PV BESLEMELİ PIC KONTROLLÜ TRAFİK SİNYALİZASYONU

Transkript

1 PV BESLEMELİ PIC KONTROLLÜ TRAFİK SİNYALİZASYONU Cemil Sungur 1, Hakan Terzioğlu 1, M. Ali Anadol 1 Selçuk Üniversitesi, Teknik Bilimler MYO Kampüs KONYA csungur@selcuk.edu.tr, hterzioglu@selcuk.edu.tr, anadol@selcuk.edu.tr ÖZET Ülkelerin hızlı şehirleşmesi sonucu yeni yolların açılması ve mevcutların genişletilmesi esnasında mobil ve geçici sinyalizasyon sistemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışmada, PV(Photovoltaics) ile beslenen, batarya destekli, PIC mikrodenetleyici kontrollü bir mobil trafik sinyalizasyon sistemi tasarlanmıştır. PV ile batarya arasında ki şarj-deşarj olayı ve sinyalizasyon sisteminin kontrolü PIC mikrodenetleyici ile gerçekleştirilmiştir. Sinyalizasyon sisteminin ihtiyaç duyduğu elektrik enerjisi PV lerden elde edilmektedir. Ayrıca PV panellerden enerji temin edilemediği durumlarda gerekli olan enerji, bataryadan karşılanarak enerji kablolarına olan ihtiyaç ortadan kalkmaktadır. Sonuç olarak LED ler ile yapılan sinyalizasyonda mevcut enerjinin uzun süre kullanılması mümkün olmaktadır. Anahtar kelimeler: Trafik sinyalizasyon, Fotovoltaik panel, PIC kontrol, Enerji tasarrufu 1. GİRİŞ Sosyal yaşamda meydana gelen gelişimlerin sonucu olarak, büyüyen şehirleşme ve buna bağlı olarak da taşıtların artması kaçınılmaz bir hal almıştır. Büyüyen şehirleşme sonucu hem yeni yolların açılması hem de mevcut yolların genişletilmesi gerekmektedir. Gerek şehir içi gerek şehirlerarası yollarda yapım ve bakım çalışmaları esnasında araç trafiğinin sorunsuz akması için trafik sinyalizasyonuna ihtiyaç duyulmaktadır. Ancak bu çalışmalar esnasında kullanılan sinyalizasyonun kalıcı olmaması, besleme, taşıma ve programlama gibi birçok problemi de yanında getirmektedir. Yapmış olduğumuz bu çalışmada, beslenme problemi olmayan ve sinyalizasyon sürelerinin kolay programlanıp yüklenildiği ve duruma göre değiştirildiği, mobil olması sayesinde ihtiyaç duyulan her yere taşınabilecek bir sinyalizasyon sistemi gerçekleştirilmiştir. Bu sistemde, besleme aracı olarak PV modül ve sistemi destekleme amaçlı bir batarya, sinyalizasyon için LED li sinyal lambası, sistem kontrolü içinde PIC 16F877 mikrodenetleyici kullanılmıştır. 2. TEORİK BİLGİ 2.1. Güneş Pili Sistemleri Güneş pilleri, yenilenebilir enerji kaynaklarından olan güneş enerjisinden faydalanarak doğrudan elektrik üretmeye yarayan araçlardır[1]. Çeşitli boyutlarda, güçlerde üretilmeleri ve gerekli olan enerjinin her yerde bulunabilmesi güneş pillerinin değişik alanlarda kullanımını yaygın hale getirmiştir[2]. Günümüzde güneş pilleri kullanılarak elde edilen enerji ile bir sulama sistemi, termoelektrik mobil soğutucu, su pompası sistemi, binaların çeşitli alanlarında kullanılmaktadır. Hareketli unsurları olmadığından, bakıma ihtiyaç duymamakla birlikte çok fazla güneş ışığı alan bölgelerde yüksek sıcaklık nedeniyle verim düşmektedir. İhtiyaca göre modüller, elde edilen gerilimi artırmak için seri, akımı artırmak için ise paralel şekilde bağlanarak PV paneller oluşturulur. Bu paneller, özellikle yerleşim yerlerinden uzak, elektrik şebekesi olmayan bölgelerde, jeneratöre yakıt taşımanın zor ve pahalı olduğu durumlarda kullanılırlar[3,4,5,6,7,8]. 239

