T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü GÜNEŞ TAKİP SİSTEMİ MUHAMMED KARABIÇAK AHMET YÜKSEL MEHMET İNAL Öğr. Gör. Dr. EMRE ÖZKOP Mayıs,2013 TRABZON
T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü GÜNEŞ TAKİP SİSTEMİ MUHAMMED KARABIÇAK AHMET YÜKSEL MEHMET İNAL Öğr. Gör. Dr. EMRE ÖZKOP Mayıs,2013 TRABZON
ÖNSÖZ Bu kılavuzun ilk taslaklarının hazırlanmasında emeği geçenlere, kılavuzun son halini almasında yol gösterici olan kıymetli hocamız Sayın Dr. EMRE ÖZKOP a şükranlarımızı sunmak istiyoruz. Ayrıca bu çalışmayı destekleyen Karadeniz Teknik Üniversitesi Rektörlüğü ne Mühendislik Fakültesi Dekanlığına, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölüm Başkanlığına, Öğrt. Gör. Sayın Oğuzhan ÇAKIR a mekanik kısmın yapımında sponsor olan İNCİ MAKİNE ye içten teşekkürlerimizi sunarız. Her şeyden öte, eğitimimiz süresince bizlerden maddi ve manevi desteklerini esirgemeyen ailelerimize ve bizlere hayatlarıyla örnek olan tüm hocalarımıza saygı ve sevgilerimizi sunarız. Mayıs 2013 I
İÇİNDEKİLER ÖNSÖZ... I İÇİNDEKİLER... II TABLOLAR LİSTESİ... III ŞEKİLLER LİSTESİ... IV ÖZET... VI 1. GİRİŞ... 1 2. LİTERATÜR TARAMASI... 2 3. SİSTEMİN GENEL TASARIMININ GERÇEKLENMESİ... 3 4. ELEKTRİKSEL KISIM... 4 4.1 Elektrik Kısım Elemanları... 4 4.1.1 Güneş Paneli... 4 4.1.2 Akü... 5 4.1.3 Foto Direnç(LDR)... 5 4.1.4 Mikroişlemci... 7 4.1.5 Sıvı Kristal Ekran(LCD)... 9 4.2 ELEKTRİKSEL DEVRELER... 19 4.2.1 Sıvı Kristal Ekran Devresi... 19 4.2.2 Motor Sürücü Devresi... 24 4.2.3 LM7805 Devresi... 26 5.MEKANİK KISIM... 27 5.1 Mekanik Kısım Elemanları... 27 5.1.1 12V Redüktörlü DA Motorları... 27 5.1.2. Triger Kayış ve Dişliler... 29 KAYNAKÇA... 31 EK-1. STANDARTLAR VE KISITLAR FORMU... 32 EK-2. MALİYET ANALİZİ... 33 EK-3. MOTOR SÜRÜCÜ DEVRESİNİN PCB GÖRÜNTÜSÜ... 34 EK-4. PANEL KONTROLU İÇİN PIC BASIC PRO İLE YAZILAN... 35 PROGRAM... 35 EK-5. LCD EKRANDA GÖSTERİLECEK PARAMETRELER İÇİN PİC... 43 BASIC PRO İLEYAZILAN PROGRAM... 43 EK-6. YÜKSELTEN DEVRE PARAMETRELERİNİN... 47 BELİRLENMESİNDE KULLANILAN PROGRAM... 47 II
TABLOLAR LİSTESİ Tablo 1. Güneş panelinin elektriksel özellikleri... 4 Tablo 2. Güneş panelinin fiziksel özellikleri... 5 Tablo 3. Projede kullandığımız akünün özellikleri... 5 Tablo 4. Mikroişlemcinin genel özellikleri... 8 Tablo 5. Sıvı kristal ekranın bacak bağlantıları... 10 Tablo 6. Ayarlanabilir direncin uçlarından alınan gerilim değerleri... 21 Tablo 7. LDR elemanının üzerine düşen ışık miktarı ile direnç değişimi... 23 III
ŞEKİLLER LİSTESİ Şekil 1. 2011 yılında Türkiye de kullanılan enerji kaynakları... 1 Şekil 2. Projede kullanılan güneş paneli... 4 Şekil 3. LDR nin ışığa bağlı direnç değişimi... 6 Şekil 4. 16F877A mikroişlemcisi... 7 Şekil 5. Sıvı kristal ekran... 9 Şekil 6. Yükselten dönüştürücü devre şeması... 11 Şekil 7.Yükselten devrede anahtar kapalı iken akımın izlediği yol... 12 Şekil 8. Yükselten devrede anahtar açık iken akımın izlediği yol... 13 Şekil 9. Yükselten devrede doluluk boşluk durumuna göre akım ve gerilim grafiği... 14 Şekil 10. Matlab dayükseltendönüştürücüsimülasyonu... 16 Şekil 11. ISIS te yükselten devresimülasyonu... 17 Şekil 12.... 18 Şekil 13. Sıvı kristal ekran devresi... 19 Şekil 14. Açı ölçümünde kullanılan çok turlu ayarlanabilir drencin sistemdeki yeri... 20 Şekil 15. Projede panel üzerine düşen ışık miktarının ölçülmesi için kullanılmış LDR... 22 Şekil 16. Panel üzerinde kullanılan LDR nin Lümen direnç değişimi... 23 Şekil 17. Projemizde kullanılan motor sürücü devresi... 24 Şekil 18. LM7805 devresi... 26 Şekil 20. Panel dönüş yönünün tayin edildiği triger kayışlar ve dişliler... 29 Şekil 21. Panelin yukarı-aşağı ve sağa-sola dönüşünü sağlayan metal borular ve dişli... 30 IV
SEMBOLLER KISALTMALAR R: Yük Direnci Lb:Endüktans sınır değeri L:Endüktans Değeri C:Kapasite Değeri D: Anahtar Elemanının Kapalı Olma Oranı 1-D: Anahtar Elemanının Açık Olma Oranı DT: Anahtar Elemanının Kapalı Olma Süresi (1-D)T: Anahtar Elemanının Kapalı Olma Süresi T:Anahtarlama Periyodu f: Anahtarlama Frekansı :Maksimum Gerilim ile Minimum Gerilim Arasındaki Fark :Endüktans Gerilimi :Giriş gerilimi :Çıkış Gerilimi :Anahtar Elemanının Gerilimi ( ) : Anahtar Kapalı İken Akan Akım ( ) : Anahtar Açık İken Akan Akım :Endüktans Akımı : Anahtar Elemanının Akımı : Diyot Akımı LDR:Fotodirenç LCD: Sıvı Kristal Ekran V
