2014-3-19 WWW.SOLTRAK.DL.PL STEROWNIK OBROTNICY SOLARNEJ Instrukcja zastosowania autor Mirell
Spis treści CHARAKTERYSTYKA STEROWNIKA SOLTRAK 2D4... 3 O RÓŻNYCH RODZAJACH UKŁADÓW ŚLEDZĄCYCH... 4 UKŁAD RÓŻNICOWY ZASADA DZIAŁANIA... 5 CZUJKA RÓŻNICOWA UKŁAD PRAKTYCZNY... 6 OPROGRAMOWANIE STEROWNIKA... 8 PARAMETRY STEROWNIKA... 10 WYGLĄD STEROWNIKA... 11 SCHEMAT MONTAŻOWY... 12 SCHEMAT IDEOWYY... 14 WSPÓŁPRACA Z RADIOLINIĄ... 15 KONFIGURACJE PRACY PRZECZYTAJ UWAŻNIE!... 16-2-
Charakterystyka sterownika Soltrak 2D4 Soltrak 2D jest uniwersalnym sterownikiem do obrotnic solarnych. Umożliwia on pracę z różnymi typami siłowników pod warunkiem wyposażenia tych urządzeń w wyłączniki krańcowe. Zmiana kierunku obrotu realizowana jest przez zmianę polaryzacji napięcia zasilania urządzenia wykonawczego. Elementem przełączającym są przekaźniki elektromagnetyczne pracujące w mostku H. Sterownik zapewnia kontrolę położenia śledzącego obiektu zarówno w poziomie (azymut), jak i w pionie (elewacja). Po zapadnieciu zmierzchu sterownik generuje sygnał powrotu na pozycję East (w azymucie) oraz w elewacji - sygnał położenia się solara równolegle do powierzchni ziemi (ogniwami do góry), co zabezpiecza przed silnymi podmuchami wiatru. Pozycja końcowa zależy od parametrów siłowników (działania wyłączników krańcowych) i budowy trackera. Strerownik może współpracować z siłownikami o maksymalnym prądzie 4A, przy potrzebie pracy z większym pradem należy zastosować dodatkowe styczniki (przekaźniki) Normalna praca trakera bez osiągania stanów końcowych East i West. Wyłączniki krańcowe zwarte, umożliwiają sterowanie silnika w obie strony przez zmianę polaryzacji napięcia (diody nie działają zbocznikowane wyłącznikami). Przyjmujemy założenie, iż zasilanie elementu wykonawczego jest: - E, +W. Osiągnięto stan krańcowy dla East, wyłącznik East rozwarty, dioda przy E spolaryzowana zaporowo, prąd nie płynie, siłownik wyłączony. Zmiana polaryzacji napięcia umożliwia ruch jedynie w kierunku West, po zwarciu wyłącznika East ruch możliwy jest w obie strony. Przyjmujemy założenie, iż zasilanie elementu wykonawczego jest: +E, -W. Osiągnięto stan krańcowy dla West, wyłącznik West rozwarty, dioda przy W spolaryzowana zaporowo, prąd nie płynie, układ wykonawczy wyłączony. Zmiana polaryzacji napiecia umożliwia jedynie ruch w kierunku East, po zwarciu wyłącznika West ruch możliwy w obie strony. -3-
O różnych rodzajach układów śledzących Układy naprowadzania na słońce mają za zadanie optymalne ustawienie płaszczyzny paneli fotowoltaicznych w stosunku do padających jego promieni, czyli pod kątem prostym. Wtedy to właśnie następuje największe wykorzystanie energii świetlnej, co skutkuje maksymalną sprawnością konwersji energii świetlnej na elektryczną. Można zastosować kilka rodzajów układów naprowadzania, różniących się od siebie sposobem działania, stopniem skomplikowania, a co za tym idzie, ceną. Najprostszym jest sterowanie przez załączanie na określony czas przez układ zegarowy elementów wykonawczych (siłowników, silników). Prostota wykonania daje wynikowo małą elastyczność oraz dużą niedokładność działania. Należy pamiętać, iż czas przesuwu o określony kąt jest inny dla trackerów o różnych wykonaniach, zatem należy go indywidualnie dopasowywać do posiadanego egzemplarza urządzenia śledzącego, w przypadku innych rozwiązań mechanicznych, taki sterownik będzie działał nieprawidłowo. Innym rozwiązaniem to układ oparty o czujnik w układzie różnicowym. Elementy