. 9. Alimentare separată pentru plăcuța Arduino. 10. Pini Analogici, 6 la număr, putem conecta senzori analogici, cum ar fi senzorul de umiditate sau de temperatură și se transformă intr-o valoare digitală astfel putând fi citită de miciroprocesor. 11. Mictorocontroler, creierul plăcuței. 12. Pin ICSP. 13. LED ce indică activitatea. 14. LED-uri TX si RX ce indică primirea sau transmiterea semnalului. 15. Digital I/O (input/output), citesc valori logicce (0 sau 1) 16. AREF(referință analogică), este folosită uneori pentru a seta o limită a tensiunii, între 0 și 5 volți.

Arduino IDE Mediul de dezvoltare integrat Arduino (IDE) este o aplicație pentru platforme multiple (Windows, macOS, Linux) și suportă limbajele Java, C și C ++. Este folosit pentru a scrie și încărca programe pe plăci compatibile Arduino. Include un editor de cod cu funcții precum tăierea și lipirea textului, căutarea și înlocuirea textului și evidențierea sintaxei și oferă mecanisme simple cu un singur clic pentru a compila și încărca programe pe o placă Arduino. De asemenea, conține o zonă de mesaje, o consolă de text, o bară de instrumente cu butoane pentru funcții comune și o ierarhie a meniurilor de funcționare. Programele Arduino pot fi împărțite în trei părți principale: Structură, Valori (variabile și constante) și funcții. Structura software-ului constă din două funcții principale: funcția Setup () și funcția Loop (). Funcția setup () {} este folosită când începe o schiță. Parantezele buclate sunt ca și coperțile unei cărți: ele definesc limitele și toate paginile cărții sunt în interiorul lor. Se folosește pentru a inițializa variabilele, modurile PIN, utiliza biblioteci etc. Funcția de Setup va rula numai o dată, după fiecare pornire sau resetare a plăcii Arduino. Apoi avem un alt bloc de comenzi numit „loop ()” și începe și se termină cu paranteze buclate {}. Diferența este că, deși setup () se execută o singură dată la pornirea Arduino, blocul loop () 29

este rulat din nou și din nou. De îndată ce Arduino ajunge la sfârșitul comenzilor din interiorul secțiunii loop (), se întoarce la început și citește comenzile din nou. Un exemplu de program simplu este acela de a aprinde și a stinge un bec la un interval de timp. Declarăm pe ce pin avem conexiune între arduino și bec, setăm pin-ul ca „output” după care în secțiunea Loop avem comenzile de aprindere și stingere a becului (HIGH și LOW) și comanda de „delay” care ne ține becul în poziția din momentul respectiv pentru cât timp decidem noi, în acest caz valoarea setată fiind de 500, adică de 0.5 secunde.

Figura 3.2. Arduino IDE Partea practică este realizată foarte simplu, și anume, prin conectarea releului la plăcuța arduino ducând fire de la 5v la VCC, de la GND la GND și de la un pin digital la intrarea în

30

Figura 9. Conectarea releului la arduino

releu. Punem un bec cu un fir întrerupt, iar acel fir întrerupt îl punem pe pinul comun de pe releu și normal închis sau deschis. Încărcăm programul pe placa arduino și avem rezultatul final.

Microcontroller Microcontrolerul a jucat un rol fundamental - aș spune chiar dominant - în revoluția tehnologică care a modelat viața modernă. Microcontrolerele sunt dispozitive mici, versatile, care pot fi implementate și programate cu succes nu numai de către inginerii electricieni cu experiență, ci și de către pasionați, studenți și alte persoane fără experiență. Lista posibilelor aplicații de microcontroler este foarte lungă, spre exemplu: echipamente medicale, echipamente electronice de ultimă generație, dispozitive industriale robuste, sisteme militare și aerospațiale de Figura 10. Microcontroller 31

ultimă generație - aceste componente adaptabile, accesibile, ușor de utilizat sunt o completare binevenită pentru aproape orice produs electronic. Un microcontroler este un dispozitiv cu circuit integrat (IC) utilizat pentru controlul altor porțiuni ale unui sistem electronic, de obicei printr-o unitate de microprocesor (MPU), memorie și unele periferice. Aceste dispozitive sunt optimizate pentru aplicații încorporate care necesită atât funcționalitate de procesare, cât și interacțiune agilă și receptivă cu componente digitale, analogice sau electromecanice. „Microcontroler” este un nume bine ales, deoarece subliniază caracteristicile definitorii ale acestei categorii de produse. Prefixul „micro” cu referință la micile dimensiuni, iar termenul „controler” cu referire la capacitatea de a efectua funcții de control. Oamenii vor folosi uneori termenul „microprocesor” sau „MPU” atunci când se referă la un microcontroler, dar aceste două dispozitive nu sunt neapărat aceleași. Atât microprocesoarele, cât și microcontrolerele funcționează ca sisteme de calculatoare mici, foarte integrate, dar pot servi unor scopuri diferite.