ÖZET Bu proje,yenilenebilir enerjinin giderek önem kazandığı günümüzde güneş ışınlarından maksimum yararlanma amaç edinmiştir. Gelişen günümüz teknolojisinde enerji ihtiyacının sürekli artış göstermesi buna bağlı olarak enerji ihtiyacını karşılamak için gerekli santrallerin yeterli olmayıp sürekli yenilerinin yapılması, özellikle termik ve nükleer santrallerin çevreye verdiği zararların artması, yenilenebilir enerji kaynaklarını ön plana çıkarmıştır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından güneş enerjisi, güneş panellerinin yaygınlaşması ile daha çok öne çıkmıştır. Üretilen enerjinin depolanma problemi çözüldüğü, güneş panellerinden elde edilecek verimin artması ve panellerin daha ucuza gelmesi halinde güneş enerjisinden elektrik enerjisinin kullanımı daha da artacaktır Projemizde güneş panelinin sürekli olarak güneş ışınlarına dik bir konum alması sağlanmış, bu sayede güneş enerjisinden maksimum miktarda elektrik enerjisi elde edilmiştir. Güneş pillerinden oluşan güneş panelinin güneşi takip edebilmesi için gerekli alt sistemler gerçekleştirilmiştir. VI
1. GİRİŞ Elektrik enerjisi günlük hayatımızda en çok kullanılan enerji çeşidi olup elektrik enerjisini üretebilmek için birçok yöntem bulunmaktadır. Bu yöntemler sırasıyla verilmektedir. Şekil 1 de Türkiye de elektrik enerjisi elde etme yöntemlerinin yüzdelik dilimi verilmiştir. Şekil 1. 2011 yılında Türkiye de kullanılan enerji kaynakları a. Hidroelektrik santralleriyle b. Termik santralleriyle c. Nükleer enerji santralleriyle d. Rüzgar enerji santralleriyle e. Güneş enerji santralleriyle f. Jeotermal enerji santralleriyle g.gelgit enerji santralleriyle [1]
Hava kirliliğinden dolayı termik santraller, radyoaktif atıkları ve tehlikelerinden dolayı nükleer enerji santrallerinin yerine doğaya hiçbir zararı olmayan yenilenebilir enerjinin önemi günümüzde giderek artmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynakları arasında en dikkat çekici olanlardan bir tanesi de sınırsız güneş enerjisinden yararlanarak elektrik enerjisi üretebilen PV güneş pilleridir. Ülkemiz coğrafi konumu itibariyle sahip olduğu güneş enerjisi potansiyeli birçok ülkeye göre daha avantajlı durumdadır. Güneşten dünyaya gelen enerji saniyede 170 milyon MW tır. Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü (DMİ) tarafından 1966-1982 yıllarında ölçülen güneşlenme süresi ve aydınlanma şiddeti verilerinden yararlanarak Elektrik İşleri Etüt İdaresi (EİE) tarafından yapılan çalışmaya göre Türkiye nin ortalama yıllık toplam güneşlenme süresi 2640 saat, ortalama toplam aydınlanma şiddeti yıllık 1,331 kwh olduğu tespit edilmiştir [2]. Buna rağmen Şekil 1 deki grafikte görüldüğü gibi Türkiye deki güneş enerjisinden elektrik üretimi yok denecek kadar azdır. 2. LİTERATÜR TARAMASI Güneş panelinde elde edilen verimi arttırmak için uygulanan yöntemleri sırayla güneş panelinin a)güneş panelinin verimini arttırmak: Bu kısım tamamen panelin içyapısıyla ilgilidir. b)bölgenin coğrafi konumuna göre sabit bir konum belirlemek: Bu yöntemde güneş ışınlarının ortalama açısı belirlenerek ortalama en uygun konum belirlenerek sabitlenir, fakat gün boyu panel verimi maksimum olamayacaktır. Verim grafiği ters parabolik bir eğri şeklindedir.[3] c)güneş takip sistemi: Güneşi takip etmede 2 yöntem kullanılmaktadır. 1. Panelin bulunacağı coğrafik konumda yıl boyu günlük güneşlenme süresi ve her gün için gün belirli periyotta güneş ışığının panelin konumuna göre yatay ve düşey açısı ölçülür ve bu veriler bir algoritma ile mikroişlemciye kaydedilerek güneş takip sisteminin kontrolünde kullanılır.[4] 2
2. Foto dirençlerin ışık şiddetine bağlı değişiminden yararlanılarak foto direnç değerleri karşılaştırılır ve güneşin takibi sağlanır [5] Bu sistemlerden ilkinde bir kesinlik söz konusu değildir çünkü panel üzerinde oluşabilecek bir gölge durumunda panel bir süreliğine güneş ışığından yeterince faydalanamayacaktır ancak ikinci sistemde ise böyle bir durum söz konusu değildir.[4][5]. 3. SİSTEMİN GENEL TASARIMININ GERÇEKLENMESİ Yapılmış olan çalışmada, güneş panellerinin gün içi enerji üretim kapasitelerini arttırmak için, güneşi takip edebilen LDR ile DA motor kontrollü güneş takip sisteminin uygulaması gerçekleştirilmiştir. Güneş takip sistemi için gerekli hareket iki adet DA motor ile sağlanmıştır. Güneş panellerinden elde edilen enerjinin sürekli kullanımı olamayacağı için bu enerji bir adet bataryada depo edilmiştir Sistemin güneşe bağlı konumunu kontrol etmek, sistemin yatay ve düşey açısının ne olduğu, panele gelen ışık şiddetinin ne kadar olduğu, akünün doluluk oranının belirlenmesi için birçok elektronik devre elemanı, sensörler, mikroişlemci (PIC) ve sıvı kristal ekran (LCD) kullanılmıştır. Sensörlerdenelde edilen veriler yazılım yardımı ile mikroişlemciye aktarılmıştır. Panelin doğru akım motorlar yardımı ile hareketi sağlanmıştır.ayarlanabilir direncin doğrusallık özelliğinden yaralanarak panelin düşey açısı, panelin ürettiği gerilim ve güneş panelinin ortasına yerleştirdiğimiz foto direnç (LDR) elemanı yardımıyla panele düşen ışık şiddeti hesaplanmıştır. Sistemimizden gelen veriler gözle görebilmek amacı ile bir LCD ye yazılmıştır. Kararlı bir sistem elde etmek amacı ile panelin her kenarının ortasına birer adet LDR yerleştirilmiştir. LDR ler üzerine düşen ışık şiddetine göre LDR uçlarından alınan gerilimlerin karşılıklı olarak PIC içerisinde farkı alınıp, bu farka göre motorun dönüş yönüne karar verilmiştir. 3