fotoelektryczne umieszczone są o obu stronach nieprzeźroczystej przesłony i reagują na różnicę ich oświetlenia. Taki układ nadaje się do zastosowania w każdym trackerze, reagując zawsze na różnicę w oświetleniu i włączając elementy wykonawcze przez czas potrzebny do uzyskania równowagi oświetlenia czujek. Zastosowanie mikroprocesora umożliwia dużą elastyczność całego systemu, poprzez możliwość modyfikacji istotnych dla jego działania, parametrów. Korzystna jest relacja pomiędzy ceną urządzenia, a jego możliwościami. Takie rozwiązanie zostanie opisane poniżej. Sterowniki oparte o GPS są najbardziej zaawansowanymi urządzeniami do sterowania trackerów. Umożliwiają one naprowadzanie na aktualną pozycję słońca bez względu na występujące warunki atmosferyczne. Ich złożoność i stopień skomplikowania okupione są jednak wysoką ceną. -4-
Układ różnicowy zasada działania Zasadę działania czujnika różnicowego ilustruje poniższy rysunek. Rozpatrywać będziemy jeden z czujników, domyślnie będzie to czujnik pracujący w azymucie (wschód-zachód), czyli o pionowej osi działania. Sensor zbudowany jest od strony mechanicznej z płytki drukowanej z przylutowanymi diodami LED (LD1, LD2) oraz przesłony z materiału nieprzepuszczającego światła. Przymocowany jest do płaszczyzny ogniw fotowoltaicznych, a jego obrotu jest osią obrotu trackera. Dla uproszczenia zakładamy, że tracker nie będzie miał możliwości wykonywania ruchów rewersyjnych (z zachodu na wschód, czyli przeciwnie do drogi, którą podąża słońce). Należy wspomnieć o roli diod LED, które maja inne zastosowanie niż zazwyczaj. W tym układzie miast zamieniać energię elektryczną na świetlną, pracują odwrotnie, wytwarzając wskutek promieniowania świetlnego, napięcie elektryczne. Oczywiście, wszelkie dywagacje, Graficzna zasada działania czujnika w układzie o ile nie zostało to podkreślone, odnoszą się do różnicowym promieniowania bezpośredniego. Zgodnie z zamieszczonym rysunkiem mogą zaistnieć dwa przypadki. (1) W położeniu słońca S1 obie diody LD1 i LD2 oświetlone są jednakowo i przesłona nie odgrywa żadnej roli. Jednakowe oświetlenia powoduje powstanie takich samych wartości napięcia, zatem różnica równa jest 0. Podobne zachowanie będzie miało również miejsce w czasie występowania jedynie promieniowania rozproszonego lub w czasie nocy. (2) W położeniu słońca S2 dioda LD2 oświetlana jest bezpośrednio, a dioda LD1 znajduje się w strefie cienia (szary kolor), rzucanego przez przesłonę. Różnica napięć, pochodzących z elementów fotoelektrycznych jest różna od 0 i układ elektroniczny, załączając elementy wykonawcze, wymusza ruch w danym kierunku, aż do chwili, kiedy zostanie uzyskana równowaga (przypadek 1). Przy dalszym ruchu słońca po nieboskłonie cykl się powtarza, aż do jego zachodu lub do osiągnięcia przez tracker końcowego, zachodniego położenia, determinowanego konstrukcją mechaniczną urządzenia. -5-
Czujka różnicowa układ praktyczny Teoretyczne dywagacje znalazły zastosowanie w układzie praktycznym dwuosiowej czujki różnicowej. W każdym z czujników (azymutu i elewacji) zastosowano miast pojedynczych diod, dwie diody połączone szeregowo. Takie rozwiązanie umożliwia zastosowanie typowych tranzystorów MOSFET typu 2N7002, które posiadają dość duże napięcie odcięcia Ugs. Zatem do ich otwarcia wymagane są dość wysokie napięcia wejściowe, czemu nie jest w stanie sprostać powstająca na pojedynczej diodzie różnica potencjałów. W tandemie jest znacznie lepiej! Odpowiednie dla kierunku