2 2.2. PIC16F877 Mikrodenetleyicisi Mikroişlemci üreticilerinin ürettiği birçok mikrodenetleyicisi bulunmaktadır. Bu denetleyicilerin mimarileri arasında çok küçük farklar olmasına rağmen aşağıya yukarı aynı işlemleri yapabilmektedirler. Her firma ürettiği cipe bir isim ve özelliklerini birbirinden ayırmak içinde 12C505, 16C84, 16F84, 16F452 gibi kodlamalarla parça numarası vermektedir[9]. Yapılan bu çalışmada Microchip firmasının ürettiği PIC16F877 mikrodenetleyicisi kolay bulunabilmesi, EEPROM özellik taşıması, hafızasının yüksek olması ve analog girişlerinin bulunması sebebiyle tercih edilmiştir Boast (Yükseltici) Konvertör DC-DC konvertörler gerilim seviyesini bir değerden başka bir değere getiren ve anahtarlama mantığı ile çalışan elektronik devrelerdir. Bu sistemin temel çalışma prensibi, bir pasif filtrenin çıkış geriliminin kontrol edilmesini esas almaktadır[10,11]. Çok değişik tiplerde DC-DC konvertör yapılmaktadır. Hepsinin birbirlerine göre avantaj ve dezavantajları vardır. Bazı konvertörler gerilimi azaltmada bazıları artırmada bazıları ise hem azaltma hem de artırmada kullanılmaktadır. Bu konvertörlerle ilgili çeşitli konfigürasyonlar yapılmıştır. Bunlardan en yaygın olarak kullanılanları ise, gerilim azaltıcı ( buck), gerilim artırıcı ( boast ) ve gerilimi azaltıp artıran ( buck-boost) tipleridir [12,13]. Şekil 1 de boast konvertöre ait blok devre şeması gösterilmektedir. Şekil 1. Boast konvertere ait blok devre şeması Anahtarın kapalı olduğu zaman süresinde, indüktör akımı 1 eşitliğinde verilen türevle artar: Burada i L :bobin akımı, E: giriş gerilimi, L:bobinin endüktans değeridir. di E L = (1) dt L Aynı zamanda bu aralıkta, diyot ters polarlanmıştır. Kapasitör yüke akım sağlar ve i C negatiftir. Bobin akımının azalması için, çıkış gerilimi olan V C nin E den büyük olması gerekir. Anahtarın açık olduğu zaman süresince, bobin akımının türevi, 2 eşitliğinde verilir. Bobin akımının zamanla değişim grafiği Şekil 2 de görülmektedir. dil dt = E V L C (2) 240

3 Şekil 2. Bobin akımının zamanla değişimi Anahtarın kapalı olduğu süre içinde i L nin artışının, açık olduğu süredeki azalma ile eşit olması gerektiğinden; kıyıcının gerilim ilişkisi, eşitlik 3 ve 4 deki ifadeler ile verilir: E I I L DT max min = (3) E VC I I ( DT ) min max = 1 (4) L Eşitlik 3 ve 4 deki denklemlerden gerilim ilişkisi eşitlik 5 deki ifade elde edilir. E V = C (5) 1 D Eşitlik 5 e göre, devrenin bir artıran kıyıcı olduğu görülür. Darbeleme oranı D arttıkça, V C artar. Çıkış gerilimi, giriş geriliminin karesi (E²) ölçüsünde, istenildiği kadar büyük olabilir. 3. MATERYAL ve METOD 3.1. Materyal Sistem temel olarak PV modül, PIC16F877 mikrodenetleyici, PV batarya, boast konverter ve sinyal lambalarından oluşmaktadır. Projenin blok şeması Şekil 3 de görülmektedir. Sistemi oluşturan trafik ışıkları için akkor flamanlı lamba yerine enerji tasarrufu sağlamak için seri ve paralel olmak üzere karışık bağlantılı olan LED grubu kullanılmıştır. Oluşturulan sistem mobil bir özellik taşıdığından arzu edilen herhangi bir yere taşınabilmektedir. Şekil 3. PV panelli trafik sinyalizasyonunun blok şeması 241