4. ELEKTRİKSEL KISIM 4.1 Elektrik Kısım Elemanları 4.1.1. Güneş Paneli Güneş pilleri (PV) üzerine gelen ışığı doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarı iletken malzemelerdir Şekil 2. Projede kullanılan güneş paneli Tablo 1. Güneş panelinin elektriksel özellikleri Nominal Verimlilik (Pmpp) Açık Devre Gerilimi: Kısa Devre Akımı: Anma Gerilimi: Anma Akımı: 35 W 21 V 2,28 A 17 V 2,06 A Projemizde kullanmış olduğumuz panel şekil 2 de verilmiştir.bu panelden yapılan ölçümler sonucu elde edilen veriler tablo 1 de verilmiştir; 4
Panelin fiziksel özellikleri tablo 2 de verilmiştir. Tablo 2. Güneş panelinin fiziksel özellikleri 1 Modüldeki solar hücre sayısı 36 Boyut (kasalı) boy x boy x kalınlık 486 x 675 x 35 mm Ağırlık 4,25 kg Alan(metrekare) 0,35 m2 4.1.2. Akü Sistemimizde akü güç kaynağı olarak kullanılmıştır. Kullandığımız 12V 7Ah olup özellikleri tablo 3 de verilmiştir. Tablo 3. Projede kullandığımız akünün özellikleri Şarj olma gerilimi Başlangıç akımı 14.4 V 15 V <2.1 A 4.1.3. Foto Direnç(LDR) Bu elemanların direnç değerleri üzerlerine düşen ışık şiddeti ile ters orantılı değişir. LDR ile yaptığımız ölçümlerde elde edilen direnç değeri 80Ω ile 70kΩ arasında değiştiği gözlemlenmiştir. Şekil 3 de LDR elemanının ışığa karşı gösterdiği direnç grafiksel olarak verilmiştir. 5
Şekil 3. LDR nin ışığa bağlı direnç değişimi Bu elemanı projede iki farklı amaç için kullanılmıştır. Bunlardan birincisi panele yön tayin etmek için,ikincisi panelin üzerine düşen ışık şiddetini ölçmek içindir. Panele yön tayin etmek için; Panelin dörtkenarının orta noktalarına bu elemanlar yerleştirilmiştir. Elemanlardan alınan veriler mikroişlemcinin analog girişlerine verilmiştir. Mikroişlemciye alınan bu veriler karşılaştırılıp gerekli transistörlerintetiklenmesi sağlanmış, panelin ışık miktarının fazla olduğu yöne doğru hareketi gerçekleştirilmiştir. Karşılıklı foto dirençler arasındaki gerilim farkı 0.049 V un üzerine çıktığı zaman panelin hareketi sağlanmıştır. bu fark 0.049 V un altına düştüğü zaman panelin durması sağlanmıştır. Böylece panel üzerine düşen ışık miktarının maksimumu olması sağlanmıştır. Panelin üzerine düşen ışık şiddetini ölçmek için; Panelin orta noktasına yerleştirilen foto direncin direnç değişimine göre üzerindeki gerilim değerleri ölçülmüş buna bağlı olarak uydurulan fonksiyon ile panel üzerine düşen ışık miktarı Lümen olarak elde edilmiş LCD ekranda gösterilmiştir. 6
4.1.4. Mikroişlemci Mikroişlemci silikon bir kılıf üstünde birleştirilmiş sayısal giriş çıkış olan, veri ve program belleği bulunan, matematiksel işlemler yapabilen ciptir. Projede kullanılmış olan mikroişlemci şekil 4 de verilmiştir. Şekil 4. 16F877A mikroişlemcisi Bu projede mikroişlemci olarak PIC16F877A kullanılmaktadır.pic16f877a nın genel özellikleri tablo 4 degösterilmektedir. Bu projede mikroişlemcinin Analog/Dijital Kanalı ve Giriş/Çıkış pinleri kullanılmaktadır. Analog Dijital Kanalı: Bu kanal ile analog veri, 10 Bitlik dijital veriye dönüştürülür. 10 bitlik veriden 1024 farklı sonuç elde edilebilir yani 0-5 V aralığı 1024 aralığa bölünmüş olur. 0 V 0 a, 5 V ise 1024 e tekabül eder böylece hassasiyetle ölçüm yapılmasını sağlamaktadır. Giriş/Çıkış Kanalı: Çıkış kanalının kullanımı, programda belirtilen mikroişlemcinin herhangi bir portunun herhangi bir pininden lojik 1 ise 5 V, lojik 0 ise 0 V gerilim verilmesidir. 7
Giriş kanalı, mikroişlemcinin Zamanlayıcı, Karşılaştırıcının ve Analog/Dijital Kanalı nın kullanımı gerektiğinde ya da Darbe Genlik Modülasyonu üretilmesi gerektiğinde kullanılmaktadır. Tablo 4. Mikroişlemcinin genel özellikleri Program Belleği Bayt 14.3 K Tek kelime komutları 8192 Veri SRAM i EEPROM Giriş/Çıkış pini sayısı 256 Bayt 256 Bayt 33 tane 10 Bit Analog/Dijital Kanalı 8 tane Karşılaştırma(Darbe Genişlik Modülasyonu) 2 tane MSSP SPI VAR Master VAR USART VAR Zamanlayıcılar 8/16 Bit 2/1 Karşılaştırıcılar 2 Projede analog/dijital kanallarla foto dirençlerden gelen veriler alınarak güneş panelinin motorlar yardımı ile yatay ve dikeyde gideceği hareket yönü tespit edilerek motor sürücü devresine bağlı giriş/çıkış kanallarından lojik 1 ve lojik 0 uygulanarak güneşi 8
