MATLAB GUI Arayüz Destekli Güneş Takip Sistemi
Transkript
MATLAB GUI Arayüz Destekli Güneş Takip Sistemi
EEB 2016 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu, 11-13 Mayıs 2016, Tokat TÜRKİYE MATLAB GUI Arayüz Destekli Güneş Takip Sistemi Veli TÜRKMENOĞLU1, Fatih GÜNGÖR2 , Ozcan Otkun3 1,2 3 Ordu Üniversitesi, Ordu, Türkiye Gümüşhane Üniversitesi, Gümüşhane, Türkiye 1 vturkmenoglu@odu.edu.tr 2 fatihgungor@hotmail.com Özet 3 ozcanotkun@gumushane.edu.tr Bütün veriler bir data logger aracılığı ile dijital ortama aktarılmaktadır. Sistemin dataloger gibi bir cihazla bilgileri alması, alınan bilgilerin doğruluğunu güçlendirmektedir. Bu şekilde elde edilen geçerli verilerle yapılan çalışmaların da gerçerliliği yüksek olmaktadır. Yenilenebilir enerjiler elde etmek için hazırlanan sistemlerin çeşitliliği ve bu sistemlere ait simülasyonlar gün geçtikçe önem kazanmaktadır. Özellikle güneş enerjiisinden elektrik elde etme yöntemleri hızla gelişmektedir. Yapılan çalışmada, güneş panelinin daha verimli enerji üretebilmesi için bir sistem tasarlanmış, güneşi takip eden sistem ile sabit panel sistemi arasındaki fark ortaya konulmuştur. Dört adet konumlandırma sensörü, bunlardan gelen verilere göre konumalandırmayı sağlayan step motorları süren bir PIC devresi ve gelen bilgileri anında kaydeden bir data loger ile sistem hazırlanmıştır. Sistem, MATLAB GUI programı ile hazırlanan bir ara yüzle tüm süreç kontrol edilmiştir. Bu sayede sistemin bulunduğu coğrafi konumda gerekli analizler kolaylıkla yapılabilmesine imkan sağlanmıştır. Gerçekleştirilen çalışmada, yapılmış diğer uygulamalardan farklı olarak, sistem bağımsız bir mikro denetleyici tarafından kontrol edilmektedir[10]. Panellerin güneşi takip etmesi ışık sensörleri olan LDR’lerle yapılmaktadır. LDR lerden gelen bilgiler mikrodenetleyici tarafından anlamlandırıldıktan sonra motorlar aracılığı ile panelin güneşi doğrudan göremesi sağlanmaktadır [11],[12] ve [13]. Sistemin ürettiği bütün parametler ve değerler gerçek zamanlı olarak kaydedilmektedir. Gerçek zamanlı çalışan sistemde meydana gelen değişiklikler anında yorumlanabilmektedir. MATLAB ileri düzey sayısal hesaplama yapabilen dördüncü nesil bir programlama dilidir. MATLAB, öncelikli olarak sayısal işleme yönelik üretilmiş olmasına rağmen, isteğe bağlı olarak sembolik hesaplama, dinamik ve gömülü sistemler içeren, grafiksel çoklu alan simülasyonunu ve model tabanlı tasarım yapılabilen bir yapıya sahip özellikle akademik ve endüstriyel alanda bir çok kullanıma sahip programdır. 1. Giriş Fotovoltaik (PV) sistemler,elektrik enerjisi üreten sistemler içerisinde doğa dostu ve teknolojileri sürekli gelişim gösteren yenilenebilir enerki kaynaklarındandır. PV sistemlerin temelini güneş panelleri oluşturmaktadır. Güneş panelleri yüksek maliyetine karşın düşük verime sahiptir. Bu sebeple panellerin verimini arttıracak araştırmalar gün geçtikçe artmaktadır. Panelerden maksimum verimi elde etmek için panellerin kimyasalları, depolama teknikleri ve panellerin konumu gibi faktörler üzerinde çalışmalar devam etmektedir. Bunlardan biride güneşi takip eden ve güneş ışınlarından daha