Tesina - ISTITUTO di ISTRUZIONE SUPERIORE "Benedetto Castelli"

Tesina A.S. 2012-2013
Nicola Nolli -Sameeh Ullah - Davide Fisogni - Gabriele Narra
Inseguimento Solare
Stagionale
5^B
Indice:
Pag.1 :
Pag. 3:
Pag. 6:
Pag. 9:
Pag. 19:
Pag. 27 :
Pag. 30:
INTRODUZIONE
IL PROGETTO
IL PANNELLO PILOTA
IL CONTROLLO INFORMATICO
IL MOTORE MONOFASE A CONDENSAORE
ANALISI DEI RENDIMENI CON DIVERSO TILT
PROSPETTIVE FUTURE
AUTORI: Sameeh Ullah, Gabriele Narra, Fisogni Davide, Nolli Nicola
Introduzione
Cos’è l’energia solare?
Il sole è senza dubbio un elemento da sempre presente nella storia dell’umanità: fin
dall’alba dei tempi l’uomo ha imparato a coglierne i privilegi e a sfruttare a pieno le
potenzialità che la nostra stella ci offre. Nel corso degli ultimi anni, grazie alle grandi
conquiste in campo elettronico e metallurgico, è stato possibile realizzare un
sistema per catturare l’energia proveniente dal sole. Sfruttando i vantaggi
dell’irraggiamento solare, la tecnologia ci ha permesso quindi di realizzare il
PANNELLO SOLARE.
Sostanzialmente, è possibile sfruttare l’energia proveniente dal sole attraverso due
modi totalmente differenti:
-Attraverso Pannello Solare Fotovoltaico
-Attraverso Pannello Solare Termico
Il Pannello Solare Fotovoltaico
I pannelli solari fotovoltaici sono costituiti da centinaia di celle fotovoltaiche,
dispositivi che convertono la radiazione solare in elettricità. Si tratta di diodi formati
da giunzioni N-P-N, che si vengono a formare abbinando vari strati di materiale
diverso (fosforo, boro) al silicio, rendendoli impuri ed ottenendo così dei generatori
fotovoltaici. L’energia luminosa emessa dal sole, quando viene a contatto con la
superficie del pannello, induce lo spostamento degli elettroni da un atomo all’altro
facendo ricombinare ogni elettrone con una lacuna, a causa del campo elettrico
venutosi a formare dalle leghe di boro-fosforo e silicio. Questo movimento di
elettroni genera quindi corrente elettrica. Se ne deduce che la corrente generata
dalla cella fotovoltaica dipende anche dall’irraggiamento solare, cioè dalla potenza
del campo elettromagnetico incidente sulla superficie del pannello (W/m^2). Altri
fattori da cui dipende: inclinazione (tilt), orientamento (azimut) e rendimento dei
pannelli. Essendo il generatore fotovoltaico un componente che eroga corrente
continua, affinché sia disponibile l’immissione in rete, occorre ricostruire la
sinusoide caratteristica della rete di distribuzione italiana (ed europea) a frequenza
1
costante di 50 Hz. La tecnica per ottenere da
un segnale in continua, uno in alternata è la
cosiddetta tecnica PWM (modulazioni di
larghezza di impulso). La potenza
complessiva dell’impianto dipende dal punto
in cui esso si trova a lavorare. Per ottenere il
punto di massima efficienza l’inverter dovrà
quindi adeguare il carico alle caratteristiche del generatore che a loro volta
dipendono dalla radiazione solare e dalla temperatura. A tal proposito, all’interno
dell’inverter stesso sarà presente un dispositivo in grado di trovare il punto di
massima potenza o MPPT.
Per funzionare, l’inverter necessita di un intervallo di valori all’interno dei quali la
tensione e la corrente fornita dai pannelli devono ricadere.
Qui a fianco è rappresentato un inverter SMA Sunny Boy 3000, monofase analogo a
quelli installati per ogni sottocampo dell’impianto PV dell’ I.T.I.S. .