takip etmesi sağlanacaktır. Güneşin takibi sırasında; değişen panel gerilimi, panelin düşeyde yaptığı açı ve ışık şiddetinin ölçülmesi gerçekleştirilmektedir. 4.1.5. Sıvı Kristal Ekran(LCD) LCD ler görüntü teknolojisinin geliştirdiği bir üründür. Günlük hayatın birçok alanında kullanılmaktadır. Televizyonlar, dijital saatler, cep telefonları, dijital fotoğraf makineleri, dizüstü bilgisayarlar LCD nin kullanıldığı alanlardan bazılarıdır. Projede kullanılan sıvı kristal ekran şekil 5 de verilmiştir. LCD nin diğer ekranlara olan üstün özellikleri: Kontrast oranı yüksektir. Enerji tüketimi çok azdır Görüntü kalitesi daha yüksektir. Şekil 5. Sıvı kristal ekran 9
Sıvı kristal ekranın bacak bağlantıları Tablo 5 de verilmiştir Tablo 5. Sıvı kristal ekranın bacak bağlantıları Pin numaraları Bağlanılacağı yer 1, 5, 16 Toprak 15, 2 +5 V 3 Ayarlanabilir Direnç 4, 6, 11, 12, 13, 14 Mikroişlemci Bu projede LCD nin kullanılma amacı panelin ortası yerleştirilen foto direnç aracılığı ile ışık şiddeti, mekanik sisteme yerleştirilen çok turlu ayarlanabilir dirençten panelin düşeyde yaptığı açı, gerilim bölücüler yardımı ile panelin çıkışından elde edilen gerilim değerlerinin ölçülüp gösterilmesidir. 4.1.6. Yükselten Dönüştürücü DA/DAdönüştürücüler,DA bir gerilimi başka bir DA gerilim düzeyine taşımaya yararlar. Alçaltan, Yükselten, alçaltan-yükselten gibi birçok çeşidi bulunmadır fakat tümünün temel mantığı az önce belirtilen dönüştürücü türlerine benzemektedir. DA/DAdönüştürücüler elektrik ve elektronikte yarı iletken malzemelerin kullanımının artmasından sonra önemli bir hale gelmiştir. Kullanım alanlarınınbaşlıcaları; Kesintisiz güç kaynaklarında, Akü şarj ünitelerinde, Motorların aktif frenlenmesinde ve benzeri birçok alanda kullanılmaktadır. Bu projede ise panelden gelen gerilimi 0-14 volt arasında değişmesinden dolayı 12 voltluk akünün şarj dolumununyükseltendönüştürücü kullanılarak yapılması gerektiği 10
düşünülmüştür çünkü akünün şarj edilebilmesi için gereken gerilim düzeyi 14,5-15 V arasında değişmektedir. Yükseltendönüştürücüler çıkış gerilimini giriş geriliminin daha üstünde bir gerilime dönüştüren DA/DAdönüştürücüçeşididir. Şekil 6 da yükselten dönüştürücünün temel devresi verilmiştir. Şekil 6. Yükselten dönüştürücü devre şeması Yükselten devresinde anahtar kapatıldığında diyot ters kutuplanır ve tıkamada kalır. Bu şekil-de devrenin çıkış kısmı, giriş kısmından yalıtılır ve akım şekil 7 deki kırmızı ile gösterilen yolu izler ve (1) (2) (3) ( ) (4) 11
formülleri elde edilir. Şekil 7.Yükselten devrede anahtar kapalı iken akımın izlediği yol Anahtar açıldığında ise devrenin çıkış kısmı endüktans üzerinden beslenir ve akım yolu şekil 8 deki gibi olur ve (5) (6) ( ) (7) ( ) ( ) ( ) (8 ) formülleri elde edilir. 12
Şekil 8. Yükselten devrede anahtar açık iken akımın izlediği yol ( ) (9 ) ( ) ( ) (10 ) ( ) ( ) (11 ) ( ) ( ) (12 ) (13 ) 13
Şekil 9. Yükselten devrede doluluk boşluk durumuna göre akım ve gerilim grafiği Devre çıkışından sabit bir gerilim elde edilmesi için devrenin çıkış kısmındaki kapasitenin yeterli büyüklükte olması gerekmektedir. Şekil 9 da. Yükselten devrede doluluk boşluk durumuna göre akım ve gerilim grafiği verilmiştir. Kapasite, Endüktans parametrelerinin hesaplanmasında kullanılan formüller aşağıdaki gibidir. ( ) (14 ) (15) Devre parametrelerinin bulunmasını kolaylaştırmak amacıyla Matlab da aşağıdaki program yazılmıştır. 14
Minimum giriş geriliminin 3 V, çıkış geriliminin 15 V, anahtarlama frekansının 10 khz olduğu ve yük direncinin 40 Ω olduğu düşünülüp Ek 6 deki program koşturulduğunda çıkansonuçlar aşağıdaki gibidir. Vo=15 Vi=3 R=40 F=10000 T = 1.0000e-004 D = 0.8000 D = 80 Lb = 6.4000e-005 C = 6.0000e-005 Bu sonuçlardan yararlanılarak: seçildi. Bu değerler kullanılarak Simulink de ve ISIS te simülasyon devreleri oluşturulmuştur. Simulink de oluşturulan simülasyon devresi şekil 10 da verilmiştir. Şekil 11 de ise ISIS te yapılan simülasyon devresi verilmiştir. 15