Figura 11. Un microcontroller văzut sub microscop Termenul „procesor” este utilizat pentru a identifica un sistem care constă dintr-o unitate centrală de procesare și (opțional) o parte din memorie. Microcontrolerele, prin comparație, pun un accent mai mare pe module hardware suplimentare care permit dispozitivului să controleze un sistem, mai degrabă decât să execute instrucțiuni și să stocheze date. Un microcontroler este format dintr-o unitate centrală de procesare (CPU), memorie nevolatilă, memorie volatilă, periferice și circuite de suport. CPU efectuează operații aritmetice, gestionează fluxul de date și generează semnale de control în conformitate cu secvența de instrucțiuni create de programator. Circuitul extrem de complex necesar funcționalității procesorului nu este vizibil pentru proiectant. De fapt, datorită

32

mediilor de dezvoltare integrate și limbajelor de nivel înalt, cum ar fi C, scrierea codului pentru microcontrolere este adesea o sarcină destul de simplă. Memoria non-volatilă este utilizată pentru a stoca programul microcontrolerului - de exemplu, lista (adesea foarte lungă) a instrucțiunilor în limbajul mașinii care spun procesorului exact ce trebuie să facă. De obicei, veți vedea cuvântul „Flash” (care se referă la o formă specifică de stocare a datelor nonvolatile) în loc de „memorie nonvolatile”. Memoria volatilă (adică RAM) este utilizată pentru stocarea temporară a datelor. Aceste date se pierd atunci când microcontrolerul își pierde puterea. Registrele interne oferă, de asemenea, stocarea temporară a datelor, dar nu ne gândim la acestea ca la un bloc funcțional separat, deoarece sunt integrate în procesor. Cei mai mulţi pini de care dispune un microcontroller sunt pini prin care acesta comunică cu restul lumii. Aceşti pini sunt numiţi intrări şi ieşiri programabile pentru că destinaţia lor nu este definitiv fixată prin construcţie (aşa cum este cazul componentelor electronice obişnuite) ci este stabilită de instrucţiunile scrise în firmware. Astfel, printr-o programare corespunzătoare intrările şi ieşirile programabile pot fi configurate să aibă funcţii de: 

Intrare digitală. În această configuraţie pinul respectiv poate primi şi interpreta doar semnale digitale: 0 logic sau 1 logic



Ieşire digitală. În acest caz, pe pinul respectiv microcontroller-ul poate dicta doar semnale digitale



Intrare analogică. În această configuraţie tensiunea aplicată pe pinul respectiv este dirijată către un convertor analog digital (prescurtat convertor A/D). În acest mod, microcontroller-ul poate “înţelege” şi alte semnale de intrare, nu doar pe cele de 0 şi 1 logic. intrare analogică. În această configuraţie tensiunea aplicată pe pinul respectiv este dirijată către un convertor analog digital (prescurtat convertor A/D). În acest mod, microcontroller-ul poate “înţelege” şi alte semnale de intrare, nu doar pe cele de 0 şi 1 logic.



Ieşire PWM. Semnalul PWM (Pulse Width Modulation) este un semnal format din impulsuri cu frecvenţă constantă dar cu durată variabilă. Dacă la ieşirea unui pin configurat ca ieşire PWM aplicăm un filtru RC care să integreze aceste impulsuri (adică să le transforme într-un semnal continuu, “lin”), vom obţine o tensiune a cărei valoare 33

este direct proporţională cu durata impulsurilor. În acest mod, din microcontroller putem obţine şi semnale de ieşire analogice. Cel mai bun microcontroler va depinde în cele din urmă de cerințele proiectului dumneavoastră. Ar trebui să țineți cont de mai mulți factori cheie atunci când luați în considerare selectarea dispozitivelor cu microcontroler, inclusiv: 

Temperatura maximă tolerată (de exemplu –40 +85 °C)



Arhitectura (Harvard sau Von-Neumann)



Capacitatea de memorie



Preț și rentabilitate



Eficiență (performanță vs consum de energie)