działania pary diod LED generując napięcie powodują przewodzenie przypisanych do nich tranzystorów. Dzielniki rezystorowe, utworzone przez oporniki (zaznaczone kolorem czerwonym) w drenach oraz rezystory podciągające wejścia portów mikrokontrolera, powodują różne, w zależności od kierunku padającego oświetlenia, wartości napięcia. Takie powiązanie wzmiankowanego napięcia z kierunkiem padania promieni, umożliwia programową obróbkę i możliwość logicznego sterowania elementami wykonawczymi trackera. Dodatkowym elementem elektronicznym, który znalazł się w module czujnika jest fotorezystor. Odczyt jego wskazań służy do pomiaru wartości oświetlenia, co pociąga za sobą modyfikację działania oprogramowania w zależności od warunków nasłonecznienia. Opisane dywagacje ilustruje fragment zamieszczonego schematu. Uwaga! Regulacja dokładności ustawienia się czujnika do słońca polega na pochylaniu przesłon pomiędzy diodami LED. Fragment schematu sterownika SolTrak, obejmujący czujnik położenia. -6-
Czujkę różnicową ze względu na sposób wykorzystania diod można zbudować jako podzespół z przesłoną, oddzielającą elementy światłoczułe (rysunek 4), ale możliwe jest też inne rozwiązanie. Zamiast przegrody montujemy diody LED pod pewnym kątem względem siebie (rysunek 5). Takie rozwiązanie często jest stosowane w konstrukcjach, których opis można znaleźć w internecie. Umożliwia ono regulację czułości zadziałania oraz kompensację błędu położenia. Obywa się to przez zmianę kąta rozwarcia diod. Z moich doświadczeń wynika, że jednak jest to gorsze rozwiązanie niż to, które szeroko powyżej opisywałem. Czujka dwuosiowa z diodami umieszczonymi pod kątem. Wygląd dwuosiowej czujki różnicowej z przegrodą. -7-
Opis oprogramowania Odczyt zainstalowanego oprogramowania możliwy jest po włączeniu zasilania lub bezpośrednio po zresetowaniu procesora (przycisk RESET). Uwaga! Można stosować LCD o organizacji 4x20 znaków lub 2x20, w tym drugim przypadku komunikaty wyświetlane w linii 3 i 4 nie będą widoczne! Zdjęcia zmieszczone poniżej dotyczą wyświetlacza 4x20 zanków. Następnie Soltrak przechodzi do trybu pracy. Po włączeniu zasilania ukazuje się komunikat uwidoczniony obok. W górnej linii kolejno od prawej strony: wersja programu (2020), programowana granica słonecznie/zachmurzone (150), programowana granica detekcji zmierzchu powrót na pozycje wyjściową (840). Linia dolna: tryb śledzenia w azymucie (bidirectional). Opis komunikatów: wielkość sygnału czujnika nasłonecznienia w azymucie (487), wykonywania aktualnie czynność (nosun), wartość z czujnika nasłonecznienia (332), wartość czujnika nasłonecznienia w elewacji (487), czynność wykonywana dla tej czujki (nosun), ilość włączeń trackera w kierunku EAST (0),rodzaj pracy w azymucie (>EW<), ilość włączeń w kierunku WEST (0), aktualna granica słońce/chmury (150),włączenia w kierunku UP (0), w kierunku DOWN (0), aktualna granica detekcji zmierzchu (840). Sterownik odczytuje wartości oświetlenia i w zależności od jego wartości modyfikuje działanie programu. Zasadę wyjaśnia rysunek. Wartość 60 to pełne oświetlenie słońcem w południe. Wartość 200 to umowna wartość oświetlenia (zachmurzenie) od której tracker nie śledzi słońca (komunikat nosun). Granice tą można zdefiniować samemu (ustawiana programowo) w zakresie od 100 do 250 z krokiem 10 (tu 200). W zakresie 200 900 urządzenie nie śledzi, po przekroczeniu granicy 900 (regulacja od 800 do 950, krok 10) urządzenie powraca na pozycję wyjściową (zmierzch). Dla poglądowego rysunku powyżej wartość histerezy wynosi 20 (działanie w zakresie 190 210) (niebieski prostokąt). -8-