fazla faylanmayı esas alan sistemlerdir. Çalışmamızın, ikinci bölümünde kurulan sistemin teknik kısmı olan step motor ve sürücü devresi irdelenmiş, üçüncü bölümde ise MATLAB arayüzü tanıtımı ve sistemin nasıl çalıştığı anlatılmıştır. Sonuç bölümünde ise elde edilen verilerin değerlendirmesi, hareketli system ile sabit sistemin karşılaştırılması ve gerçek zamanlı sistemlerin avantajlarından bahsedilmiştir. Güneş takip eden sistemler gün boyunca panelin güneşe karşı açısını ayarlayarak çalışır ve %50 ila %20 oranlarında verimlilik artığı sağlanabilmektedir[1],[2],[3] ve [4]. 2. Takip Sistemi Donanımı Literatürde, çalışmamıza benzer güneş takip eden farklı uygulamaların olduğu bir çok çalışma mevcuttur Uygulamalar çoğunlukla simülasyon olarak hazırlanmış bir çoğunda ise gerekli takip düzeneği kurularak gerçek modeller oluşturulmuştur [5],[6],[7],[8] ve [9]. 2.1. Step Motorlar Step motorları, açısal konumunu adımlar halinde değiştiren, çok hassas sinyallerle sürülebilen motorlar olarak tanımlanır. Bu adımlar, motorun sargılarına uygun sinyaller gönderilerek elde edilir. Herhangi bir uyartımda, motorun yapacağı hareketin ne kadar olacağı, motorun adım açısına bağlıdır. Adım açısı step motorun yapısına bağlı olarak 90o, 45o, 18o, 7.5o, 1.8o veya daha değişik açılarda olabilir. Motorun adım Çalışmamızda matlab ile hazırlanan kullanıcı arayüzü ile sistemin çalışması gözlenebilmekte ve gerçek zamanlı olarak panellerin gerilimleri okunabilmektedir. Ayrıca panelin güneşe yönlenme durumu izlenebilmektedir. 386 EEB 2016 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu, 11-13 Mayıs 2016, Tokat TÜRKİYE açısı iç yapısındaki stator sargılarının sayısına ve rotor üzerindeki mıknatısların yapısına bağlı olarak değişmektedir. Şekil 1 de adım motorunun şekli ve iç yapısı görünmektedir. Motora uygulanacak sinyallerin frekansı değiştirilerek motorun hızı ve yönü kontrol edilebilir [14]. Şekil 1: Adım motoru ve motor iç yapısı Şekil 3:Hareketli panel LDR dizilimi Adım motorlarının hangi yöne doğru döneceği, devir sayısı, dönüş hızı gibi değerleri mikroişlemci yardımı ile kontrol edilmiştir. Mekanik yapıları basit ve kontrolleri kolay olduğundan bakım gerektirmemeleri gibi avantajları vardır. Bu sebeple adım motorları çok hassas konum kontrolü istenilen yerlerde kullanılırlar. Bu sensörler aracılığı ile panelin güneşi dik olarak görmesi sağlanmaktadır. 2.3. Sürücü Devresi Bir mikrodenetleyici, mikroişlemcinin, hafıza, giriş - çıkışlar, kristal osilatör, zamanlayıcılar, seri ve analog giriş çıkışlar, programlanabilir hafızaya sahip bileşenlerle tek bir tümleşik devre üzerinde üretilmiş halidir. Az da olsa yeterli bir hafızaya ve giriş – çıkış uçlarına sahip olmaları sayesinde tek başlarına çalışabildikleri gibi, donanımı oluşturan diğer elektronik devrelerle irtibat kurabilir, Üzerlerinde analogdijital çevirici gibi tümleşik devreler barındırmaları sayesinde algılayıcılardan her türlü verinin toplanması ve işlenmesinde kullanılabilmektedirler.Ufak ve düşük maliyetli olmaları gömülü uygulamalarda tercih edilmelerini sağlamaktadır. Adım motorun dönüş yönü, hızı ve konumu her zaman kontrol