4 PV modül: Nominal Güç P max :30[Wp], Nominal Akım I MPP [A] 1.74, Nominal Voltaj U MPP : 17.3[V], Kısa Devre Akımı:1.93 [A], AM = 1,5.,E = 1000 W/m 2, TC = 25 O C. Mikrodenetleyici devresi: Microchip firmasına ait PIC16F877 mikrodenetleyicisi ise kontrol mekanizması olarak kullanılmıştır. PV ve batarya beslemeli PIC kontrollü bu sisteme ait devre şeması Şekil 4 de görülmektedir. Sinyal lambası: Üç ayrı renkte seri ve paralel olarak bağlanan LED li bir gruptan oluşturulan sinyal lambaları kullanılmıştır. Batarya; Geceleyin veya güneş ışığının yetersiz olduğu durumlarda sistemi beslemek, sabit voltaj sağlamak ve sistemin kararlı çalışması için nominal voltaj 12 V, Deşarj voltajı 10,5 V, 105Ah kapasiteli Kurşun-Asit batarya kullanılmıştır. Kurşun-Asit (Lead-acid) bataryalar güneş enerjili sistemlerde enerji depolamakta yaygın olarak kullanılan elemanlardır Bu tür sistemlerde batarya seçimi için eşitlik 6 daki ifade kullanılmaktadır [14,15]. 100 CA = ( I h) (6) η bat Burada, CA bataryanın kapasitesi (Ah), I bataryadan çekilen akım(a), h bataryadan çekilen akımın süresi(saat), η bat bataryanın verimidir(%). Boast konverter; PV panelden elde edilen gerilim, sistemi çalıştırmak için yeterli olmadığı durumlarda panelden elde edilen düşük gerilimi yükseltmek için kullanılır Metod Şekil 4. PIC kontrolü devre şeması Sistemde kullanılan PIC 16F877 mikrodenetleyicisine, Şekil 5 de akış şeması görülmektedir. 242

5 Şekil 5. PIC alt programının akış şeması Şekil 5 de verilen program algoritmasının yazılımı RS232 yardımı ile mikrodenetleyiciye yüklenmiştir. Yüklenilen bu program yardımı ile mikrodenetleyici ilk olarak, PV modülün enerji üretip üretmediğini ve bataryanın şarj-deşarj durumunu kontrol etmektedir. Ayrıca PV panelin ve bataryanın enerji durumlarına göre sistemin PV panelden ya da bataryadan besleneceğine karar vermektedir. PV panelden elde edilen gerilim azalmaya başladığında ise boast konverter için gerekli tetik sinyallerini oluşturmaktadır. İkinci olarak da, sinyal lambalarının hangisinin ne kadar süre çalışacağını ayarlamaktadır. Trafik sinyalizasyonun süreleri ayarlanabildiğinden mikrodenetleyicinin harici programlanması gerekmektedir. Bunun için sistem kartı üzerine PIC programlayıcı da eklenmiştir. RS232 ve bir bilgisayar vasıtasıyla hazırlanan yazılım PIC16F877 mikrodenetleyicisine kolayca yüklenebilmiştir. Enerji tasarrufu sağlamak için seri ve paralel olarak bağlanan 12 V, 1 A lik Led gruplarından sinyal lambaları oluşturulmuştur. PV panelin ortalama gün içerisinde ürettiği gerilim değerleri mikrodenetleyici aracılığıyla kaydedilmiş ve ortalama olarak şekil 6 daki eğri elde edilmiştir. PV panelin ortalama olarak 9 saat enerji ürettiği şekil 6 da görülmektedir. Led li lamba gruplarının 12 V luk çalışma gerilimleri esas alındığında sistemin PV panelden ancak 4 saat yararlanabildiği görülmüştür. PV panelin enerji ürettiği ancak sinyalizasyonu çalıştırmaya yeterli olmadığı durumlarda bataryadan enerji harcamak yerine gerilimi yükseltmek için boast konvertör tasarlanmıştır. Böylece PV panelden elde edilen enerjinin kullanım süresi 8 saate çıkartılmıştır. 20 PV den faydalanma aralığı ve süresi Lambalı Devrede 4 LED li devrede Yerel saat Şekil 6. Ortalama gün içerisinde PV panelin ürettiği enerji ve faydalanma süresi 243