ZMIANA WARTOŚCI GRANICY SŁOŃCE/CHMURY ORAZ POWROTU NA POZYCJĘ WYJŚCIOWĄ Aby dokonać powyższych zmian należy wejść w tryb serwisowy. Trzymająć jednocześnie wciśnięte przyciski S1 i S2, krótko naciskamy na przycisk RESET lub załączamy napięcie zasilania. Po pojawieniu się komunikatu SERVICE MODE zwalniamy przyciski. Przyciskiem S1 ustawiamy wartość granicy działania trackera (słońce chmury), inkrementując za każdym przyciśnięciem o wartość 10. Zliczanie następuje w pętli w zakresie 100 do 240 (tutaj 120). Przyciskiem S2 zmieniamy wartość poziomu parkowania z zakresu 800 do 950 (na foto 820). Wyjście z trybu serwisowego i zapamiętanie nastaw następuje przez dłuższe przyciśniecie S1, aż do pojawienia się komunikatu STORED i QUITTING. WYBÓR ŚLEDZENIA W AZYMUCIE (JEDNO LUB DWUKIERUNKOWE) Naciskamy i przytrzymujemy przycisk S2, aż do usłyszenia długiego dźwięku. Zwalniamy przycisk, jesteśmy teraz w menu wyboru. Krótkie przyciskanie S2 w trybie sekwencyjnym wybiera pracę jednokierunkową (pojedyńczy, krótki dźwięk) lub dwukierunkową (dwa krótkie dźwięki). Aktualny wybór zapisywany jest do pamięci. Menu opuszczamy przez ponowne dłuższe naciśniecie S2 (długi dźwięk, jak przy wejściu do menu). STEROWANIE MANUALNE Wejście w tryb sterowania manualnego odłącza automatykę, aż do czasu opuszczenia tego trybu. Wywołujemy je przez dłuższe naciśnięcie przycisku S1 (dwa średniej długości dźwięki). Kolejne, krótkie użycie S1, sekwencyjnie załącza ruch w azymucie w obu kierunkach oraz go zatrzymuje, co sygnalizowane jest odpowiednimi komunikatami na LCD, a użycie S2 w ten sam sposób steruje trakerem w elewacji. Komunikatom wizualnym towarzyszą dźwięki: pojedyńcze krótkie dla zmian w azymucie (S1) oraz nieco dłuższe dla zmian w elewacji (S2). Wyjście z opcji sterowania ręcznego do automatycznego uzyskujemy przez ponowne, dłuższe przyciśnięcie S1, czemu towarzyszy odpowiedni komunikat oraz dwa dźwięki. PARKOWANIE Po wykryciu stanu zmierzch sterownik generuje sygnał powrotu (parkowania) podając na elementy wykonawcze w azymucie i elewacji ciągłe zasilanie (azymut EAST, elewacja UP) przez 120sek. Końcowe położenie (wyłączanie) zależy od ustawienia wyłączników krańcowych obu siłowników. Sygnał ten podawany jest jednokrotnie, a po nim przekaźniki są wyłączane (osczędność energii). Ponowne zadziałanie tej funkcji może nastapić dopiero po uzyskaniu sygnału z czujnika oświetlenia o wartości < 400 (praktycznie następnego dnia). -9-
Parametry sterownika Napięcie zasilania systemu: 12V Pobierany prąd własny (bez przekaźników): 18mA bez wyświetlacza LCD 23mA z wyświetlaczem LCD Obciążalność prądowa elementów wykonawczych: 4A, wymagane bezpieczniki w obwodzie zasilania siłowników Sygnalizacja dźwiękowa funkcji zmierzchu, parkowania (buzzer), wyboru menu itp. Dwukrotne próbkowanie sygnału zmierzchu w odstępie 5 sek. zabezpieczające przed przypadkowym zadziałaniem (powrót na wschód) przy chwilowym zasłonięciu czujnika Programowe ustawianie progów zadziałania, histereza programowa (próg sun/cloud ) Wyświetlanie wielu parametrów wejściowych i systemowych Opcjonalny wyświetlacz LCD 2x20 lub 4x20 znaków (wyjaśnienia w tekscie) Możliwość wyboru programu śledzenia w azymucie (jedno-dwukierunkowe) Wspólpraca z czujnikiem wiatru Zliczanie ilości ruchów w każdym z kierunków i ich sumy Manualne sterowanie Możliwość wspólpracy ze sterowaniem