Carlos Peco Meneses
DISSENY I IMPLEMENTACIÓ D’UN CONVERTIDOR DC/DC PER L’ALIMENTACIÓ D’UN SISTEMA ACS
TREBALL DE FI DE GRAU
Dirigit per Angel Cid Pastor
Grau d’Enginyeria Electrònica Industrial i Automàtica
Tarragona 2019
2
INDEX
1. INTRODUCCIÓ ... 8
2. OBJECTIUS ... 10
3. ABAST I DESCRIPCIÓ DEL PROJECTE ... 11
4. SÍNTESI DEL SISTEMA ... 12
4.1. ELS SISTEMES ACS SOLARS-TÈRMICS ... 12
4.2. ELS PANELLS TÈRMICS EN ELS SISTEMES SOLARS-TÈRMICS ... 13
4.3. EL PANELL SOLAR FOTOVOLTAIC I LES SEVES CARACTERÍSTIQUES ... 13
4.3.1. Comportament dels panells solars enfront variacions de temperatura ... 15
4.3.2. Comportament dels panells solars enfront variacions de la irradiació solar. ... 16
4.3.3. Model elèctric del panell solar... 16
5. ANÀLISI DEL SISTEMA ... 18
5.1. ELS PANELLS SOLARS ... 18
5.2. BATERIA ... 20
5.3. INVERSOR DE TENSIÓ ... 21
5.4. BOMBA D’AIGUA ... 22
5.5. ANÀLISI DE PREVISIÓ DEL CONSUM DEL SISTEMA ... 23
5.5.1. Justificació de la capacitat de la bateria segons el consum previst. ... 24
6. ESTUDI I PROPOSTA DE SOLUCIÓ ... 25
6.1. CONNEXIÓ DELS PANELLS FOTOVOLTAICS ... 25
6.1.1. Estudi de necessitat ... 25
6.1.2. Connexió sèrie ... 26
6.1.3. Connexió paral·lel ... 26
6.1.4. Connexió sèrie – paral·lel ... 27
6.2. EL CONVERTIDOR COMMUTAT DC/DC REDUCTOR O “BUCK”... 31
6.2.1. El convertidor buck ... 31
6.2.2. Elecció dels elements principals del convertidor ... 36
6.2.2.1. Inductor ... 37
6.2.2.2. Capacitats ... 39
6.2.2.2.1. Capacitats de desacoblament ... 39
6.2.2.2.2. Capacitat del panell solar : Cpv ... 40
6.2.2.2.3. Capacitat de sortida ... 40
6.2.2.3. Els díodes ... 41
6.2.2.3.1. El diode de commutació ... 41
6.2.2.3.2. Els díodes del panell solar ... 41
6.2.2.4. El transistor ... 42
6.2.2.5. El driver ... 42
6.3. ESTUDI DE PÈRDUES DE POTENCIA DEL CONVERTIDOR ... 45
6.3.1. Rendiment del convertidor ... 47
6.4. EL SISTEMA DE CONTROL. ... 48
6.4.1. El sistema de control del convertidor... 48
6.4.2. El sistema de control del panell solar. ... 50
6.4.3. Maximum Power Point Tracking ... 50
3
6.4.4. Implementació digital enfront implementació analògica del MPPT ... 51
6.4.5. Algoritme MPPT: Extremmum seeking control ... 52
6.4.5.1. Principi de funcionament ... 52
6.4.5.2. Càlcul del MPP ... 55
6.4.5.3. Etapa d’integració i generació del senyal PWM ... 58
6.4.5.4. Codi de l’algoritme de rastreig. ... 59
6.4.5.5. Elecció del microcontrolador ... 60
7. SIMULACIONS DEL COMPORTAMENT DEL SISTEMA. ... 62
7.1. RESULTATS DE LES SIMULACIONS ... 62
8. IMPLEMENTACIÓ DE LA SOLUCIÓ: MESURES EXPERIMENTALS. ... 65
8.1. INTRODUCCIÓ. ... 65
8.1.1. ENTORN DE TREBALL ... 67
8.2. VERIFICACIÓ EXPERIMENTAL AL LABORATORI. ... 68
8.3. RESOLUCIÓ DE PROBLEMES EXPERIMENTALS... 71
9. DISSENY I IMPLEMENTACIÓ DE LES PLAQUES DE CIRCUIT IMPRÈS ... 73
10. MATERIAL I COSTOS ... 80
11. ANÀLISI DE RESULTATS I CONCLUSIONS DEL PROJECTE... 81
12. BIBLIOGRAFIA... 82
12.1. REFERÈNCIES ... 82
12.1.1. Programes informàtics ... 82
13. ANNEXES ... 83
4
INDEX DE TAULES
Taula 1. Dades tècniques de la bateria.
Taula 2. Dades tècniques de l’inversor de tensió.
Taula 3. Modes de treball de la bomba d’aigua.
Taula 4. Característiques principals de la bomba.
Taula 5. Anàlisi consum inversor.
Taula 6. Especificacions del convertidor Buck.
Taula 7. Dades tècniques del díode MBR1660.
Taula 8. Dades tècniques del díode 15SQ045.
Taula 9. Dades tècniques del MOSFET Taula 10. Dades tècniques del driver.
Taula 11. Anàlisi de potències dissipades dels components principals Taula 12. Dades tècniques del microcontrolador.
INDEX DE FIGURES
Figura 1. Evolució de la potencia solar instal·lada a espanya entre els anys 2000-2015.
Figura 2. Diagrama de blocs general del sistema.
Figura 3. Esquema d’un sistema genèric d’ACS.
Figura 4. Elements que formen un panell tèrmic.
Figura 5. Corba característica I-V i Potència d’un panell solar genèric.
Figura 6. Efecte de la temperatura en panells solar.
Figura 7. Efecte de la irradiació solar en panells solar.
Figura 8. Model elèctric d’un panell solar.
Figura 9. Imatge dels panells solars del sistema.
Figura 10. Comportament de la tensió Voc de cada mòdul solar al mes de juliol.
Figura 11. Comportament del corrent Isc de cada mòdul solar al mes de juliol.
Figura 12. Imatge de la bateria instal·lada al sistema.
Figura 13. Imatge de la bomba d’aigua del sistema.
Figura 14. Connexió directa entre un panell solar genèric de 36 cel·les i una càrrega.
Figura 15. Connexió sèrie de 4 panells solars.
Figura 16. Connexió paral·lela de 4 panells solars.
Figura 17. Connexió mixta de 4 panells solars.
Figura 18. Esquema de connexió dels panells solars.
Figura 19. Evolució de la tensió Voc del sistema de panells en connexió mixta durant les hores de sol d’un dia complert.
Figura 20. Evolució del corrent Isc del sistema de panells en connexió mixta durant les hores de sol d’un dia complert.
5
Figura 21. Forma d’ona del senyal de control (Verd); corrent del panell solar (Blau fosc); tensió del panell solar (Blau clar).