Tipologie di celle
Oggigiorno, le tipologie più diffuse di celle fotovoltaiche sono:
-celle in silicio MONOCRISTALLINO
Oggi il più comune materiale semiconduttore usato per le celle
fotovoltaiche è il Silicio monocristallino, il quale, presentando un alto
grado di purezza, permette di avere la maggiore efficienza possibile:
14÷17%.
-celle in silicio AMORFO:
La struttura `e segmentata e particolarmente scura.
più che di celle si tratta di deposizione di fili sottili di
semiconduttore su superfici flessibili, leggerissime e anche molto
ampie. Presentano un’efficienza 5÷7 %
-celle in silicio POLICRISTALLINO:
efficienza : 12 ÷ 16 %
2
Progetto di
2012/2013
gruppo
Il Gruppo
Come ogni anno, le classi quinte si dividono per formare vari gruppi che lavorano ad
uno specifico progetto da presentare agli esami di stato. Quest’anno, dopo esserci
stato presentato il piano di lavoro dedicato al laboratorio di energia, abbiamo
formato un gruppo costituito da cinque studenti:
-Nolli Nicola
-Sameeh Ullah
-Narra Gabriele
-Fisogni Davide
-Borsella Matteo
L’impianto dell’ I.T.I.S.
L’impianto dell’ I.T.I.S. è costituito da tre diversi sottocampi ognuno dei quali è
connesso ad un inverter. Il sottocampi 1 e 3 sono entrambi formati da pannelli in
silicio monocristallino, mentre il sottocampo 2, con una resa minore e superficie
maggiore, è formato da pannelli in silicio amorfo. Ogni Sottocampo eroga di fatto
una potenza nominale di 3KWp; complessivamente la potenza di picco di tutto
l’impianto raggiunge 9 KWp. Il campo PV della nostra scuola è formato da:
3
MODULI: 34 x Sharp NU-180 (E1) Pannello in Silicio
Monocristallino
35 x Sharp NA-851 (WQ) Pannello in Silicio
Amorfo
AZIMUT: 30°
TILT: variabile con inseguimento solare stagionale ( il tilt per il sottocampo 1 e per il
sottocampo 2 è rimasto fisso a 45°)
COMUNICAZIONE: Sunny Web Box
INVERTER: 3x Sunny Boy 3000
SENSORI: Sunny Sensor Box
Il Progetto
L’obiettivo consiste nel progettare e
installare
un
sistema
di
autoregolazione del Tilt dei pannelli
fotovoltaici collocati sul tetto di un’ala
della
nostra
scuola.
Sostanzialmente il primo sottocampo
(monocristallino “1”) deve essere in
grado di seguire il punto di miglior rendimento essendo dotato di moto solo rispetto
all’asse orizzontale (comunemente chiamata variazione stagionale), migliorando il
rendimento dell’impianto.
4
Come sappiamo, nel nostro emisfero, il sole compie un diverso percorso nella volta
celeste in base alla stagione: di inverno ad esempio, essendo l’emisfero a nord più
lontano dal sole, il percorso della nostra stella nel cielo sarà orientato più a
meridione. D’estate, al contrario, essendo l’asse a nord più vicino al sole, il sole
compirà un arco più alto nel cielo.
Componenti del progetto:
Pannello pilota
Programma Q-basic
Motore mono-bifase a condensatore
Diagrammi e analisi dei dati ricavati
Di seguito tratteremo singolarmente ogni punto sopraccitato specificandone le
caratteristiche tecniche in modo più approfondito.
5
Pannello Pilota
Funzione del pannello pilota: Il compito principale del pannello pilota è
quello di eseguire un giro di 90° determinando punti di massimo e di minimo;
questi dati vengono inviati al programma Q-Basic che li elabora per trovare il
punto di massimo rendimento, per valutare il vantaggio energetico in termini
quantitativi (anche il movimento del sottocampo ha un costo energetico) ed,
eventualmente, comandare il motore in modo tale da portare i pannelli
fotovoltaici nel punto desiderato.