Şekil 10. Matlab dayükseltendönüştürücüsimülasyonu Simülasyon da =3 V,, R=40 Ω D=80 değerleri kullanılarak simülasyon koşturuldu ve simülasyon sonuçları Şekil 13 daki gibidir. Bu simülasyon sonuçlarından yararlanılarak endüktansın yaklaşık 3.5 Amper akıma dayanabilmesi gerekmektedir. Benzer şekilde anahtarlama elemanı olarak kullanılacak N- tipi mosfetin yaklaşık 3.5 Amper akıma dayanabilmesi gerekmektedir ve 5 Volt luk tetikleme gerilimi uygulandığında Akaç-Kaynak kanalından akım akabilmeli ve geriliminin en az olması istenmektedir ayrıca; anahtarlama frekansının 10 khz den fazla olması gerekmektedir. Bu nedenle anahtarlama elemanı olarak IRFZ44N tercih edilmiştir. Diyot üzerinden akan en büyük akım yaklaşık 3 Amper dir. Bu nedenle diyotun 3 Amperlik akıma dayanabilmesi gerekmektedir böylece 6A10 diyotu kullanım için tercih edilmiştir. Simülasyonda Darbe Üreteci olarak belirtilen kısma PIC16F877A mikroişlemcisi yerleştirilecektir. PIC16F877A nın analog pininden veri okunup boşluk doluluk hesabı yapılacaktır ve çıkış gerilimini analog veriye dönüştürülür ve hata ölçülür buna bağlı olarak boşluk doluluk oranındaki hata giderilir ve bu döngü küçük bir zaman diliminde sürekli olarak devam ettirilir. 16
Şekil 11. ISIS te yükselten devresimülasyonu Simulink ve ISIS te gerçekleştirilen devreler sonucunda elde edilen akım ve gerilim grafikleri şekil 12 de verilmiştir 17
Şekil 12. 18
4.2. ELEKTRİKSEL DEVRELER 4.2.1. Sıvı Kristal Ekran Devresi Projemizde sıvı kristal ekran kullanma sebebi elde edilen verileri görsel olarak dış ortama aktarmaktır. Bu parametreler; güneş panelinin ürettiği gerilim, güneş panelinin konumu ve panel üzerine düşen ışık şiddetidir. Şekil 13. Sıvı kristal ekran devresi Devrede güç kaynağından gelen 12 voltluk gerilimin mikroişlemci ve sıvı kristal ekranın sürülmesinde kullanılabilmesi için 5 V a indirilmesi gerekmektedir bunun için Şekil 13 de görünen 4 numaralı devre kurulmuştur. Bu devre; 12V u 5V a indirgeyen 7805 entegresi, ve bu entegrenin kararlı halde çalışmasını sağlamak için gerekli kapasite elemanları kullanılmıştır. Devreye gelen gerilimin önüne diyot bağlanarak olası yanlış bağlamaların devre elemanlarına verilebilecek zararların önüne geçilmiştir Şekil 13 de5 ile gösterilen ayarlanabilen direnç, sıvı kristal ekranın parlaklık ayarı için kullanılmıştır 19
Güneş Panelinin Ürettiği Gerilimin Gösterilmesi Panel çıkışlarından alınan gerilim değeri Şekil 13 de 3 ile gösterilen girişlere verilmektedir, bu gerilim 3 ile gösterilen yerdeki ayarlanabilen dirençler ile 5 e bölünüp mikro işlemcinin 3 numaralı analog pinine verilmiştir. Burada alınan değer 5 volt referans alınarak 10 bitlik dijital veriye dönüştürülmektedir. Program ile yapılan hesaplamalarla alınan verinin karşılığı bulunup 5 ile çarpılarak ekranda gösterilmiştir. Güneş Panelinin Konumunun Gösterilmesi Burada panelin düşey ile yaptığı açı gösterilmiştir. Şekil 14. Açı ölçümünde kullanılan çok turlu ayarlanabilir drencin sistemdeki yeri Şekil 14 de görüldüğü üzere panelin düşey hareketini sağlayan motorun miline çok turlu ayarlanabilen bir direnç bağlanmıştır. Ayarlanabilen direncin uçları şekil 13 de 20
gösterilen 1 numaralı yere bağlanmıştır. Dirençten alınan gerilim değeri mikroişlemcinin 0 numaralı analog pinine verilmiştir. Motor hareket ettikçe ayarlanabilen direnç üzerindeki değişim değerleri gerekli fonksiyon uydurularak açıya dönüştürülmüş ve ekranda gösterilmiştir. Gösterilecek açı değeri 0 derece ile 90 derece arasında değişmektedir. Açı gösterilmesinde Panelin düşeyle yaptığı açı 0 derece iken, 90 derece iken ve karşı tarafta yani 180 derece iken 3 farklı değer alınmıştır. Alınan bu değerle iki ayrı fonksiyon üretilmiştir. Panelin düşeyle yaptığı 0 derece ve 90 derece iken ayarlanabilen direnç değerine bağlı doğrusal artan bir fonksiyon, panelin düşeyle yaptığı açı 90 derece ile 180 derece arasında artan direnç değerine bağlı ters orantılı ve azalan bir fonksiyon üretilmiştir. Böylelikle panelin düşey açısı daima sıfır derece ile 90 derece arasında ölçülmüştür. Mikroişlemci 5 V u 1024 olarak dönüştürmektedir. Mikroişlemci 5 V u referans olarak almaktadır. Buna bağlı olarak ayarlanabilen dirençten alınan gerilim değerleri Tablo 6 da verilmiştir. Tablo 6. Ayarlanabilir direncin uçlarından alınan gerilim değerleri 0 Derece 90 Derece 180 Derece 230 550 870 0-90 derce arasında; Y ölçülen gerilimin t anındaki karşılığı olmak üzere ölçülen açı değeri: Açı= *90 (14 ) 21
90-180 derece arasında; Z ölçülen gerilimin t anındaki karşılığı olmak üzere ölçülen açı değeri: Açı= *90 ( 15 ) Panel Üzerine Düşen Işık Şiddetinin Gösterimi Şekil 15. Projede panel üzerine düşen ışık miktarının ölçülmesi için kullanılmış LDR Şekil 15 da görüldüğü gibi güneş paneli ortasına yerleştirilen ışıkla direnci değişen elemanın uçlar şekil 13 de 2 ile gösterilen yere bağlanmış alınan bilgi mikroişlemcinin 1 numaralı analog girişine verilmiştir. Programda yapılan işlemler ile alınan gerilim değeri uydurulan fonksiyon ile Lümen e çevrilip ekranda gösterilmiştir. 22