Figura 22. Corba característica I-V del conjunt de panells solars.
Figura 23. Corba característica P-V del conjunt de panells solars.
Figura 24. Esquema elèctric del convertidor buck.
Figura 25. Esquema elèctric del convertidor buck en estat On.
Figura 26. Esquema elèctric del convertidor buck en estat Off.
Figura 27. Forma d’ona de la tensió de l’inductor VL. Figura 28. Forma d’ona del corrent de l’inductor iL.
Figura 29. Esquema del convertidor emprant una font de corrent com a model del panell solar.
Figura 30. Forma d’ona del corrent del condensador icpv.
Figura 31. Forma d’ona del corrent del inductor iL i ampliació de l’arrissat per comprovar que compleix els requisits de disseny imposats.
Figura 32. Forma d’ona del corrent del inductor iL i ampliació de l’arrissat per comprovar que compleix els requisits de disseny imposats amb un valor d’inductància menor.
Figura 33. Forma d’ona de la tensió d’entrada per dos valors de condensadors diferents. La imatge superior correspon a un valor Cpv = 220 µF ; la imatge inferior correspon al valor calculat teòricament Cpv = 270 µF.
Figura 34. Esquema de la topologia High-Side i Low-Side.
Figura 35. Exemple d’esquema del convertidor Buck amb driver en topologia Low-Side.
Figura 36. Esquema elèctric del circuit del driver amb el circuit de Bootstrap.
Figura 37. Comportament del rendiment del convertidor en funció del Duty Cycle introduït.
Figura 38. Diagrama de blocs general d’un convertidor de tensió DC/DC amb sistema de control.
Figura 39. Diagrama de blocs general d’un convertidor de tensió DC/DC amb sistema de control.
Figura 40. Esquema de connexió entre panell i bateria amb les variables del sistema a controlar.
Figura 41. Esquema de disseny d’un convertidor Boost amb sistema MPPT analògic.
Figura 42. Esquema de blocs del convertidor Buck amb sistema MPPT digital.
Figura 43. Corba de potència genèrica d’un panell solar.
Figura 44. Punts d’estudi de la derivada en una corba de potència.
Figura 45. Esquema de blocs del procés seguit per l’obtenció del senyal de control PWM en un sistema MPPT analògic.
Figura 46. Procés d’adaptació fins arribar a l’algoritme de decisió.
Figura 47. Algoritme de determinació del valor d’alpha.
Figura 48. Esquema de tractament del senyal alpha per l’obtenció del senyal PWM.
Figura 49. Circuit integrador de senyal.
Figura 50. Model i encapsulat del microcontrolador escollit.
Figura 51. Resultat de la simulació 1. Formes d’ona de Tensió, Corrent i Potència del panell.
Figura 52. Resultat de la simulació 2. Formes d’ona de Tensió, Corrent i Potència del panell; Forma d’ona de la tensió de control Vcontrol, entrada del comparador.
Figura 53. Esquema de blocs del procés a seguir per al conjunt de proves experimentals.
Figura 54. Fotografia de les PCB i entorn de treball.
Figura 55. Fotografia de la PCB de potència.
Figura 56. Fotografia de la PCB de control.
6
Figura 57. Imatge dels resultats experimentals obtinguts quan el sistema està connectat a una càrrega resistiva en règim permanent.
Figura 58. Imatge dels resultats experimentals obtinguts quan el sistema està connectat a una càrrega resistiva i apareix una caiguda sobtada de potència.
Figura 59. Imatge dels resultats experimentals obtinguts quan el sistema està connectat a una bateria en règim permanent.
Figura 60. Imatge dels resultats experimentals obtinguts quan el sistema està connectat a una bateria i es fa arrancar.
Figura 61. Imatge dels resultats experimentals obtinguts quan el sistema està connectat a una bateria i apareix una pertorbació de la irradiació solar de potència.
Figura 62. Tensió d’alimentació del microcontrolador (senyal lila CH3) i senyal del corrent del panell solar (senyal groga CH1).
Figura 63. Esquema de la PCB de potència.
Figura 64. Esquema de generació del senyal triangular HF de 130 kHz.
Figura 65. Esquema de la PCB de control.
Figura 66. Esquema del routing de la PCB de potència. Cara TOP.
Figura 67. Esquema del Routing de la PCB de potència. Cara BOTTOM.
Figura 68. Esquema del routing de la PCB de control. Cara TOP.
Figura 69. Esquema del routing de la PCB de control. Cara BOTTOM.
NOMENCLATURA I SIGLES
ACS: Aigua Calenta Sanitària.
MPPT: Maximum Power Point Tracking.
MPP: Maximum Power Point.
LPF: Low-Pass Filter.
DC: Direct Current.
PCB: Printed Circuit Board, “Placa de Circuit Imprès”.
IC: Integrated Circuit, Circuit Integrat.
LF: Low Frequency, “ Baixa Freqüència”.
HF: High Frequency, “ Alta Freqüència”.
7
AGRAÏMENTS
En primer lloc als meus pares i germana, per donar-me el suport per continuar sempre endavant i la confiança per aconseguir-ho.
Als meus amics i companys del grau, pel suport durant les èpoques més difícils i les hores d’estudi.
Al meu director de projecte, Angel Cid, per ajudar-me i guiar-me en el projecte i animar- me a seguir en els moments més complicats.
Als companys del GAEI, en especial a Xavi Genaro, per tota l’ajuda prestada en els conceptes necessaris per aconseguir la realització del projecte.
Al conjunt de professors del DEEEA, pels coneixements transmesos durant el grau i l’ajuda facilitada en tot moment necessari.
A totes les persones que han estat al meu costat durant el transcurs del grau i del projecte.
GRÀCIES.
8
1. Introducció
Avui en dia, l’ús de sistemes de generació d’energia elèctrica mitjançant energies renovables es troba en constant evolució.
Una d’aquestes principals energies és la solar. L’ús de sistemes fotovoltaics ha permès la generació d’electricitat mitjançant panells solars, tot millorant la qualitat de vida i de contaminació.
Els panells solars, capaços de transformar directament l’energia solar en energia elèctrica, són un camp d’especial interès per a la seva utilització en habitatges i grans edificis, provocant un impacte d’estalvi econòmic important. A més a més, l’ús d’aquests sistemes en zones on és difícil el transport de l’electricitat mitjançant la xarxa elèctrica, fa d’ella una aplicació essencial.
Segons la REE (Red Eléctrica Española) , des de finals de l’any 2000 i en els quinze anys posteriors, la potencia solar instal·lada ha anat creixent de forma exuberant fins a arribar a assolir el 5% de la demanda d’energia.
Figura 1. Evolució de la potencia solar instal·lada a espanya entre els anys 2000-2015 [1].
Actualment, l’energia solar instal·lada en tot el món es troba encara en creixement continu.