Securitate



Putere de procesare



Frecvența maximă (MHz)

Microcontrolerul diferă de un microprocesor în multe feluri. În primul rând şi cel mai important este funcţionalitatea sa. Pentru a fi folosit, unui microprocesor trebuie să i se adauge alte componente ca memorie, sau componente pentru primirea şi trimiterea de date. Pe scurt, aceasta înseamnă că microprocesorul este inima calculatorului. Pe de altă parte, microcontrolerul este proiectat să fie toate acestea într-unul singur. Nu sunt necesare alte componente externe pentru aplicarea sa pentru că toate perifericele necesare sunt deja incluse în el. Astfel, economisim timpul şi spaţiul necesare pentru construirea de aparate.

34 Figura 12. Componentele unui microcontroller.

Limbajul mașină (instrucțiunile mașină) este singura formă de reprezentare a informației pe care un microcontroler o "înțelege". Din păcate această formă de reprezentare a informației este total nepractică pentru un programator, care va utiliza cel puțin un limbaj de asamblare, în care o instrucțiune (o mnemonică cu operanzii aferenți) are drept corespondent o instrucțiune în limbaj mașină (excepție fac macroinstrucțiunile disponibile la unele asambloare). Un program în limbaj de asamblare este rapid și compact. Aceasta nu înseamnă că un astfel de program, prost scris, nu poate fi lent și de mari dimensiuni, programatorul având controlul total (și responsabilitatea !) pentru execuția programului și gestiunea resurselor. Limbajul de asamblare este primul care trebuie învățat, chiar sumar, atunci când dorim să proiectăm o aplicație hard/soft cu un anume microcontroler (familie), el permițând înțelegerea arhitecturii acestuia și utilizarea ei eficientă.

35

CAPITOLUL 4. REALIZAREA AUTOMATIZĂRII PORȚILOR BATANTE Porțile sunt utilizate în mod obișnuit în zilele noastre în zona rezidențială. Porțile pot împiedica sau controla intrarea sau pot fi doar decorative. Astăzi multe porți sunt deschise de un operator de poartă automat. Acele porți vin cu multe caracteristici speciale. Nevoia de porți automate a crescut în ultima vreme. Sistemul descris aici încorporează utilizarea actuatorilor pentru a controla automat mișcarea porții. Poarta descrisă aici automatizează intrările în parcările din zone private. Folosește o telecomandă pentru a evita stresul de deschidere și închidere manuală a porții. Tehnologia utilizată elimină monitorizarea porții și mișcarea fizică de către oameni. Oferă acces convenabil și funcții inteligente care îl fac distinct de toate celelalte porți care îl aduc atât de aproape de un dispozitiv de securitate. Automatizarea porților este acum acceptată în mod obișnuit ca una dintre cele mai bune opțiuni pentru securizarea proprietății dvs. Porțile automate oferă confort, securitate și, de asemenea, adaugă valoare oricărei proprietăți. Majoritatea oamenilor declară că, odată ce au instalat porțile automate, se simt mai în siguranță (mai ales noaptea), că ei sunt încântați de ușurința operării și, de asemenea, că proprietatea lor se simte mai exclusivistă. Porțile țin, de asemenea, câinii înăuntru (sau afară, după caz!). Multe alte beneficii vin împreună cu pachetul, inclusiv valoare adăugată pentru proprietatea dvs. (unii spun că o casă se vinde mai repede deoarece porțile automate impresionează potențialii cumpărători), crescând stilul casei și oprind animalele fără stăpân să pătrundă în grădinile dvs. Și să nu uităm de momentele când afară plouă/ninge și trebuie să ieșim să închidem/deschidem porțile. Proiectarea și fabricarea mecanismului automat de poartă ar trebui să fie fiabile, ușor de întreținut, să funcționeze în condiții de siguranță și să aibă un cost mai mic comparativ cu alte tipuri de porți automate. Mecanismul automat al porții ar trebui să poată funcționa corect atunci când este instalat pe poarta normală cu greutatea de 100-200 kg. Mecanismele automate ale porții acționează ca element de acționare pentru sistemul de porți și asigură mișcare pentru a deschide sau închide poarta. Placa de circuit primește un semnal de la un control de acces (cum ar fi o tastatură sau o telecomandă) și spune actuatorului să deschidă sau să închidă poarta. O poartă este un potențial pericol de trafic, deci este important să localizați poarta suficient de departe de drum pentru a elimina posibilitatea de a bloca traficul. Actuatorul pe care 36