Kaynağa 70 cm uzaklıkta bulunan, ışıkla değeri değişen direncin, Lümene bağlı değerleri Tablo 7 de verilmiştir. Tablo 7. LDR elemanının üzerine düşen ışık miktarı ile direnç değişimi 7400 Lümen 488Ω 14800 Lümen 358 Ω 22200 Lümen 300 Ω 29600 Lümen 272 Ω Bu ölçümlerden yararlanılarak Microsoft Excel yardımıyla Şekil 16 daki grafik ve fonksiyon elde edilmiştir. Lümen 35000 30000 25000 20000 y = 148707e -0,006x Seri 1 15000 10000 5000 0 0 100 200 300 400 500 600 Direnç(Ω) Şekil 16. Panel üzerinde kullanılan LDR nin Lümen direnç değişimi 23
4.2.2. Motor Sürücü Devresi Panelin güneşi minimum hata ile takip edilebilmesi için panelin sağ-sol ve yukarıaşağı hareketini sağlamak üzere iki adet motor kullanılmıştır. Bu motorların hareket yönünün belirlenmesinde ve anahtarlama işleminin yapılmasın mikroişlemci kullanılmıştır. Şekil 17 de gösterilen sürücü devremizdeki numaralandırılmış parçaları açıklayacak olursak; Şekil 17. Projemizde kullanılan motor sürücü devresi Şekil 17 de 1 numara ile gösterilen parça; Mikroişlemciyi beslemek üzere 12 V luk kaynak gerilimini 5 V a indirgeyen ve sabitleyen 7805 entegresidir. 24
Şekil 17 de 2 numara ile gösterilen parça ; Burada kullanılan dirençler mikroişlemcinin C Portu ile BD-139 Transistörleri ninbazları arasına konulmuştur. Buradaki amaç BD-139 ların mikroişlemcinin pinlerinden aşırı akım çekmesini engellemek olup bu dirençlerin değerleri 1kΩ olarak seçilmiştir. Şekil 17 de 3 numara ile gösterilen parça; Bu parça mikroişlemcinin osilatör devresidir. Bu devre 4MHz kristal osilatör ve 22nF lık kapasitelerden oluşmaktadır. Kristal osilatör mikroişlemcinin 13 ile 14 numaralı pinleri arasına bağlanmış ve bu bacaklardan toprağa 22nF lık kapasiteler atılmıştır.bu devreyi kullanma amacımız mikroişlemcinin sabit 4MHz lik frekansta çalışmasını sağlamaktır. Şekil 17 de 4numara ile gösterilen parça ; Işıkla değeri değişen dirençlerden gelen verilerin mikroişlemcinin analog pinlerine verilmesini sağlayan girişlerdir. Şekil 17 de 5 numara ile gösterilen parça ; Devremizde kullanılan ayarlanabilir dirençler, ışıkla direnci değişen elemanların aynı şartlar altında üzerlerindeki gerilimi eşitlemek içindir. Böylelikle ışıkla direnci değişen elemanlar özdeş hale getirilmeye çalışılmıştır. Şekil 17 de 6 numara ile gösterilen parça ; Devremizin ana elemanlarından olan TIP142 transistörleri bu devrede anahtarlama görevini yapmak için kullanılmıştır. Bu sayede motorların gerekli şartlar oluştuğunda istenilen yönde dönüş hareketini yapması sağlanmıştır Şekil 17 de 7 numara ile gösterilen parça ; Devremizde TIP142 transistörleri sadece mikroişlemci ile sürülemediğinden dolayı kuvvetlendirici olarak BD139transistörları kullanılmıştır. 25
Şekil 17 de 8 numara ile gösterilen parça ; Bu parçalar motor uçlarını devreye bağlanmasını sağlamak için kullanılmıştır 4.2.3. LM7805 Devresi Kullandığımız entegre girişten verilen 7V ile 20V arasındaki gerilim değerlerini çıkıştan sabit 5V elde etmek için kullanılmıştır. Bu devrenin kullanılma amacı ana devredeki mikroişlemcinin besleme gerilimini oluşturmaktır. Projede kullanılmış olan LM7805 entegre devresi şekil 18 de verilmiştir Şekil 18. LM7805 devresi Entegre devresi şu şekilde oluşturulmuştur; Entegrenin 1numaralı bacağından kaynak gerilimini uygulanmış ve bununla birlikte girişteki gerilim dalgalanmasını engellemek için bir kapasite elemanı kullanılmıştır. Entegrenin 2 numaralı bacağı topraklanmış, 3 numaralı bacağı ise çıkış bacağı olup buradaki gerilim dalgalanmalarını en aza indirgemek için bir kapasite elemanı kullanılmıştır. Girişten verilen 12V luk kaynak gerilimi çıkıştan 5V olarak alınmıştır. 26
5. MEKANİK KISIM Mekanik kısım yatay-dikey ve sağ-sol dönüş hareketlerini sağlayacak 2 adet DA motor ve bunların hareketlerini panele aktaracak olan dişlilerden ve triger kayışından oluşmuştur. Yapılan hesaplamalarda 4.25 kg lık bir paneli döndürebilecek torka sahip uygun motorlar seçilmiştir. 5.1. Mekanik Kısım Elemanları 5.1.1. 12V Redüktörlü DA Motorları DA motorları elektrik enerjisini, mekanik enerjiye dönüştürürler. Genel olarak DA motorları stator, rotor, kolektör ve fırçalardan oluşur. Projede panelin hareketini sağlayan motorlardan bir tanesi şekil 19 da gösterilmiştir. Şekil 19. 12 V Redüktörlü DA motoru 27