Un exemple d’això ens el dóna l’informe anual de UNEF (Unión Española Fotovoltaica), on es reflecteix que l’any 2018 van ser instal·lats 261.7 MW de fotovoltaica on, a més a més, el 90% d’aquesta nova potència instal·lada correspon a l’autoconsum.
En termes d’instal·lació d’energia fotovoltaica, el llistat dels països i continents ve liderat pel continent asiàtic, amb la Xina com a gran referent. Pel que fa al continent europeu, segon referent mundial, Alemanya encapçala el rànquing, seguit d’Itàlia i Regne Unit.
L’estat Espanyol ocupa el cinquè lloc.[2]
Així doncs, segons el petit anàlisi realitzat, podem determinar que una aplicació important i que es troba actualment en creixement és la instal·lació de panells solars en habitatges.
Si ens centrem en les aplicacions possibles en el sector dels habitatges, destaquem els sistemes solars-tèrmics. Aquests sistemes compten amb conjunts de panells solars que
9
permeten generar energia elèctrica per emmagatzemar-la en una bateria i poder fer ús d’aquesta en el procés d’escalfament de l’aigua.
És precisament aquesta aplicació la que el següent projecte pretén tractar.
10
2. Objectius
L’objectiu principal d’aquest treball de fi de grau és el desenvolupament d’un mòdul de conversió de potència per implementar un carregador de bateries solar. Aquest convertidor incorporarà un algoritme de control anomenat Maximum Power Point Tracking, capaç de cercar el punt de màxima potència del panell solar i transferir la màxima potència disponible del panell solar a la bateria.
La bateria és utilitzada posteriorment com alimentació d’un mòdul inversor de tensió DC/AC comercial, que convertirà la tensió a 220 Vac per alimentar una bomba de pressió que s’encarrega de fer circular l’aigua calenta de l’habitatge.
Per dur a terme el procés abans descrit i assolir els objectius principals es pretén dissenyar un convertidor de tipus reductor, Buck, que treballi en llaç obert i que implementi el sistema MPPT de forma digital, eliminant així el volum de components electrònics de la implementació analògica.
Durant la realització del projecte, a més a més, es pretenen assolir diferents objectius addicionals com :
Estudiar els diferents tipus de convertidors DC/DC per tal d’escollir la topologia més adequada a l’aplicació concreta del projecte.
Realitzar una caracterització del comportament del conjunt de panells solars amb el que es treballarà.
Analitzar el procés de realització de les PCB per determinar possibles errors i realitzar una millora posterior.
11
3. Abast i descripció del projecte
En aquest projecte es procedirà a realitzar el disseny, càlcul i implementació del convertidor de tensió DC/DC amb un sistema de control basat en MPPT.
L’entorn de treball serà un habitatge que disposa d’un conjunt de panells solars en cert estat de degradació a causa del pas del temps, motiu pel qual les seves característiques poden no ser les idònies. Així doncs, realitzarem un estudi i anàlisi de quin és l’estat actual dels panells, caracteritzant el comportament i estudiant la millor forma d’associar-los.
El projecte es basa, principalment, en el disseny i realització del convertidor DC/DC, així doncs, estudiarem les possibles tipologies que poden ser dissenyades i les seves característiques, avantatges i inconvenients pel nostre sistema.
Es pretén aconseguir captar l’energia solar mitjançant un conjunt de panells solars i optimitzar el procés de càrrega, gràcies al MPPT, d’una bateria de 12 V.
El següent esquema mostra, en una primera introducció, el sistema amb què es treballarà:
Figura 2. Diagrama de blocs general del sistema.
Un cop estudiat el sistema i els elements que el formen ens centrarem en el disseny de la PCB del circuit de potència i control segons el model de convertidor escollit.
Finalment, es realitzaran les proves experimentals que determinin un correcte funcionament del sistema, tot analitzant els resultats obtinguts i els possibles aspectes a millorar.
Per concloure el projecte, s’analitzarà el conjunt del procés seguit durant l’execució d’aquest, els contratemps sorgits i solucions aplicades i les conclusions generals.
12
4. Síntesi del sistema
4.1. Els sistemes ACS solars-tèrmics
Definim l’ACS (Aigua Calenta Sanitària) com l’aigua escalfada apta per l’ús humà.
Es fa servir tant en petits habitatges com en grans edificis com hotels o residències i el seu principal ús és cobrir les necessitats de neteja personal i/o utensilis.
En l’àmbit energètic, els sistemes ACS tenen una gran importància, ja que representa entre un 25% i un 40% del consum energètic dels habitatges.
Dins dels sistemes ACS de tipus solar-tèrmic podem distingir 2 subcircuits que els formen:
Primari i Secundari.
El circuit primari, part del sistema on treballarem, és format pel captador, acumulador o intercanviador de calor i la bomba de circulació del fluid.
Pel que fa al captador, fem referència al sistema de captació d’energia i generació de la calor, que en el nostre cas es tracta d’un conjunt de panells solars i panells tèrmics.
A la part de l’acumulació, es destaquen l’ús d’un o més acumuladors per tal de retenir l’aigua calenta produïda i transferir la calor des del circuit primari al secundari.
La darrera part del sistema, fa referència als elements capaços de gestionar la circulació de l’aigua, és a dir, bombes, vàlvules, xarxa de canonades, etc.
Figura 3. Esquema d’un sistema genèric d’ACS.
13
4.2. Els panells tèrmics en els sistemes solars-tèrmics
També anomenats col·lectors solars, és un dispositiu que permet aprofitar l’energia de la radiació solar, transformant-la en energia tèrmica.
Figura 4. Elements que formen un panell tèrmic.
Distingim 3 tipus de col·lectors solars segons la seva àrea d’aplicació:
o Captadors de baixa temperatura: Utilitzats en habitatges per escalfar l’aigua dels circuits de calefacció o ACS. Poden ser de dos tipus, captadors solars plans o bé com a panells de tubs de buit.
o Captadors d’alta temperatura: Utilitzats principalment en aplicacions industrials com la generació de vapor en una turbina.
o Captadors de molt alta temperatura: També coneguts com a forns solars, tenen aplicacions industrials en l’àmbit de generació de vapor d’aigua.
4.3. El panell solar fotovoltaic i les seves característiques
És el dispositiu encarregat de la captació de l’energia solar irradiada.
Les cel·les o panells fotovoltaics estan construïts mitjançant un material semiconductor (normalment silici com a element principal) formant unions PN sensibles a la llum.
Podem destacar fins a tres tipus de cel·les diferents per a la construcció de mòduls solars:
Cel·les de silici amorf: Durant el procés de transformació del silici, es produeix un gas que es projecta sobre una làmina de vidre. Funcionen sobre llums de baixa
14
difusió però tenen un rendiment baix. Són aplicacions típiques les calculadores o rellotges solars.
Cel·les de silici monocristal·lí: En refredar-se durant el procés de fabricació, el silici fos se solidifica formant un únic cristall de grans dimensions. Acostumen a tenir bons rendiments (14% -17%) i una bona relació Potencia-Superfície (~150Wp/m2) tot i que tenen un cost elevat.