radiowym UWAGA! Inne parametry np: prąd pobierany w czasie działania, szybkość przesuwu kątowego itp. zależą od parametrów zastosowanych siłowników. Proszę ich szukać w specyfikacji technicznej producentów tych urządzeń. Sterownik posiada galwanicznie separowane (transoptor) wejście, które może być wykorzystane do czujnika wiatru. Podanie na nie sygnału napięciowego 5V do 12V spowoduje natychmiastowe położenie ogniw w poziomie (równolegle do poziomu ziemi), o ile mechanika trackera na to pozwala. Sytuacja taka trwa przez czas podawania wzmiankowanego sygnału. - 10 -
Wygląd sterownika Obok przedstawiono przykład wbudowania sterownika do małej obudowy po kamerze przemysłowej. Aby go zamocować należy wkleić odpowiednie elementy dystansowe i - w zależności od koncepcji - tak umieścić switche sterujace, aby były dostępne z zewnątrz. Widok ogólny Soltraka 2D4-11 -
Schemat montażowy Widok rozmieszczenia elementów SMD od strony ścieżek lutowniczych (bottom view) - 12 -
Widok rozmieszczenia elementów THT (top view) - 13 -
Schemat ideowy - 14 -
Współpraca z radiolinią Dla ułatwienia sobie sterowania ręcznego trackerem można zastosować dwukanałową radiolinię. Jak zakupiłem takową na znanym portalu aukcyjnym, którego nazwa zaczyna się na pierwszą literę alfabetu. Oczywiście, w zależności od potrzeb stosujemy odpowiednią wersję napięciową (12V lub 24V).Usuwamy buzzer z płytki radiolinii, jedynym wydającym dźwięki będzie ten z SolTraka. Dla osób bardziej zaawansowanych polecam usuniecie również przekaźników i sterowanie bezpośrednio z kolektorów tranzystorów. Wygląd radiolinii (bez obudowy) oraz kompletu pilotów na fotografii obok (buzzer został już usunięty). Poniżej przedstawiono sposób połączenia radiolinii ze sterownikiem. Należy zwrócić uwagę na właściwe ustalenie położenia jumpera trybu pracy (praca chwilowa). - 15 -
Współpraca z czujnikiem wiatru Sterownik umożliwia współpracę z zewnętrznym kontrolerem WindGuard. Jest to mikroprocesorowe urządzenie, generujące na podstawie pomiaru prędkości wiatru sygnał "wind alarm", którego podanie do SolTraka służy ochronie przed zniszczeniem mechanicznym zarówno zamontowanego na trackerze pola fotowoltaicznego, jak i samego urządzenia śledzącego. WindGuard może także stanowić osobny, niezależny moduł, do innych zastosowań. Podstawowym wymogiem jest wykorzystanie czujnika wiatru z przetwornikiem impulsowym. Idealne do zastosowania - zarówno od strony technicznej jak i finansowej - wydają się być czujniki wiatru do rolet, a zwłaszcza przetwornik ZWD firmy FAKRO. Bliższe informacje w manualu WindGuard'a lub na stronie soltrak.dl.pl. Po otrzymaniu przez SolTraka sygnału alarmu wiatrowego, wykonywany jest poniższy algorytm. Panele nie są kładzione od razu, a najpierw dwukrotnie, w odstępie 5 sekundowym, sprawdzane jest, czy nadal siła wiatru przekracza ustawiony poziom. Jeżeli się to potwierdzi, to panele przyjmują na czas 5 minut położenie horyzontalne. W tym czasie ignorowane są wszelkie sygnały o stanie wietrzności. Po zadanym czasie ponownie analizowana jest siła wiatru i dalszy algorytm przebiega w zależności od wyniku tejże analizy. Złącze do współpracy z WindGuard'em zamontowane jest w miejscu złącza KANDA. - 16 -