edilebilmektedir. Ancak fiziksel engellerden dolayı adım atlama durumunda hatalı sonuçlar doğurabilmektedir. Ayrıca adım açıları sabit olduğundan hareketlerinin darbeli olması, sürtünme kaynaklı yüklerde ve açık döngülü kontrolde konum hataları meydana getirmeleri, elde edilebilecek gücün ve momentin sınırlı olması gibi dezavantajları da mevcuttur. Sistem her 12 saatte bir kendisini kalibre ederek bahsi geçen hatalar minimum indirilmiştir. Adım motorları kablo sayısına göre adlandırılırlar, 4 kablolu bipolar veya 5-6-8 kablolu unipolar, olmak üzere sınıfadırılırlar.Çalışmamızda 5 kablolu Unipolar bir step motor kullanılmaktadır. Şekil 2 de farklı sayıdaki adım motorlarının kablo adetlerine göre yapıları görülmektedir. Hazırladığımız takip sistemi bilgisayara bağımlı olmadan çalışmakta, elde ettiği verileri bilgisayara aktarmaktadır. Şekil 4 te hareketli panelin yön kontrolünü yapan devrenin şeması görülmektedir. Kullandığımız motorda hareket için gönderilen sinyal sırası aşağıdaki tabloladır. Sinyal sırasına uyarak motorun kablolarına sinyal gönderildiğinde motor ileri doğru hareket etmektedir. Sinyal sırası değiştirilerek motor yönü de değiştirilebilir. Örnek sıralama Tablo 1 de görülmektedir. Tablo 1: Adım Motoru Adım Sinyalleri Sinyal Sırası 1 2 3 4 Şekil 2: Adım motoru kablo bağlanti şemasi A1 1 0 0 1 B1 1 1 0 0 Kablolar A2 0 1 1 0 B2 0 0 1 1 2.2. LDR Sisteme dört adet LDR(Işık sensörü) eklenmiştir. LDR ışık şiddetine göre direnç değeri değişen ve üzerinde gerilim oluşturan bir devre elemanıdır. LDR sensörler Şekil 4 deki gibi panelin 4 noktasına yerleştirilmiştir. Yatayda ve dikeyde güneşten gelen ışımayı algılayarak, PIC ‘e iletir. PIC, yatay ve dikeyde gelen değerlerin ortalamasını alarak step motorları uygun yönde döndürür. Şekil 4: Mikrodenetleyicili adım motoru sürücü devresi 387 EEB 2016 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu, 11-13 Mayıs 2016, Tokat TÜRKİYE 3. Güneş Takip Sistemi 2.4. Data Logger Datalogger bir bilgiyi önceden ayarlanmış zaman aralıklarına göre hassas oranlarda algılayan ve kaydedebilen cihazlardır. Data logger cihazları çoğunlukla saha çalışmalarında, nakliye sırasındaki izlemelerde, ısıtma /soğutma / havalandırma testlerinde, sorun belirlemede, kalite çalışmalarında, genel araştırma ve eğitim bilimleri gibi geniş bir uygulama alanine sahiptir. En fakedilebilir özelliği gerçek değerleri okumakta sağlıklı ve stabil şekilde çalışmasıdır. Şekil 5 da çalışmada kullanılan datalogger cihazı görülmektedir. Yapılan çalışmada elde edilen gerilim değerlerini sağlıklı ve güvenli şekilde okumak için data logger kullanılmıştır. Fotovoltaik hücrelerin, farklı ışınım şiddetleri ve çalışma şartları altındaki akım-gerilim değerlerinin ölçümü, sistem performansını yansıtması açısından çok önemlidir. Çünkü fotovoltaik cihazların akım, gerilim, güç ve verimleri, ışınım şiddeti ve çalışma sıcaklığı gibi yerel iklimsel parametrelere bağlıdır. Bu bağlamda sistemin maksimum enerji elde edebilemesi için güneş ışınlarının sürekli ve etkili olarak panel üzerine ulaşması gereklidir. Bu durum ise güneş ışınlarının sürekli olarak dik açı ile panele gelmesi ile