Cel·les de silici policristal·lí: En refredar-se en un motlle durant el procés de fabricació es formen diferents cristalls. Tenen un rendiment i una relació Potència- Superfície inferiors a les cel·les de silici monocristal·lí (~14% i 100Wp/m2, respectivament). El principal inconvenient és la caiguda de rendiment en condicions de baixa il·luminació.
El funcionament físic es basa en la diferència de potencial generada a causa del fet que els fotons de la llum traspassen una barrera d’energia característica del material emprat, generant així que es trenquin els enllaços formats i es generi el conegut com a parell electró- buit. És en aquesta parella formada on es genera la diferència de voltatge.
En l’àmbit experimental, els paràmetres més importants d’un panell solar acostumen a ser la tensió en circuit obert Voc, el corrent de curtcircuit Isc i la tensió i corrent en el punt de màxima potència Vm i Im. Gràcies a aquests paràmetres podem modelar el comportament, no lineal, dels panells. Aquests comportaments són descrits en les corbes I-V i P-V d’un panell solar i ens permeten conèixer el marge de valors de treball i quin és el punt de màxima potència, punt on la corba de P-V assoleix un màxim.
A continuació, podem observar les corbes genèriques d’un panell solar:
Figura 5. Corba característica I-V i Potència d’un panell solar genèric
15
Una característica important dels panells solars és el seu comportament enfront de les variacions de temperatura i d’irradiació solar, característiques que fan variar el seu comportament o punt de treball de forma dràstica.
A continuació observarem el seu comportament enfront de les diferents variacions i com podem modelar, amb elements elèctrics, els panells solars:
4.3.1. Comportament dels panells solars enfront variacions de temperatura
L’efecte de la incidència dels rajos solars provoca un augment de la temperatura a la superfície dels panells.
En condicions nominals, estudiem els comportaments dels panells fotoelèctrics a temperatura ambient, és a dir, 25 ºC.
A continuació, podem observar el comportament de la corba I-V d’un panell solar estàndard quan estudiem l’efecte de la temperatura en ell:
Figura 6. Efecte de la temperatura en panells solar
Així doncs, és senzill observar com quan la temperatura augmenta respecte a la temperatura de referència, 25 ºC (al gràfic representat en color verd), la tensió Voc del sistema cau, augmentant lleugerament el valor de Isc.
Anàlogament, la tensió Voc del sistema augmenta quan la temperatura del panell baixa, provocant al mateix temps que la Isc caigui.
16
4.3.2. Comportament dels panells solars enfront variacions de la irradiació solar.
Un factor molt important a tenir en compte respecte al comportament dels panells solars és el valor d’irradiació que reben dels raigs solars.
Així doncs, en condicions nominals considerem el factor de referència de 1000 W/m2. És important tenir en compte com estan orientats els panells, essent necessari realitzar un petit estudi previ de les hores de major incidència solar i de l’angle idoni de col·locació del panell.
A la següent figura, podem observar com afecten els diferents canvis de la irradiació solar al comportament del panell solar:
Figura 7. Efecte de la irradiació solar en panells solar
Tal com podem veure a la gràfica, la reducció del valor d’irradiació solar que incideix al panell provoca una reducció dels valors de Isc i Voc, fent que el Punt de Màxima Potència sigui inferior, per tant, reduint l’eficiència del panell.
A banda, és important destacar que, un canvi en els valors d’irradiació solar també provocarà un canvi de temperatura a la superfície del panell al llarg del temps, provocant tot plegat, caigudes de rendiment importants.
4.3.3. Model elèctric del panell solar.
A continuació, podem observar quin és el model elèctric d’un panell solar:
17
Figura 8. Model elèctric d’un panell solar
Un panell solar consta de 4 elements principals, una font de corrent, un díode i 2 resistències, una sèrie (Rsr) i una paral·lela (Rsh).
Així doncs, realitzant una anàlisi del circuit, podem descriure mitjançant la següent expressió matemàtica el comportament del panell solar:
𝐼 = 𝐼𝑔 − 𝐼𝑑 [exp (𝑉 + 𝐼 · 𝑅𝑠 𝑚 ·𝑘 · 𝑇𝑐
𝑒
) − 1 ] (1)
On:
I = Corrent de sortida del panell solar V = Tensió de sortida del panell solar
Voc = Tensió de circuit obert del panell solar Isc = Corrent de Curtcircuit del panell solar Ig = Corrent fotoelèctrica del panell solar Id = Corrent de saturació del díode m = Factor idealitat del panell solar K = Constant de Boltzman
Tc = Temperatura del panell solar e = Càrrega d’un electró
18
5. Anàlisi del sistema
En aquest projecte ens centrem exclusivament en la part elèctrica - electrònica i per tant, no entrarem en detallar tècnicament cadascun dels elements que formen un sistema ACS d’un habitatge.
Tal com es descriu a l’apartat 3, primerament realitzarem una descripció de les característiques de cadascun dels elements que formen el sistema per tal de caracteritzar-los i descriure les seves característiques i rang dels valors de treball.
5.1. Els panells solars
El sistema compta amb un conjunt de 4 panells solars del tipus BP 222 SR policristal·lí de 22 W.
Figura 9. Imatge dels panells solars del sistema.
Actualment aquest sistema de panells és vell, per tant, és necessari estudiar de nou el comportament i les característiques tècniques.
Per fer-ho, s’ha portat a terme un procés de caracterització on s’han mesurat tensió i corrent de cadascun dels panells per obtenir així el comportament durant un dia.
Durant les hores de sol del dia, des de les 8.00 h a 20.00 h, s’han dut a terme un total de 25 mesures diferents de tensió i corrent de cadascun dels mòduls per determinar el comportament en el transcurs del dia.
Així doncs el procés seguit és el següent:
1. Aïllament del panell solar del sistema.
19
2. Col·locació del mòdul amb un angle d’inclinació de 45º respecte al terra i amb orientació directa a la incidència dels raigs solars a l’hora del migdia.
3. Mesura de la tensió de circuit obert, Voc.
4. Mesura del corrent de curtcircuit, Isc.
Aquest procés pretén estudiar quin comportament, en relació al corrent i tensió, tindran els panells solars per tal de poder determinar la connexió idònia.
S’ha de tenir en compte que l’època de l’any influeix en les mesures, ja que la posició del sol i les hores d’incidència varien. Per fer aquesta caracterització s’han realitzat les mesures al mes de juliol.
Així doncs, podem observar en el següent resultat el comportament de tensió i corrent durant el període de 12 h de sol en un dia complert.
Figura 10. Comportament de la tensió Voc de cada mòdul solar al mes de juliol.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
8 h 8.30 h 9 h 9.30 h 10 h 10.30 h 11 h 11.30 h 12 h 12.30 h 13 h 13.30 h 14 h 14.30 h 15 h 15.30 h 16 h 16.30 h 17 h 17.30 h 18 h 18,30 h 19 h 19.30 h 20 h
Tensió Voc (V)
Hores del dia
Tensió del panell solar
Panell 1 Panell 2 Panell 3 Panell 4
20
Figura 11. Comportament del corrent Isc de cada mòdul solar al mes de juliol.