6 Tasarlanan boast konverter ile PV panelden elde edilen 2 V gerilimden başlayarak Led gruplarının besleme gerilimini 12V a yükseltilmiştir. Şekil 7 de 2 V luk giriş gerilimi, şekil 8 de ise 10V luk giriş gerilimi için boast konvertörlerin çıkış gerilimleri görülmektedir. Şekil 7. Boast konverterin 2V giriş için çıkış eğrisi Şekil 8. Boast konverterin 10V giriş için çıkış eğrisi PV panel enerji ürettiğinde 105 Ah lik solar bataryayı 61 saatte şarj ettiği PIC16F877 yardımıyla belirlenmiştir. PV panelin enerji üretemediği veya ürettiği enerjinin sistemi beslemek için yetersiz olduğu durumlarda ise 105 Ah lik solar batarya yardımıyla sinyalizyon sistemi 90 saat çalışabilmektedir. Yapılan bu çalışmada Led gruplarında yaklaşık olarak 12 W enerji harcanmıştır. Sinyalizasyon sisteminde Led grupları kullanıldığında, 40 W lık akkor flemanlı lambaya göre yaklaşık olarak %70 enerji tasarrufu sağladığı görülmüştür. 4. SONUÇ Yapılan bu çalışma sonucu sinyalizasyon sistemi PV modül ile beslendiğinde her hangi bir şehir şebekesine ve elektrik kablolarına ihtiyaç duymamaktadır. Destekleme amaçlı kullanılan bataryanın geceleyin ve güneş ışınlarının yetersiz olduğu durumlarda sistemi 90 saat desteklediği görülmüştür. Sinyalizasyon sisteminde akkor telli lamba yerine LED kullanılması 40 W yerine 12 W enerji tüketimi gerçekleşmiş bu durum yaklaşık olarak %70 enerji tasarrufu sağlamıştır. Bu sayede bataryanın kullanım süresi artırmıştır. Kontrol sisteminde kullanılan PIC devresinin ihtiyaca göre programlanabilmesi oldukça fazla kullanım alanı sağlamıştır. Sistemin bütünü değerlendirildiğinde enerji için her hangi bir şebekeye ihtiyaç duymayan, enerji tüketimi az, programlama esnekliği ve kolaylığı olan, taşınabilir bir sinyalizasyon aracı ortaya çıkmıştır. 244

7 5. KAYNAKLAR [1] Luque, A., Hegedus, S., Handbook Of Photovoltaic Science And Engineering, John Wiley & Sons, Inc, 2002, U.S.A. [2] Çolak, M, PV Elemanlar, E.Ü. Solar Energy Institute, Textbook, (unpublished). İzmir, [3] Dursun M, Saygın A, Güneş Enerjisi İle Çalışan Bir Sulama Sistemi İçin Boost Konvertörlü Anahtarlamalı Relüktans Motor Sürücüsü Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 22(1-2) (2006), ISSN [4] Sungur C, Güneş Pilleri İle Beslenen Termoelektrik Mobil Soğutucunun Tasarımı Ve Analizi Selçuk Üniversitesi ISSN 1302/6178 Journal of Technical-Online Teknik Bilimler Meslek Yüksekokulu Volume 7, Number: Teknik-Online Dergi Cilt 7, Sayı: [5] Posorski, R., " Photovoltaic Water Pumps, An Attractive Tool For Rural Drinking Water Supply", Solar Energy 58, , 1996 [6] Odeh, I, Yohanis, Y.G., Norton, B., " Economic Viability of Photovoltaic Water Pumping Systems", Solar Energy, in press, [7] Jones, D, L., Effective use of building integrated photovoltaic waste heat: three projects The 2nd World Solar Electric Buildings Conference, Sdney, 2-3 (2000) [8] Güneş, M., Fotovoltaik Sistemin Sağladığı Elektrik Enerjisi İle Çalışan Bir Uygulama Sisteminin Tasarımı, F.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Elazığ, [9] [10] Pablo C., Gabriel G., Adolfo H., fuzzy gain schedulıng control of swıtch-mode dc/dc converters, IEEE ISIE, /99, 1999 [11] Jose A.R., Gerardo E.P.; Stability ofcurrent-mode control for DC DC power converters SYSTEMS & CONTROL LETERS p-p [12] Chun-F. H., Chia-Y. H., Chao-M. C., Chih-M. L., Self-Learning Fuzzy Control for Boost DC-DC Converters Using an Inexpensive 8-bit microcontroller,proceedings of 2006, CACS AUTOMAT_C CONTROL CONFERENCE St.John's University, Tamsui, Taiwan, Nov , 2006 [13] Calderon A.J.,Vinagre,B.M.,. Feliu V., Fractional order control strategies for power electronic buck converters,signal Processing, ELSEV_ER, , [14] Khouzam, KY. The load matching approach to sizing photovoltaic systems with short-term energy storage, Solar Energy 1994; 53(5):403 9 [15] Protogeropoulos, C., Marshal, R.H., Brinkworth, B.G., Battery state of voltage modeling and an algorithm describing dynamic conditions for long-term storage simulation in a renewable system, Solar Energy 1994; 53(6):

8 246