sağlanabilmektedir. Panelin sürekli olarak güneşi karşınına alarak dik açı ile görmesi ancak hareket eden bir sistemin güneşi takip etmesi ile sağlanabilmektedir. Bu konuda bir çok farklı sisteme sahip çalışma yapılmıştır. Gerek mikrodenetleyici tabanlı, Bilgisayar tabanlı, elektronk tabanlı veya simülasyon benzeri bir çok uygulama yapılmış, sabit, bir eksenli ve iki eksenli hareketli sistemlerin karşılaştırması yapılmıştır. [10],[16],[17],[18],[19] ve [20]. Şekil 5: Data logger Kullandığımız data logger ile PIC’den gelen açı değerleri ve güneş pillerinin gerilim değerleri ölçülmüştür. Hazırladığımız sistemin maksimum verimle çalışması için iki eksenli yapı kullanılmıştır. Şekil 7 de hareketli panelin çalışma şekli ve dönme eksenkeri görülmetedir. 2.5. MATLAB ve GUI MATLAB, bilimsel ve mühendislik alanlardaki sayısal hesaplamalar için kullanılan bir etkileşimli programdır. Akademik alanda ve endüstride, dinamik sistemlerin modellenmesi ve simulasyonu için dünya genelinde yaygın olan bir yazılım paketidir. MATLAB kelimesi İngilizce “MATrix LABoratory” kelimelerinin bileşiminden oluşmuştur. GUIDE, MATLAB’IN GUI tasarımcılarına sunduğu içerisinde çeşitli araçlar içeren ve kolaylık sağlayan bir grafiksel GUI geliştirme ortamıdır. GUIDE kullanılarak tıkla ve sürükle-bırak tekniği ile GUI arayüzüne nesneler (örneğin butonlar, text kutuları, liste kutuları, grafikler v.s.) kolaylıkla eklenebilir. Ayrıca, eklenen nesnelerin hizalanması, tab sırasının değiştirilmesi, görsel ayarlar üzerinde manipülasyonlar yapılması da bu ortamın tasarımcılara sunduğu imkânlardan bazılarıdır. Şekil 7: Hareketli panel hareket eksenleri Hazırladığımız sistemde Data logger panelden gelen gerilim değerleri ve mikrodenetleyiciden gelen açı değerlerini almaktadır. Mikrodenetleyici ise LDR’lerden gelen değerler neticesinde adım motorlarını çalıştırması ve elde ettiği açı değerlerini data logger’a göndermektedir. Ayrıca Data Looger çalışma saatlerine bakarak sistemi açmakta ve kapatmaktadır. 2.6. Akım Ölçümü Kullandığımız sistemin üretim miktarını gerçek anlamda öğrenmek için sisteme iki adet motor bağlayarak bir yük oluşturduk. Şekil 6 da görülen yükün çektiği akım, akım sensörü ve data logger cihazı ile en doğru şekilde ölçümü yapılmaya çalışılmıştır. Ölçülen akım DataLogger cihazı ile kayıt altına alınmıştır. Şekil 8: Panel sistemi şeması Sistem çok sade ve herhangi teknik müdehaleye ihtiyaç duyulmayacak şekilde düzenlenmiştir. Sistem LDR’lerden gelen değerleri karşılaştırarak adım motorların konumlanması için gerekli sinyalleri göndermektedir. Şekil 8 de güneş izleme sisteminin çalışma şekli gösterilmektedir. Şekil 6: Yük ve akım sensörü 388 EEB 2016 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu, 11-13 Mayıs 2016, Tokat TÜRKİYE Şekil 9: Takip sisteminin genel görünümü Şekil 11: MATLAB GUI takip sistemi arayüzü Şekil 10: Takip sistemi Sistem, saniyenin 5 de 1’I sürede LDR leri kontrol ederek hareketini sağlamaktadır. Her 15 saniyede bir örnek değer almaktadır. Ortalama 1920 değer ile bir günü tamamlamaktadır. Her gün için ayrı bir veri dosyası oluşturmakta, Gün, ay, yıl, saat, dakika, saat, yatay