Rotor motorun dönen kısmıdır. Üzerinde rotor sargıları bulunmaktadır. Manyetik alan yardımı ile sargılarda indüklenme oluşur. Statorun oluşturduğu manyetik alan rotorda moment oluşturur ve elektrik enerjisi mekanik enerjiye dönüştürülmüş olur. Stator motorun sabit kısmıdır. DA motorlarda manyetik alana oluşmasını sağlar. Stator elektromıknatıs yahut sabit mıknatıslardan oluşturulurlar. Motorun gücünü artırmak için ise kutup sayınını artırmak gerekmektedir. Kollektör ve Fırçalar: Rotorun uç kısmında yer alan parçadır. rotor sargılarının uçları kollektöre bağlıdır böylece rotor sargılarına gerilim iletilir. Motora gelen ilk gerilim fırçalara gelir daha sonra kollektöre ve rotor sargılarına iletilir ve rotorda gerilim indüklenir. Yapı olarak fırçalar kömür ve benzeri sürtünmeye dayanıklı iletken maddelerden yapılırlar. Redüktör: En basit anlatımla redüktör, devir-tork oranına bağlı olarak motorun dönme hızını değiştiren parçadır. Redüktör çeşitleri aşağıdaki gibidir. Ayna-Mahruti Sonsuz Dişli Helisel Paralel Dişli Planet Konik Dişli [6] Bu projede kullanılan DA motorlar yatay ve dikey hareketi sağlamak üzere iki tanedir. Bu motorlar piyasada silecek motoru olarak da bilinmektedir. Sonsuz dişli redüktörlü olup 12 V DA gerilimde yükün artışına bağlı olarak maksimum 6 Amper akım çekmektedir. 28
DA motorun avantajları : Fiyat olarak benzer özelliklere sahip step ve servo motorlara göre daha ucuzdurlar. Piyasadan temin edilmesi diğer motorlara göre daha kolaydır Kontrolü daha kolaydır Dezavantajı: Fırçalarının belirli periyotlarda değiştirilmesi gerekmektedir. 5.1.2. Triger Kayış ve Dişliler Bu elemanların kullanım amacı motor milinin hareketini panele aktarmaktır Şekil 20. Panel dönüş yönünün tayin edildiği triger kayışlar ve dişliler Şekil 20 de 2 adet DA motor, triger kayış ve dişliler görülmektedir. Bu motorlardan sağ taraftaki motorun mili triger kayış ve dişli yardımıyla metal boruya bağlanarak panelin yukarı-aşağı hareketini sağlamıştır. Bu metal boru üzerinden yataklanma yapılarak başka bir metal boru yine dişli ve triger kayış yardımıyla soldaki motora bağlanarak panelin sağ- 29
sol dönüş hareketi sağlanmıştır. Bu şekilde panelin çift eksenli hareketi gerçekleşmiştir. Yaltaklanma sayesinde bu hareketler birbirinden bağımsız olarak gerçekleşmiştir. Şekil 21. Panelin yukarı-aşağı ve sağa-sola dönüşünü sağlayan metal borular ve dişli Şekil 21 de 1 numaralı metal boru ile 2 numaralı metal boru iç içe geçirilip aralarına bilye yerleştirilmiştir. Böylece birbirinden bağımsız dönme hareketi sağlanmıştır. 1 numara ile gösterilen metal borunun ucu sonsuz vida yapılarak panelin dikeydeki hareketini, 2 numara ile gösterilen metal boru ise panelin yataydaki hareketini gerçekleştirmiştir. 30
KAYNAKÇA [1] (2013)Türkiye nin Güncel Enerji Profili ve Yenilenebilir Enerjinin Payı[çevrimiçi] Ulaşılabilir:http://www.alternatifenerji.com/?p=6560 [2] (2013) TMMOB.Makine Mühendisleri Odası.[çevrimiçi]. Ulaşılabilir: http://www.mmo.org.tr/index.php [3] (2013) bmdsolar alternatif enerji sistemleri. [çevrimiçi] [Ulaşılabilir]: http://bmdsolar.com/?page_id=1099 [4] (2013) Elektik-Elektronik Mühendisliği Odası. Akıllı GüneşTakipleyiciSistem. [çevrimiçi].ulaşılabilir: www.emo.org.tr/ekler/090a21669ff2d5f_ek.pdf [5] (2013)ISAWE. Yildiz TechnicalUniversity. [çevrimiçi]. Ulaşılabilir:http://www.ruzgarenerjisikulubu.com/dosyalar/sunumlar/ogrenci-semineri- 012/fotovoltaik-sistemlerde-maksimum-guc-ve-gunes-takip-sistemleri.pdf [6] (2013)Wikipediawebsite. [çevrimiçi]. Ulaşılabilir:http://tr.wikipedia.org/wiki/Red%C3%BCkt%C3%B6r 31
EK-1. STANDARTLAR VE KISITLAR FORMU Tasarım Projesinin hazırlanmasında Standart ve Kısıtlarla ilgili olarak, aşağıdaki soruları cevaplayınız. 1. Projenizin tasarım boyutu nedir? Açıklayınız. 2. Projenizde bir mühendislik problemini kendiniz formüle edip, çözdünüz mü? Evet. Işık şiddeti ve konum açısı ölçümü formüle edilmiştir 3. Önceki derslerde edindiğiniz hangi bilgi ve becerileri kullandınız? Alçak gerilim sistemlerinin tasarımı, Analog ve sayısal elektroniği, Devre analizinden öğrendiğimiz bilgiler,elektronik laboratuvarı ve elektrik laboratuvarından edindiğimiz becerilerden yararlanılmıştı 4.Kullandığınız veya dikkate aldığınız mühendislik standartları nelerdir? IEEE standartları göz önüne alınmıştır 5. Kullandığınız veya dikkate aldığınız gerçekçi kısıtlar nelerdir? a) Ekonomi PV panellerinin maliyetinden ve veriminden dolayı ülkemizde yaygın olarak kullanılmamaktadır b) Çevre sorunları: PV panellerin hiç bir şekilde doğaya bir zararı yoktur. c) Sürdürülebilirlik: Dünya, güneş ışınlarından mahrum kalmadığı sürece, kullandığımız devre elemanlarının üretimi oldukça bu proje ile enerji elde etmek mümkündür d) Üretilebilirlik: e) Etik: Küresel ısınma ve Fosil yakıtların çevreye verdiği zarar ve bu yakıtların sınırlı olması nedeniyle daha yaşanabilir bir dünya için böyle bir proje gerçekleştirilecektir f) Sağlık: Fosil yakıtların, nükleer atıkların çevreye, dolaylı yollardan insana verdiği zararı en aza indirerek sağlık açısından önemli bir adımdır g) Güvenlik: Güvenlik sorunu yoktur. h) Sosyal ve politik sorunlar: Fosil yakıt üretimi ve dağıtımı yapan firmaların kar marjını düşüreceğinden dolayı yenilenebilir enerji üretimi üzerine çok fazla gelişim gösterilememektedir. Projenin Adı Projedeki Öğrencilerin adları Otomatik Güneş Paneli Kontrolü Muhammed KARABIÇAK, Mehmet İNAL,Ahmet YÜKSEL Tarih ve İmzalar 32