Konfiguracje pracy przeczytaj uważnie! Najbardziej optymalnym podłączeniem jest rozdzielenie zasilania części mikroprocesorowej od zasilania siłowników. Można to uzyskać przez wykorzystania osobnego zasilacza stabilizowanego (sterowanie) lub małego akumulatora, zasilanie siłowników odbywa się z akumulatora (akumulatorów) systemowych. To rozwiązanie przedstawia rysunek obok. Innym rozwiązaniem może być zastosowanie podziału napięcia zasilania: logika zasilana z 12V, siłowniki z 24V. Należy pamiętać, że w takiej konfiguracji oba obwody zasilania posiadają wspólną masę. Spadki napięcia wywołane prądem siłowników przenoszą się bezpośrednio na obwód zasilania procesora (skoki napięcia). Należy zatem pamiętać o doborze przewodu o odpowiednim przekroju. Oba rozwiązania dobrze zabezpieczają sterownik przed uszkodzeniem przed indukującą się w siłownikach SEM. - 17 -
Niekorzystnym rozwiązaniem (konfiguracja poniżej), by nie rzec, że zabronionym, jest wspólne zasilanie obu obwodów z jednego źródła. Należy bezwględnie ograniczyć skutki SEM, pochodzącej od siłowników. W tym celu na ich zaciskach włączyć dwukierunkowe transile o napięciu 33V (dla zasilania 24V) np. 1,5KE33CA, dla zasilania 12V transile 18V-33V. Takiej konfiguracji połaczeń używasz na własną odpowiedzialność! Uwaga! DLA WSZYSTKICH WERSJI PODŁĄCZENIA niezbędne jest zastosowanie w obwodach zasilania siłowników, bezpieczników o odpowiedniej wartości, wynikającej z prądu pobieranego przez elementy wykonawcze. Brak takiego zabezpieczenia, w przypadku np. uszkodzenia wyłącznika krańcowego, może skutkować niekontrolowanym wzrostem prądu, co niechybnie doprowadzi do uszkodzenia przekaźnika (styki), zniszczenia laminatu (ścieżek prądowych), a nawet pożaru! - 18 -
W przypadku konieczności zastosowania siłowników o dużej mocy, co przy napięciu 24V wiąże się nieuchronnie ze zwiększeniem poboru prądu, zalecam rozwiązanie polegające na zastosowaniu dodatkowych przekaźników samochodowych (12V), o dopuszczalnym dużym prądzie styków (30A/40A). W takim przypadku przekaźniki, znajdujące się w module sterownika służą do sterowania cewek tychże przekaźników mocy, pracując z małym prądem obciążenia (ok. 180mA). Podawanie odpowiedniego sygnału (oraz zasilania sterownika) do bloku przekaźników mocy odbywa się za pomocą przewodu 6 żyłowego, o stosunkowo małym przekroju (0,5mm2) i dopuszczalnej długości kilku metrów. Przekaźniki wykonawcze, umieszczone w bezpośredniej bliskości siłowników, umożliwiają zastosowanie krótkich połączeń o dużym przekroju, skutkujących małymi rezystancjami, co bezpośrednio przekłada się na mniejsze straty, zarówno w napięciu zasilania elementów wykonawczych (pewność Wygląd przykładowego przekaźnika działania duży moment startowy), jak i energii, zużywanej w czasie pracy trackera. Niewątpliwą zaletą od strony serwisu jest również łatwy dostęp do elementów mocy, które ze względu na charakter działania, najczęściej ulegają uszkodzeniom. Efektywność takiego rozwiązania dodatkowo podnosi umieszczenie przekaźników w gniazdach, dając możliwość szybkiej lokalizacji awarii oraz bezproblemową i błyskawiczną wymianę uszkodzonego komponentu. Całość rozwiązania w postaci schematu przedstawiona została na stronie 19. Diody tłumiące SEM indukowaną w cewkach (diody oznaczone jako D0), znajdują się w podstawkach przekaźników. Dla odpowiedniego sterowania niezbędne jest wykonanie prostego, diodowego układu logicznego (diody D1-D4). Można tu wykorzystać dowolne elementy prostownicze o prądzie min. 0,5A i napięciu zwrotnym min. 50V (np. popularna seria 1N4002-4007). Jako przekaźniki zastosowano dowolne komponenty samochodowe o napięciu pracy 12V, odpowiednim prądzie obciążenia (30A) i układzie styków zwierno-rozwiernym. - 19 -
- 20 -