alegeți să îl instalați pe poarta dvs. trebuie să fie proiectat pentru tipul și dimensiunea porții dvs. și pentru frecvența cu care utilizați operatorul. Poarta trebuie să fie instalată corect și trebuie să funcționeze liber în ambele direcții înainte de instalarea actuatorului. Actuatorul ar trebui instalat în interiorul liniei de proprietate / gard. Când luați în considerare un deschizător automat de porți, trebuie să decideți dacă doriți să deschideți o poartă de tip batantă sau să glisați poarta atunci când trebuie să intrați. Confortul și securitatea unui deschizător de porți oferă nu doar ușurință și comoditate, ci și securitatea împotriva hoților. Porțile batante funcționează de obicei mai silențios și au mai puține probleme de reparații, deoarece nu există atât de multe piese în mișcare pe cât se găsesc în porțile glisante.

Figura 4.1. Schema actuatorului folosit. Pentru a ne dezvolta cunoștințele, pentru a economisi niște bani și pentru a implementa exact lucrurile pe care le dorim noi putem să construim noi pas cu pas un sistem de automatizare a porților batante. Spre exemplu, în acest proiect am ales să folosesc 2 actuatori de tip HARL 3618+, un modul cu telecomandă pentru acționarea lor la distanță, un panou solar cu un controller MPPT, un acumulator de 12v și o plăcuță de dezvoltare compatibilă cu arduino. Aici se mai pot adaugă și un corp de iluminat ce ne avertizează de mișcarea porților, un difuzor/goarnă pentru semnalizarea acționării, implementarea unei paroole/cod pin cu o tastatură numerică și orice altă idee ne mai poate veni. Actuatorii folosiți au o lungime minimă de aprox 70cm și o lungime maximă de aprox 110cm. În interiorul lor găsim două microîntrerupătoare care au rol de limitatoare și un obiect rotativ cu două denivelări care apasă aceste microîntrerupătoare la sfârșitul cursei. Acest obiect rotativ este format din 3 piese care ne permit să reglam cât de lungă sau scurtă sa fie cursa și este acționat de roțile zimțate din interior. Tot aici gasim și punctele de alimentare ale motorului. Tensiunea recomandtă este de 36v însă am folosit 12-30v în acest proiect cu un curent de 0.5A, acest lucru reducând viteza de deplasare 37

a actuatorilor dar fiind suficient pentru probe.Actuoatoarele sunt montate înclinate cu câteva grade pentru împiedicarea infiltrării apei prin brațul extensibil chiar daca ele sunt coonsiderate oarecum impermeabile având un factor de protecție IP44 ( protejat de stropirea cu apă din toate direcțiile și protejat de obiectele străine >1mm ).

Figura 4.2. Actuator HARL 3618+

Nu va fi nevoie să ieșiți din vehicul, să deschideți poarta, să parcați și apoi să ieșiți din nou să închideți poarta. Prin simpla apăsare a unui buton, poarta se va deschide și se va închide pentru ca vom folosi un modul cu o telecomandă, model PNI CA500, pe o frecvență de 433MHz.

Figura 4.3. PNI CA500

Acest modul folosește frecvențe radio în locul undelor luminoase, astfel extindem raza și calitatea semnalului până la o distanță maxim de 100m din datele producătorului, cel mai probabil în condiții ideale, acele condiții fiind rare întâlnite, presupun o distanță maximă reală de 30m. Telecomenzile cresc în mod constant numărul de dispozitive și funcții pe care le pot gestiona. Unele telecomenzi universale destinate componentelor home theater pot învăța comenzi pentru lumini, deci nu numai că vor începe un film prin simpla apăsare a unui buton, dar vor reduce și luminile. 38

Figure 4.4. Vedere de sus și jos a modulului PNI CA500

Sistemele complete de automatizare vă permit să utilizați o singură telecomandă pentru a gestiona iluminatul, sistemele de alarmă și componentele de divertisment prin intermediul unui receptor conectat direct la cablajul electric al casei dvs. Șansele sunt că destul de curând veți avea o singură telecomandă pentru a gestiona fiecare dispozitiv electronic din viața dumneavoastră. Pentru a acționa actuatorii în ambele direcții am fost nevoit să fac o punte (fig.4.5) între cele doua relee din modul. Actuatorii sunt alimentați prin contactele COM de pe relee, + pe un releu și – pe celălalt releu, contactele NO de pe ambele relee au fost împreunate și la fel și contactele Releul 1