Observem en el comportament del corrent Isc dels panells com fins a les 12.30 h, aproximadament, el corrent té un valor molt baix, pujant de forma abrupta a partir d’aquest moment.
Aquest fet és degut a la col·locació dels panells en l’habitatge, ja que per impediments físics, han sigut col·locats en un punt de l’habitatge on fins les 12.30h no incideix el sol de forma directa, quedant així una quantitat important de cèl·lules en ombra. Tot i ser una problemàtica important a tenir en compte, s’ha estudiat la millor orientació possible, essent aquesta Sud-Oest, per tal de maximitzar les hores de sol del migdia i tarda en èpoques d’estiu.
5.2. Bateria
És l’element principal emmagatzemador de l’energia que generem a partir dels panells solars.
El nostre sistema empra una bateria I-Power de plom àcid PS250 de 12 V i amb una capacitat de 249 Ah.
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
8 h 8.30 h 9 h 9.30 h 10 h 10.30 h 11 h 11.30 h 12 h 12.30 h 13 h 13.30 h 14 h 14.30 h 15 h 15.30 h 16 h 16.30 h 17 h 17.30 h 18 h 18,30 h 19 h 19.30 h 20 h
Corrent Isc (A)
Hores del dia
Corrent del panell solar
Panell 1 Panell 2 Panell 3 Panell 4
21
Figura 12. Imatge de la bateria instal·lada al sistema.
A continuació podem observar les dades del fabricant de l’element:
Fabricant I-Power
Model PS250 1200ES
Tensió 12 V
Capacitat 249 Ah
Tipus Àcid-plom
Mides 240x273x352
D.O.D. recomanada 15%
D.O.D. màxima 35%
Taula 1. Dades tècniques de la bateria.
En propers apartats i gràcies a l’estudi dels consums del sistema podrem conèixer si la capacitat de la bateria del sistema és adequada, ja que en un primer moment, no es pretén realitzar la compra d’una nova bateria sinó aprofitar els elements que ja incorpora el sistema.
D’altra banda, és important garantir el correcte estat de la bateria, evitant descàrregues importants que puguin ser perjudicials. Així doncs, per establir uns marges de seguretat, la tensió de la bateria no hauria de ser inferior als 11 V ni superior als 13.5 V.
5.3. Inversor de tensió
És l’element encarregat de transformar la tensió DC a tensió AC per tal d’alimentar la bomba d’aigua.
Actualment existeixen al mercat molts inversors de moltes potències i característiques tècniques diferents. En el nostre sistema utilitzem el model MJ-300-12 del fabricant XUNZEL.
22
El mateix fabricant ens ofereix les característiques tècniques d’aquest:
Model MJ-300-12
Potència de sortida nominal CA 300 W
Potència pic CA 600 W
Tensió de sortida CA 230 Vca
Freqüència 50 Hz
Tipus d’ona de sortida Ona sinusoïdal rectificada
Pic d’eficiència 85-90%
Tall per tensió insuficient 10 Vcc
Protecció tèrmica 65 ± 5 ºC
Capacitat mínima de bateria 30 Ah
Taula 2. Dades tècniques de l’inversor de tensió.
Com s’ha descrit en apartats previs, el projecte es delimitarà a treballar amb el convertidor DC/DC i el mètode de control d’aquest, emprant, en un primer moment, el model comercial que ja incorporava prèviament el sistema.
5.4. Bomba d’aigua
És l’element que s’encarrega de fer circular l’aigua pel sistema.
En el nostre cas, es treballarà amb el model de bomba, del fabricant GRUNDFOS, UPS 15- 45x20.
Figura 13. Imatge de la bomba d’aigua del sistema.
Aquest model de bomba permet escollir el mode de treball manualment mitjançant un selector.
23
Mode Intensitat Potència N (rpm)
3 0.36 A 80 W 2050
2 0.28 A 60 W 1700
1 0.20 A 45 W 1300
Taula 3. Modes de treball de la bomba d’aigua.
Prèviament a la realització del projecte, es va determinar que el mode 3 era el necessari i idoni per al correcte funcionament del sistema. Així doncs, no s’estudiarà una variació del mode de treball o del model de bomba, ja que no està inclòs dins de l’abast actual del projecte.
A continuació descrivim les característiques tècniques de l’element que el fabricant cedeix:
Fabricant Grundfos
Model UPS 15-45x20
Tensió d’entrada 220 Vac Número de fases 1
Freqüència de treball 50 Hz
Capacitat 3 µF
Taula 4. Característiques principals de la bomba.
5.5. Anàlisi de previsió del consum del sistema
Un dels aspectes més importants de qualsevol sistema és conèixer el consum que tindrà. Segons l’esquema representat a l’apartat 1, existeix un element principal de consum de la bateria: l’inversor. El funcionament de l’inversor està delimitat en 2 estats:
funcionament i repòs.
Així doncs, analitzarem el consum diari d’ambdós estats.
Equip Nombre d’equips
Potència (W) Ús diari (h/dia) Ús setmanal (dies / setmana) Inversor
DC/AC 1 Stand by : 7.2 W Stand by : 10 h Amb càrrega : 80 W Amb càrrega : 2 h 7
Taula 5. Anàlisi consum inversor .
24 Per tant:
Consum inversor : 72 W·h en Stand By + 160 W·h en treball amb càrrega.
Un cop determinats els valors de consum del sistema, podem realitzar una anàlisi sobre la capacitat de la bateria. Aquest anàlisi ens permetrà saber si aquesta està ben dimensionada o pel contrari, seria convenient canviar-ne la capacitat.
5.5.1. Justificació de la capacitat de la bateria segons el consum previst.
Com hem descrit en apartats anteriors, el nostre sistema compta amb una bateria de 12 V. Segons els paràmetres del fabricant, aquest model de bateria té una capacitat de 249 Ah i una profunditat de descàrrega màxima (D.O.D.) del 35%.
Per tal de determinar si la capacitat de la bateria és la correcta o no, definirem l’autonomia que aquesta hauria de tenir. Així doncs, tenint en compte que es tracta d’un sistema d’ACS, marcarem l’autonomia de la bateria en 2 dies.
Així doncs, en cas d’estar en Stand By el sistema consumirà 6 Ah; i quan estigui amb càrrega el consum serà de 13.3 Ah.
Per tant, en tractar-se d’una bateria de 249 Ah de capacitat, podem estimar que serà suficient.
25
6. Estudi i proposta de solució
Un cop hem analitzat el nostre sistema, podem començar a definir la solució que volem aplicar.
Per fer-ho, estudiarem per separat cadascun dels elements anteriorment descrits i com aquests interaccionen entre ells per així trobar la solució més idònia possible.