açı, dikey açı, sabit panel gerilim, sabit panel akım, hareketli panel gerilim ve akım verileri kaydedilmektedir. Şekil 9 da sistemin montaj yapılmış hali, Şekil 10 da ise sistemin yerleştirildiği ortam görülmektedir. Sistemin matlab ekranında anlık üretilen gerilim, akım ve güç değeri ve panellerin o esnada bulundukları açılar gözlenmektedir. Ayrıca istenildiği anda farklı günlere ait grafikleride anında görmek için bir bölüm oluşturulmuştur. Bu sayede birbirinden farklı iki tarihteki veriler rahatlıkla karşılaştırılabilmektedir. Şekil 12: Takip sisteminin bir günlük gerilim değeri (mV) Sistem çalışırken o ana kadar olan sabit sistem ve hareketli sistem arasındaki verim farkınıda hesaplamaktadır. Şekil 12 de MATLAB GUI sisteminde hazırlanmış program arayüzü çağrılmış farklı bir tarihteki grafik görülmektedir. Aşağıda Şekil 13 de güneş takip sisteminden alınan bir günlük veri görülmektedir. 4. Sonuçlar Bu çalışmada MATLAB programı ile PV sistemlerin bir türü olan , sabit ve hareketli sistemler incelenmiştir. İnceleme için gerçek bir sistem oluşturulmuştur. Sistemde iki adet panel kullanılmış ve panellerden bir tanesine güneşi takip edecek düzenek eklenmiştir. Ayrıca MATLAB GUI arayüzünde bir güneş takip sistemi izleme modeli oluşturulmuştur. Sistemin gerek elektronik kısmı, gerek MATLAB GUI modeli anlaşılabilir bir şekilde düzenlenmiştir. Sistem üç gün boyunca çalıştırılmış; gün, saat, dakika, saniye, panel açıları ve elde edilen veriler bilgisayar ortamına kaydedilmiştir. Veriler incelendiğinde sabit ve hareketli sistemin enerji üretim değerleri görülmektedir. Sabit sistemin özellikle sabah ve akşam üstü saatlerde performansının düşük olduğu bu saatlerde hareketli sistemin daha iyi performansta çalıştığı 389 EEB 2016 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu, 11-13 Mayıs 2016, Tokat TÜRKİYE gözlenmiştir. Bulutlu havalarda takip eden sistemin açık atmosfer bölgesine yönelmesi gerçekleştirmiş ve sabit panele göre, bu sürelerde daha verimli çalıştığı gözlemlenmiştir. Ayrıca gün sonu elde edilen değerlerin ortalaması MATLAB tarafından otomatik şekilde alınarak hareketli sisemin incelenen günler için %9-%12 daha verimli olduğu görülmüştür. [12] J. D. Garrison,“Program For Calculation Of Solar Energy Collection By Fixed And Tracking Collectors”, Sol. Energy, vol. 72, no. 4, pp. 241-255, 2002. [13] P. P. Popat, “Autonomous, Low Cost, Automatic Window Covering System For Day Lighting Applications”, Renew. Energ., vol. 13, no. 1,pp. 146, 1998. [14] Kenjo T., “Stepping Motors and Their Microprocessor Controls”, Calerendon Press, Oxford, 1984. [15] Karimov, Kh.S., Saqib, M.A., Akhter, P., Ahmed, M.M., Chatta, J.A., Yousafzai, and S.A., (2005). A Simple Photo-Voltaic Tracking System. Solar Energy Materials & Solar Cells, Vol: 87,pp: 49-59. [16] Kacira, M., Simsek, M., Babur, Y., Demirkol, S. (2004). Determining Optimum Tilt Angles and Orientations of Photovoltaic Panels in Sanliurfa, Turkey. Renewable Energy, vol:28, pp: 1265-1275. [17] Roth, P., Georgiev, A., and Boudinov, H., (2004). Design and Construction of a System for Sun-Tracking. Renewable Energy, Vol: 29, pp: 393-402. [18] Abdallah, S., (2004).