Releul 2

Figura 4.5

NC. 39

Iar pentru alimentarea bobinelor din relee este nevoie de o tensiune de 12v pe contactele VCC și GND. Pentru alimentarea actuatorilor si a bobinelor am ales să folosesc o sursă de 12v și ca sursă secundară de alimentare am atașat un panou fotovoltaic ce înmagazinează energie într-un

Figura 4.6. Panou fotovoltaic. acumulator de 12V printr-un controler MPPT. Panoul fotovoltaic (fig.25) folosit este un model policristalin cu o putere maximă de 30W. Celulele sunt din plăci care conţin zone cu cristale ce au orientări diferite. Acestea pot fi fabricate de exemplu prin procedeul de turnare, sunt mai ieftine şi ca atare cele mai răspândite în producţia de dispozitive fotovoltaice. Panoul este conectat la MPPT (fig.4.7) prin două fire, plus și minus, în contactul PV (photovoltaic), din MPPT plecăm spre acumulator prin portul Batt și la actuatori și modulul cu telecomanda prin portul Load. Folosim un MPPT pentru că: 

în cazul unui cer înnorat, când intensitatea luminii se schimbă continuu, un controler MPPT ultra-rapid va îmbunătăți recoltarea energiei cu până la 30% comparativ cu controlerele de încărcare PWM și cu până la 10% comparativ cu controlerele MPPT mai lente.



Descărcarea excesivă a bateriei poate fi prevenită prin conectarea tuturor sarcinilor la ieșirea de sarcină (load). Ieșirea de încărcare va deconecta sarcina atunci când bateria a 40

fost descărcată la o tensiune prestabilită. Alternativ, poate fi ales un algoritm inteligent de gestionare a bateriei. Ieșirea de sarcină este rezistentă la scurtcircuit. 

Atunci când un controler de încărcare solară nu poate reîncărca bateria la capacitate maximă în decurs de o zi, rezultatul este adesea că bateria va fi continuu între starea „parțial încărcată” și starea „descărcată complet”. Acest mod de funcționare (fără reîncărcare completă regulată) va distruge o baterie cu plumb acid în câteva săptămâni sau luni. Algoritmul duratei de viață a bateriei va monitoriza starea de încărcare a bateriei și, dacă este necesar, va crește ușor zi de zi nivelul de deconectare a sarcinii (adică deconectați sarcina mai devreme) până când energia solară recoltată este suficientă pentru a reîncărca bateria la aproape 100 %. Din acel moment, nivelul de deconectare a sarcinii va fi modulat astfel încât să se realizeze o reîncărcare de aproape 100% o dată pe săptămână.



Aceste MPPT-uri reduc tensiunea primita de la panou (spre exemplu de la 18v la 12v) și cresc amperajul proporțional astfel încăt nu se pierde din puterea maximă care poate fi folosită (opus PWM care doar reduce tensiunea).

Figura 4.7. MPPT

În arduino, folosind pinii digitali, și printr-un program, putem programa semnalul acustic și semnalul luminos să funcționeze în paralel cu actuatorii, astfel încât la deschiderea sau închiderea porților să fim avertizați. 41

Pentru a putea trimite semnal către ardunio suntem nevoiți să folosim un divizor de tensiune (fig.30). Acest divizor de tensiune îl formăm din doi rezistori înseriați, și preluăm tensiunea

Fig. 4.1 42

dorită dintre ei. Ca să ajungem la tensiunea dorită (în cazul nostru 5v de la 12v) folosim o formulă simplă:

Avem: Vout=5v (tensiunea de ieșire dorită) R1=10kΩ R2=7.2Ω Vin= 12v

Figura 4.8. Divizor de tensiune.

43

CONCLUZII În concluzie, crearea unui sistem automatizat propriu poate fi realizat prin achiziționarea unuia sau a mai multor actuatori, unui modul radio de telecomandă și prin prezența unei surse de tensiune. Integrarea unui microcontroller Arduino poate oferi o gamă uriașă de îmbunătățiri oferind controlul total al sistemului, putem controla un bec și o goarnă care să semnaleze mișcarea porților, putem adăuga un timer care să închidă porțile daca au fost uitate deschise un anumit timp, putem adăuga senzori și multe altele. Putem asigura sursa de tensiune și printr-un panou solar astfel facem un pas mic spre sursele de curent regenerabile și eco.