Primerament estudiarem la relació que guarden el conjunt de mòduls solars amb l’alimentació del sistema per tal d’associar-los de la millor forma possible per al nostre sistema.
Posteriorment, es realitzarà un estudi sobre la necessitat d’utilitzar un convertidor de tensió, la tipologia escollida i les seves característiques.
6.1. Connexió dels panells fotovoltaics 6.1.1. Estudi de necessitat
Des d’un primer instant, la forma de connexió bàsica i més intuïtiva és la connexió del conjunt de panells solars a una càrrega (resistiva o bateria).
En el nostre cas, caldria en connectar els panells tot adaptant la tensió que poden donar a la tensió de la bateria i col·locant un díode d’antiretorn i Bypass (figura 20) com a protecció.
Figura 14. Connexió directa entre un panell solar genèric de 36 cel·les i una càrrega.
Els principals inconvenients d’aquesta configuració són el baix rendiment del sistema i la necessitat d’incorporació d’un shunt com a element de protecció per evitar la sobretensió o la sobrecàrrega.
26
Així doncs, per millorar aquesta transferència d’energia entre la font i la càrrega i permetre un ampli marge en els nivells de tensió a l’entrada, és necessari l’ús d’un convertidor de tensió commutat.
Abans de determinar el tipus de convertidor a utilitzar, hem de conèixer quins seran els rangs de tensió a l’entrada. Com ja sabem, els panells solars, com a elements elèctrics, poden ser associats de qualsevol d’ambdues formes que coneixem: en sèrie o en paral·lel.
6.1.2. Connexió sèrie
Es tracta de realitzar una connexió en sèrie dels quatre panells solars.
Figura 15. Connexió sèrie de 4 panells solars.
Aquests tipus de connexions destaquen perquè ajuden a augmentar la tensió de circuit obert que es pot obtenir. L’equació que defineix aquest comportament és la següent:
𝑉𝑜𝑐𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 = 𝑉𝑜𝑐1· 𝑛 ( 4)
6.1.3. Connexió paral·lel
Es tracta de realitzar una connexió en paral·lel dels quatre panells solars.
27
Figura 16. Connexió paral·lela de 4 panells solars.
Aquest tipus de connexions destaquen perquè ajuden a augmentar el corrent de curtcircuit que es pot obtenir. L’equació que defineix aquest comportament és la següent:
𝐼𝑠𝑐𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 = 𝐼𝑠𝑐1· 𝑛 (5)
6.1.4. Connexió sèrie – paral·lel
També anomenada connexió mixta, es tracta de realitzar una connexió en sèrie i paral·lel al mateix temps, en agrupacions de 2 panells, tal i com es mostra a la figura següent:
Figura 17. Connexió mixta de 4 panells solars.
Com hem pogut observar en l’apartat 5.1, cada panell solar té una diferència important respecte la resta en relació al seu estat. En el cas de realitzar una connexió paral·lela del conjunt dels 4 panells, el corrent es veuria limitat pel panell en pitjors condicions. D’altra banda, si optem per una connexió en sèrie, la tensió augmentaria fins a aproximadament els 70 V, essent necessari implementar un convertidor Buck capaç de treballar amb aquesta tensió d’entrada.
Així doncs, si fem ús de la connexió mixta, la tensió a la sortida dels mòduls solars seria d’aproximadament 35 V, essent una tensió molt més reduïda que en cas d’una connexió paral·lel. D’altra banda i pel que fa al corrent, serà necessari escollir de quina forma són interconnectats els panells per tal de limitar en menor mesura el sistema.
28
El següent esquema mostra de quina forma connectarem els panells:
Figura 18. Esquema de connexió dels panells solars.
En la proposta de connexió realitzada, hem connectat en sèrie els panells 1-3 i 2-4 i realitzat una connexió paral·lela amb entre ells.
Per decidir-ho, s’ha fet servir el següent criteri: Els panells amb el corrent més semblant seran associats en sèrie en una branca del paral·lel. La limitació de corrent del panell 4, ja que el corrent de curtcircuit mesurat és relativament més baix respecte la resta, limitaria el corrent capaç de produir el sistema de panells, així doncs, s’optarà per aquesta configuració per obtenir el Isc més alt possible.
Ara bé, podem observar el comportament del conjunt de panells durant 1 dia sencer al més de juliol.
29
Figura 19. Evolució de la tensió Voc del sistema de panells en connexió mixta durant les hores de sol d’un dia complert.
Figura 20. Evolució del corrent Isc del sistema de panells en connexió mixta durant les hores de sol d’un dia complert.
De la mateixa forma que la problemàtica comentada a l’apartat 5.1., la col·locació dels panells a l’habitatge limita les hores de llum solar incident sobre el sistema de mòduls solars fotovoltaics.
Un cop obtinguts els valors màxims de corrent Isc del conjunt de panells i el rang de valors de tensió Voc, es possible traçar les corbes característiques I-V i P-V.
Per fer-ho, se simularà la connexió dels panells solars mitjançant l’emulador de panells solars que el laboratori del GEIA incorpora.
Per realitzar les corbes es realitzarà un escombrat del Duty Cycle, en un rang entre el 5% i el 95% aproximadament. Per determinar que el traçat de les gràfiques és adequat, es prendran
26 27 28 29 30 31 32 33
8 h 8.30 h 9 h 9.30 h 10 h 10.30 h 11 h 11.30 h 12 h 12.30 h 13 h 13.30 h 14 h 14.30 h 15 h 15.30 h 16 h 16.30 h 17 h 17.30 h 18 h 18,30 h 19 h 19.30 h 20 h
Tensió Voc
Hores del dia
Comportament de la tensió Voc al mes de juliol
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2
8 h 8.30 h 9 h 9.30 h 10 h 10.30 h 11 h 11.30 h 12 h 12.30 h 13 h 13.30 h 14 h 14.30 h 15 h 15.30 h 16 h 16.30 h 17 h 17.30 h 18 h 18,30 h 19 h 19.30 h 20 h
Corrent Isc
Hores del dia
Comportament del corrent Isc al mes de juliol
30
25 punts de referència compresos durant el mig període ascendent del senyal de Baixa Freqüència Vcontrol (Verd).
La següent figura mostra el resultat obtingut al realitzar l’escombrat:
Figura 21. Forma d’ona del senyal de control (Verd); corrent del panell solar (Blau fosc); tensió del panell solar (Blau clar).
Així doncs, a continuació es mostren les corbes característiques I-V i P-V obtingudes amb l’emulador:
Figura 22. Corba característica I-V del conjunt de panells solars.
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Corrent
Tensió del panell
Característica Ipv-Vpv
31
Figura 23. Corba característica P-V del conjunt de panells solars.
Un cop determinat l’esquema de connexió dels panells és moment de determinar el convertidor DC/DC a utilitzar.
Primerament tindrem en compte que es pretén un disseny que aprofiti al màxim els elements i els recursos del sistema, buscant obtenir la eficiència més gran possible.