“The effect of using sun tracking systems on the voltage–current characteristics and power generation of flat plate photovoltaics”, Energy Conversion and Management, Vol:45, pp: 1671–1679. [19] Al-Mohamad, A., (2004).“Efficiency improvements of photo-voltaic panels using a Sun-tracking system.”, Applied Energy, Vol: 79 pp: 345–354. [20] Koutroulis, E., Kalaitzakis, K., and Voulgaris, N.C., (2001).“Development of a Microcontroller-Based Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Control System. IEEE Transactions on Power Electronics”, Vol. 16, No. 1, pp: 46-54. MATLAB’ın genelde sistemlerin sismülasyonlarının hazırlanmasında ve varsayılan verilerle çalışması sağlanmaktadır. Ancak hazırladığımız modelde gerçek verilerin sağlıklı bir donanım ile MATLAB’a ulaştırılması sağlanmış ve elde edilen verilerin görünürlüğü arttırılmıştır. GUI ile hazırlanan arayüz kullanımı kolay, sade olarak tasarlanmış, geliştirilmeye açık kodları düzenlenmiş ve üretim gücü büyük sistemlere adapte edilebilecek şekilde kurgulanmıştır. 5. References [1] C. Alexandru, C. Pozna, “Different tracking strategies for optimizing the energetic efficiency of a photovoltaic system”, IEEE International Conference on Automation, Quality and Testing, Robotics, May 2008, Vol. 3, pp. 434-439 [2] A. Yazidi, F. Betin, G. Notton, G. A. Capolino, “Low cost two-axis solar tracker with high precision positioning,” First International symposium on Environment Identities in Mediterranean Area, July 2006, pp. 211 – 216 [3] J. Beltran, etl. “Design, manufacturing and performance test of a solar tracker made by a embedded control,” Proceedings of the Electronics, Robotics and Automotive Mechanics Conference, 2007, pp. 129-134 [4] T. Irina, A. Cătălin, “A Study On The Trackıng Mechanısms Of The Photovoltaıc Modules”, Fascicle of Management and Technological Engineering", Vol: IX, pp: 59-66, 2010. [5] Shugar D.S., Hickman T., Lepley T. “Commercialization of A Value-Engineered Photovoltaic Tracking System”, 25 th IEEE PVSC Proceedings, May 1996, pp. 1537-1540. [6] Vilsan M., Nita I. “A Hybrid Wind-Photovoltaic Power Supply for A Telecommunication System”, IEEE Trans. On Energy Conv., 1997, pp. 589-596. [7] Karimov Kh. S., Saqib M.A., Akhter P., Ahmed M.M., Chatta J. A., Yousafzai S.A. “A Simple Photo-Voltaic Tracking System”, Solar Energy Materials & Solar Cells, 2005, 87, pp. 49-59. [8] Roth P., Georgiev A., Boudinov H. “Design and Construction of a System for Sun-Tracking”, Renewable Energy, 2004, 29, pp. 393-402. [9] Çolak İ., Bayındır R., Sefa İ., Demirbaş Ş., Demirtaş M., "Güneş Takip Sistemi Tasarım ve Uygulaması", 1. Enerji Verimliliği ve Kalite Sempozyumu, TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası Kocaeli Şubesi, Mayıs 2005, sayfa 301-305. [10] DEMİRTAŞ M.,“Bilgisayar Kontrollü Güneş Takip Sisteminin Tasarımı ve Uygulaması”,Politeknik Dergisi Journal of Polytechnic, 2006, Vol: 9: No:4 pp.247-253 [11] B. Koyuncu and K. Balasubramanian, “Microprocessor Controlled Automatic Sun Tracker”, IEEE Trans. Consumer Electron., vol. 37, no.4, pp. 913-917, 1991. 390