Această

automatizare ne aduce un plus de confort și o mulțime de cunoștințe noi. Realizarea acestui proiect nu a fost un lucru ușor de realizat, a fost nevoie de multiple încercări ale componentelor, gândirea și regândirea poziționării pieselor, improvizării în anumite situații, însă rezultatul final este un motiv de mândrie. Prin acest proiect am reușit să comand doi actuatori de tip HARL 3618+ printr-o telecomandă, să programez un bec și un buzzer să acționeze la mișcarea actuatorilor prin intermediul unui microcontroller arduino și am redus tensiunea de la actuatori către arduino printr-un divizor de tensiune pentru a putea procesa semnalul, am adăugat o baterie ca sursă secundară de alimentare, ce poate fi folosită și ca sursă principală de altfel deoarece este încărcată constant printr-un panou solar fotovoltaic și un MPPT.

44

BIBLIOGRAFIE 1. "The electromechanical relay of Joseph Henry". Georgi Dalakov. 2.

Thomas Coulson (1950). Joseph Henry: His Life and Work. Princeton: Princeton University Press.

3. https://books.google.co.uk/books? ei=xPkZVZ3BFNbWavGogpAO&id=xjUhAQAAIAAJ&dq=Early+Electrical+Communi cation&focus=searchwithinvolume&q=Henry+Relay 4.

Crompton, T. R. (2000-03-20). Battery Reference Book (third Ed.). Newnesp. Glossary 3. ISBN 0080499953. Retrieved 2016-03-18.

5. "Battery - Definition of battery by Merriam-Webster". Merriam-webster.com. 6. Pistoia, Gianfranco (2005-01-25). Batteries for Portable Devices. Elsevier.p. 1.ISBN 0080455565. Retrieved 2016-03-18. 7. Forbes T. Brown (2006). Engineering System Dynamics. CRC Press.p. 43.ISBN 978-08493-9648-9. 8. Kenneth L. Kaiser (2004). Electromagnetic Compatibility Handbook.CRC Press. pp. 13– 52. ISBN 978-0-8493-2087-3. 9. "1926 – Field Effect Semiconductor Device Concepts Patented". Computer history museum. Retrieved March 25, 2016. 10. M. Benghanem, A. Maafi, Performance of stand-alone photovoltaic systems using Measured meteorological data for Algiers, Renewable Energy, 1998. 11. T. Bhattacharya, Text Book of Terrestrial Solar Photovoltaics, Narosa Publishing House, New Delhi, India, 1998. 45

12. Chel, G.N. Tiwari, A. Chandra, Sizing and cost estimation methodology for stand-alone residential PV power system, International Journal of Agile Systems and Management , 2009. 13. Arvind Chel, G.N. Tiwari, Avinash Chandra, Simplified method of sizing and life cycle cost assessment of building integrated photovoltaic system, 2009. 14. L.Fara, E.Paulescu, M. Paulescu, Sisteme fotovoltaice, Matrix ROM, Bucureşti, 2005. 15. Gronbeck, C., Wind power economics: cost of remote power using PV stand alone System, 1994. 16. Boldea I. „Transformatoare şi maşini electrice”, Ed. Politehnica, Timişoara, 2002. 17.Cojan Margareta „Tehnologia construcţiei şi fabricaţiei maşinilor electrice”, Iaşi 2003, Editura Panfilius. 18.Fransua Al. şi col., „Maşini şi sisteme de acţionări electrice. Probleme fundamentale”, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1978; 19.Simion Al., Leonard Livadaru, ş.a. „Maşini electrice”, Editura Shakti, Iaşi 1998. 20.Tunsoiu Gh., Seracin E., Saal C. Acţionări electrice, E.D.P., Bucureşti, 1982. 21.Ţopa I., „Elemente de execuţie electric”, Matrix Rom, Bucureşti 2005. 22. *** Institutul pentru Energie al Comisiei Europene, ie.jrc.ec.europa.eu 23. *** Operatorul pieţei de echilibrare, www.ope.ro 24. *** https://en.wikipedia.org/wiki/Arduino 25. *** https://en.wikipedia.org/wiki/ATmega328 26. *** http://www.arduino.org/software 27. *** http://www.arduino.cc/ 28. *** www.elprocus.com/understanding-about-types-of-access-control-systems/ 29. *** www.security.honeywell.com 30. *** https://searchsecurity.techtarget.com 31. *** www.vectorsecurity.com 32. *** https://www.elprocus.com/automatic-door-lock-system-using-RFID-and-arduino/ 46

33. *** https://www.slideshare.net/naveeniift/RFID-and-its-applications 34. ***www.fibre2fashion.com/industry-article/3271/RFID-applications 35. *** https://blog.atlasRFIDstore.com/

47