D’altra banda, en funció de la connexió dels panells escollida i de la tensió a la qual treballa la nostra càrrega (bateria de 12 V), ens trobem en obligatorietat de fer ús d’una topologia reductora.
Així doncs, pels requisits abans comentats, escollirem un convertidor Buck.
6.2. El convertidor commutat DC/DC reductor o “Buck”
Com s’ha especificat en apartats anteriors, l’estructura dels panells fotovoltaics escollida comporta l’obligatorietat d’incorporar un convertidor reductor de tensió a la sortida dels panells.
Per l’elecció d’aquest convertidor, s’estudiarà la topologia reductora Buck, ja que és una topologia de fàcil estudi, implementació i amb uns valors de rendiment alts.
6.2.1. El convertidor buck
La topologia Buck amb la que treballarem mostra la següent arquitectura, mostrada a la Figura 25. Aquest circuit mostra el convertidor en llaç obert, tot tenint en compte que a la sortida hi té connectada una bateria que podem aproximar com a una font de tensió en sèrie amb un element resistiu (resistència interna de la bateria).
0 5 10 15 20 25 30 35
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Potència
Tensió del panell
Característica Ppv-Vpv
32
Figura 24. Esquema elèctric del convertidor buck.
Si realitzem l’anàlisi del comportament de l’inductor i la capacitat de sortida per al mode de conducció continu podem extreure les següents equacions de comportament en estat estacionari:
Pel cas dels inductors:
< 𝑣𝐿 > = 1
𝑇 ∫ 𝑣𝐿(𝑡)𝑑𝑡 = 0
𝑇 0
( 6)
I pel cas de les capacitats:
< 𝑖𝐶> = 1
𝑇 ∫ 𝑖𝐶(𝑡)𝑑𝑡 = 0
𝑇 0
( 7)
Així doncs, analitzant els estats ON i OFF del sistema:
Estat ON
Definim l’estat On del sistema quan el valor de la variable de control u (t) = 1, quedant el transistor activat. El díode, polaritzat en inversa, no condueix, per tant, el corrent que passa pel transistor arriba directament a l’inductor.
El condensador Cpv queda connectat en paral·lel a la font de tensió d’entrada, per tant, pot ser considerat superflu per l’anàlisi.
33
Figura 25. Esquema elèctric del convertidor buck en estat On.
Definint VL com la tensió de l’inductor i 𝑉𝑜 = 𝑉𝑅𝑏𝑎𝑡 + 𝑉𝑏𝑎𝑡 com a la tensió entre el born positiu de Rbat i el negatiu de Vbat , podem determinar que :
𝑉𝑝𝑣 − 𝑉𝐿𝑜𝑛− 𝑉𝑜 = 0 → 𝑉𝐿𝑜𝑛 = 𝑉𝑝𝑣 − 𝑉𝑜 ( 8)
Estat OFF
Definim l’estat Off del sistema quan el valor de la variable de control u (t) = 0, quedant el transistor desactivat. El díode, polaritzat en directa condueix el corrent, per tant, es produeix la descàrrega de l’inductor a traves de la càrrega i del condensador de sortida.
Figura 26. Esquema elèctric del convertidor buck en estat Off
Definint VL com la tensió de l’inductor i 𝑉𝑜 = 𝑉𝑅𝑏𝑎𝑡 + 𝑉𝑏𝑎𝑡 com a la tensió entre el born positiu de Rbat i el negatiu de Vbat , podem determinar que :
𝑉𝐿𝑜𝑓𝑓 + 𝑉𝑜 = 0 → 𝑉𝐿𝑜𝑓𝑓 = −𝑉𝑜 ( 9)
Així doncs podem determinar, segons la condició de l’expressió 6, que :
< 𝑉𝐿 > = 𝐷 · 𝑉𝐿𝑜𝑛 + 𝐷′· 𝑉𝐿𝑜𝑓𝑓 = 0
𝐷(𝑉𝑝𝑣 − 𝑉𝑜) + 𝐷′ (−𝑉𝑜) = 0 → 𝐷 · 𝑉𝑝𝑣 = 𝑉𝑜 𝑉𝑜
𝑉𝑝𝑣 = 𝐷 ( 10)
Anomenada equació de Guany del convertidor i que defineix la relació de tensió entre la tensió d’entrada i sortida a més del valor del Duty Cicle necessari per aconseguir-la.
34
Estudiant el comportament de la tensió de l’inductor es pot veure que:
Figura 27. Forma d’ona de la tensió de l’inductor VL.
Ara bé, si analitzem el comportament del corrent i, observem el següent:
Figura 28. Forma d’ona del corrent de l’inductor iL.
Aquest senyal triangular, de freqüència igual a la freqüència de commutació, pot ser estudiada per obtenir l’equació que descriu el valor de la inductància mínima:
∆𝐼𝐿 = 𝑉𝐿 𝑜𝑛
𝐿 · 𝑇𝑜𝑛 ( 11)
On, si desenvolupem d’acord a que 𝑉𝐿 𝑜𝑛 = 𝑉𝑝𝑣 − 𝑉𝑜 , obtenim l’expressió final de la inductància:
35 𝐿 = (𝑉𝑝𝑣 − 𝑉𝑜) · 𝐷 · 𝑇
∆𝐼𝐿
( 12)
Així doncs, gràcies a l’anàlisi del comportament del corrent de l’inductor, podem conèixer també quin valor de condensador de sortida complirà els requisits de disseny d’arrissat de tensió [ ∆𝑉𝑜
𝑉𝑜 ] .
Tenint en compte que 𝐶𝑜𝑢𝑡 = 𝑄
∆𝑉 , on Q representa l’àrea triangular indicada al gràfic anterior, podem extraure que:
𝑄 = 𝑏 · ℎ 2 =
𝑇 2 ·
∆𝐼𝐿 2
2 = 𝑇 · ∆𝐼𝐿 8
( 13)
Desenvolupant i substituint per l’expressió 13, obtenim l’expressió desitjada:
𝐶 = 𝑉𝑝𝑣 · 𝐷 · 𝑇2 8 · 𝐿 · [∆𝑉𝑂
𝑉𝑜]
= ∆𝐼𝐿 8 · 𝑓𝑠𝑤 · [∆𝑉𝑂
𝑉𝑜]
(14)
Un cop definits els paràmetres principals del convertidor, és important definir el valor del condensador d’entrada Cpv. Per fer-ho, hem de canviar el model anterior descrit a la figura 25 pel següent:
Figura 29. Esquema del convertidor emprant una font de corrent com a model del panell solar.
Ara bé, podem analitzar la forma del corrent del condensador:
36
Figura 30. Forma d’ona del corrent del condensador icpv.