EK-2. MALİYET ANALİZİ 33
EK-3. MOTOR SÜRÜCÜ DEVRESİNİN PCB GÖRÜNTÜSÜ 34
EK-4. PANEL KONTROLU İÇİN PIC BASIC PRO İLE YAZILAN PROGRAM Device 16F877 Device 16F877, WDT_OFF Device 16F877, PWRT_off Device 16F877, PROTECT_OFF Device 16F877, XT_OSC Device 16F877, BOD_OFF XTAL 4 '********************************************** TRISA = %11111111 TRISB = %00000000 TRISE = %00000000 TRISC = %00000000 TRISD = %00000000 PORTA = %00000000 PORTB = %00000000 PORTC = %00000000 PORTD = %00000000 '********************************************** 35
ADCON1=%10000000 '********************************************** Dim HAM1 As Word Dim HAM2 As Word Dim HAM3 As Word Dim HAM4 As Word '********************************************** HAM1=0: HAM2=0: HAM3=0: HAM4=0 '********************************************** ana_prog: '********************************************** HAM1=ADIn0 HAM2=ADIn1 '********************************************* If HAM1>6+HAM2 Then GoSubARA_BIR If HAM1+6<HAM2 Then GoSubARA_IKI 36
If HAM1=6+HAM2 Then PORTC = %00000000 If HAM1=5+HAM2 Then PORTC = %00000000 If HAM1=4+HAM2 Then PORTC = %00000000 If HAM1=3+HAM2 Then PORTC = %00000000 If HAM1=2+HAM2 Then PORTC = %00000000 If HAM1=1+HAM2 Then PORTC = %00000000 If HAM1=HAM2 Then PORTC = %00000000 37
If HAM1+1=HAM2 Then PORTC = %00000000 If HAM1+2=HAM2 Then PORTC = %00000000 If HAM1+3=HAM2 Then PORTC = %00000000 If HAM1+4=HAM2 Then PORTC = %00000000 If HAM1+5=HAM2 Then PORTC = %00000000 If HAM1+6=HAM2 Then PORTC = %00000000 38
'***************AŞAĞI YUKARI MOTORU************ HAM3=ADIn2 HAM4=ADIn3 '********************************************** If HAM3>6+HAM4 Then GoSubARA_UC If HAM3+6<HAM4 Then GoSubARA_DORT If HAM3=6+HAM4 Then PORTC= %00000000 If HAM3=5+HAM4 Then PORTC= %00000000 If HAM3=4+HAM4 Then PORTC= %00000000 39
If HAM3=3+HAM4 Then PORTC= %00000000 If HAM3=2+HAM4 Then PORTC= %00000000 If HAM3=1+HAM4 Then PORTC= %00000000 If HAM3=HAM4 Then PORTC= %00000000 If HAM3+1=HAM4 Then PORTC= %00000000 If HAM3+2=HAM4 Then PORTC = %00000000 If HAM3+3=HAM4 Then PORTC= %00000000 40
If HAM3+4=HAM4 Then PORTC= %00000000 If HAM3+5=HAM4 Then PORTC= %00000000 If HAM3+6=HAM4 Then PORTC= %00000000 GoToana_prog ARA_BIR: If HAM1>6+HAM2 Then PORTC= %00000011 ARA_IKI: If HAM1+6<HAM2 Then PORTC= %00001100 ARA_UC: 41
If HAM3>6+HAM4 Then PORTC= %00110000 ARA_DORT: If HAM3+6<HAM4 Then PORTC= %11000000 42
EK-5. LCD EKRANDA GÖSTERİLECEK PARAMETRELER İÇİN PİC BASIC PRO İLEYAZILAN PROGRAM Device 16F877 Device 16F877, WDT_ON Device 16F877, PWRT_ON Device 16F877, PROTECT_OFF Device 16F877, MCLR_ON Device 16F877, XT_OSC XTAL 4 '************************************************ ALL_DIGITAL=TRUE LCD_DTPIN= PORTB.4 LCD_ENPIN= PORTB.3 LCD_RSPIN= PORTB.1 LCD_INTERFACE 4 LCD_LINES 2 LCD_TYPE =0 DelayMS200 '************************************************ ADCON1=%10000000 43
'************************************************ Dim HAM0 As Float Dim HAM1 As Float Dim HAM2 As Float Dim LUX As Float Dim ACI As Float Dim VOLT As Float Dim X As Float Dim Y As Float Dim Z As Float '************************************************ HAM0=0: HAM1=0: HAM2=0 LUX=0: ACI=0: VOLT=0 X=0: Y=0: Z=0 '************************************************ Cls DelayMS1000 '************************************************ main: '*************************A I******************** 44
HAM0= ADIn0 If HAM0<550 Then X=(HAM0-230) X=X/(550-230) ACI=X*90 '************************************************ If HAM0>550 Then Y=(870-HAM0) Y=Y/(870-550) ACI=Y*90 '****************GÜNEŞ IŞIK ŞİDDETİ************** HAM1= ADIn1 Z=(-0.006*HAM1) LUX=148707*Exp(Z) '***********PANELİN ÜRETTİĞİ GERİLİM************* HAM2= ADIn2 VOLT=(5/1024)*HAM2 VOLT =VOLT*5 '************************************************ 45
Print At 1,1,"Pnl" Print At 1,5,"V=", DEC2 VOLT Print At 2,1,"ACI=",DEC1 ACI Print At 2,10,"LUX=",DEC1 LUX GoTomain 46
EK-6. YÜKSELTEN DEVRE PARAMETRELERİNİN BELİRLENMESİNDE KULLANILAN PROGRAM Vo=input('Vo='); Vi=input('Vi='); R=input('R='); F=input('F='); T=1/F D=(Vo-Vi)/Vo y_d=d*100 //çıkış gerilimi //giriş gerilimi //yük direnci //frekans //periyot //doluluk oranı //yüzde doluluk oranı Lb=((1-D)^2*D*R)/(2*F) //endüktansın sınır değeri C=(D*Vo)/(0.5*R*F) //kapasitenin sınır değeri 47