On l’àrea marcada en verd correspon al període de càrrega del condensador d’entrada. Així doncs, si calculem la càrrega del condensador com a resultat del càlcul de l’àrea marcada obtenim:
𝑄 = 𝑏 · ℎ = 𝑇𝑜𝑓𝑓· 𝐷 · 𝐼𝐿 (15)
Per tant:
𝐶𝑝𝑣 = 𝑄
𝛥𝑉𝑖𝑛= 𝑇𝑜𝑓𝑓· 𝐷 · 𝐼𝐿
𝛥𝑉𝑖𝑛 = (1 − 𝐷) · 𝐷 · 𝐼𝐿
𝛥𝑉𝑖𝑛 · 𝑓𝑠𝑤 ( 16)
6.2.2. Elecció dels elements principals del convertidor
L’apartat següent tracta de realitzar el càlcul dels elements principals que formen part del convertidor escollit.
Aquesta determinació permet aproximar els valors a escollir dels diferents elements, tot podent ser necessari variar-los en funció dels resultats obtinguts en les simulacions i proves experimentals.
Així doncs, s’han de definir prèviament els paràmetres d’especificació de disseny del convertidor.
37
Especificacions del convertidor Buck
Tensió d’entrada Vpv 35 Vdc
Freqüència commutació fsw 130 kHz Arrissat del corrent ∆𝐼𝐿𝑚𝑎𝑥 15%
Tensió de la bateria Vbat 12 V
Potència de sortida Pout 30 W
Taula 6. Especificacions del convertidor Buck.
6.2.2.1. Inductor
Gràcies a l’estudi del corrent de l’inductor realitzat a l’apartat 6.2.1., detallats a l’equació 11 i l’equació 12 i segons les especificacions definides en l’apartat anterior 6.2.2., podem determinar el valor mínim teòric d’inductància.
𝐿 = (𝑉𝑝𝑣 − 𝑉𝑜) · 𝐷 · 𝑇
∆𝐼𝐿 = (35 − 12) · 0.3428 · 1 130.000
0.15 · 1.56 = 260 µ𝐻
Un cop definit teòricament el valor de l’inductor es realitzen les simulacions necessàries per observar el comportament del sistema i establir si es necessari modificar el valor escollit d’inductància.
38 Zona considerada com ILM AX
Figura 31. Forma d’ona del corrent del inductor iL i ampliació de l’arrissat per comprovar que compleix els requisits de disseny imposats.
Ara bé, considerar una inductància de valor 260 µH implica una mida considerable quant a disseny en PCB, així com pèrdues en conducció majors. Per tant, es decideix realitzar la simulació amb un valor d’inductància més petit que compleixi amb els requisits.
El valor escollit és 50 µH. La següent figura mostra el resultat obtingut per aquest valor d’inductància.
39 Zona considerada com ILM AX
Figura 32. Forma d’ona del corrent del inductor iL i ampliació de l’arrissat per comprovar que compleix els requisits de disseny imposats amb un valor d’inductància menor.
Com es pot observar, l’amplitud de l’arrissat del corrent IL ha augmentat, així i tot i en les condicions de treball d’aquest projecte, es pot considerar prou petit per donar-lo per vàlid.
6.2.2.2. Capacitats
El següent apartat tracta sobre l’elecció de les capacitats principals del sistema:
Condensador de desacoblament a l’entrada, condensador del panell solar i condensador de sortida del convertidor.
6.2.2.2.1. Capacitats de desacoblament
A l’entrada del convertidor i junt amb el connector del panell solar es col·locarà un condensador ceràmic de 10 nF, amb el fi d’eliminar sorolls provinents dels bornes d’entrada o de connexions defectuoses.
A més a més, s’incorporaran condensadors ceràmics i de pel·lícula de polièster de capacitat 1 µF el més a prop possible dels pins d’alimentació dels IC.
40 6.2.2.2.2. Capacitat del panell solar : Cpv
Es tracta d’un condensador de capacitat molt gran que permeti reduir el soroll i arrissats provinents del panell solar.
Gràcies a l’estudi del corrent d’entrada realitzat a l’apartat 6.2.1., detallat a l’equació 16 i segons les especificacions definides en l’apartat anterior 6.2.3., podem determinar el valor mínim de capacitat del condensador Cpv.
𝐶𝑝𝑣 = (1 − 𝐷) · 𝐷 · 𝐼𝐿
𝛥𝑉𝑝𝑣 · 𝑓𝑠𝑤 =(1 − 0.3428) · 0.3428 · 1.56
0.01 · 130.000 = 270 µF
Verificant el resultat obtingut mitjançant la simulació del sistema obtenim:
Figura 33. Forma d’ona de la tensió d’entrada per dos valors de condensadors diferents. La imatge superior correspon a un valor Cpv = 220 µF ; la imatge inferior correspon al valor calculat teòricament Cpv = 270 µF.
Com s’observa, el valor calculat teòricament provoca un arrissat en la forma d’ona de la tensió, fet pel que s’ha decidit reduir el valor per Cpv = 220 µF.
6.2.2.2.3. Capacitat de sortida
Principalment, el condensador de sortida del convertidor té la funció de reduir l’arrissat provinent del corrent de l’inductor, tot evitant així que aquest traspassi a la càrrega.
41
En aquest cas específic, la càrrega emprada és una bateria, per tant, se suposa un comportament de font de tensió continua, on l’arrissat de sortida seria nul.
Tanmateix, els comportaments experimentals dels elements no són propers als teòrics, existint sorolls als senyals i resistències internes als components. Així doncs, per tal d’evitar possibles problemes com els esmenats anteriorment, es col·locarà una capacitat a la sortida del convertidor amb una bona resposta a les components d’alta freqüència a mode de filtratge, tot suposant que la tensió de sortida no volem que assoleixi un arrissat major als 0.1 V.
Gràcies a l’estudi del corrent de l’inductor realitzat a l’apartat 6.2.1., detallat a l’equació 14 i segons les especificacions definides en l’apartat anterior 6.2.2., podem determinar el valor mínim de capacitat del condensador Co.
𝐶 = ∆𝐼𝐿 8 · 𝑓𝑠𝑤 · [∆𝑉𝑂
𝑉𝑜]
= 0.15
8 · 130.000 · 0.1= 1.44 µ𝐹
6.2.2.3. Els díodes
6.2.2.3.1. El diode de commutació
En la tipologia de convertidor Buck emprada, el corrent només tindrà una única direcció de circulació ( panell – bateria ).
Així doncs, la incorporació d’un díode Schottky permetrà aquest funcionament unidireccional desitjat. El díode escollit és el model MBR1660 amb les següents característiques principals:
Especificacions tècniques del díode MBR1660 Tensió màxima repetitiva inversa 60 Vdc
Corrent continua màxima directa 16 A Rang de temperatura de
funcionament
-65 ºC a +150 ºC
Potència dissipada 2 W
Taula 7. Dades tècniques del díode MBR1660.
6.2.2.3.2. Els díodes del panell solar
Els panells solars han d’incorporar, a mode de protecció, diferents díodes coneguts com a díodes Bypass i díodes Antiretorn.