Costituzione: il pannello pilota è costituito da tre elementi essenziali:
1. Pannello solare fotovoltaico da 5 Watt;
2. Riduttore di giri con rapporto 1/70;
3. Motore passo-passo.
Motore
passo-passo:
Il motore
passo-passo, spesso
chiamato
anche step o stepper motor, è un motore elettrico sincrono (senza spazzole)
che può suddividere la propria rotazione in un grande numero di step (o
passi). Esso è considerato una scelta
ideale per tutte quelle applicazioni
che richiedono precisione nello
spostamento angolare a bassa
velocità di rotazione, come la robotica
ed i servomeccanismi in generale.
Vantaggi:
è possibile realizzare
azionamenti di precisione controllati
da computer ed è facile far compiere
6
all’albero piccole rotazioni angolari in entrambi i versi e bloccarlo in una
determinata posizione.
L’azionamento del motore passo-passo è stato fatto col metodo a scarica
capacitiva: abbiamo posto in serie ad ogni bobina un condensatore; le bobine
sono state alimentate con circa 10 volt che vengono mantenuti: la corrente
circola per un breve periodo fino a quando i condensatori non sono carichi e
diventano dei circuiti aperti; in seguito, i condensatori vengono fatti scaricare
attraverso le bobine producendo un impulso negativo di corrente simile a
400 Ohm
400 Ohm
10 Ohm
10 Ohm
400 Ohm
400Ohm
m
quello positivo. Inoltre, per una maggior sicurezza, è stato inserito anche un
circuito che da una corrente di mantenimento molto piccola rispetto a quella
che determina il movimento; tale corrente ha lo scopo di contrastare eventuali
perturbazioni dovuti a colpi di vento. Il circuito è costituito da resistenze di
circa 400 Ohm inserite in parallelo alle bobine ed ai condensatori.
Nel nostro caso, il motore passo-passo fa circa 700 passi per far compiere un
giro di 90° al pannello fotovoltaico da 5W; inoltre, è stato collegato al albero
del riduttore di giri in modo tale che non fosse sotto sforzo, mediante tubo
d’aria compressa.
Riduttore di giri: il riduttore di giri da noi
utilizzato ha un rapporto di trasmissione
di 1/70; ciò significa che il lato veloce
(ovvero l’ingresso) deve compiere 70 giri
per far compiere un giro al lato lento
(ovvero l’uscita) e, se non ci fossero
attriti, contemporaneamente la coppia in
uscita è settanta volte più grande di
quella in ingresso. Nel nostro progetto
7
esso è molto importante in quanto il motore passo-passo da solo non
riuscirebbe a muore il pannello; tra l’altro è adatto al nostro progetto anche
perché ci occorre che il pannello si muova lentamente in modo tale che riesca
a prendere più misure precise.
Pannello fotovoltaico da 5 Watt: esso è uno degli elementi essenziali del
progetto in quanto ha il compito di trovare i massimi e i minimi che poi
verranno analizzati dal programma Q-Basic.
Parte dalla posizione orizzontale fino ad
arrivare verticale (ovvero compie un giro di
circa 90°) per poi tornare indietro.
Per trasmettere i valori letti da esso,
utilizziamo un multimetro digitale che,
attraverso una porta seriale, manda i dati al
computer; inoltre è stata collegata una
resistenza ai capi del pannello per far circolare una corrente in modo da
riuscire a misurare la tensione erogata dal pannello stesso, in condizioni simili
a quelli del campo fotovoltaico vero; quindi tale resistenza simula il carico dei
pannelli fotovoltaici.
8
IL CONTROLLO INFORMATICO
Come già precedentemente espresso, il progetto “Fotovoltaico” è un'area di lavoro
in ambito energetico.
Essa si pone come obiettivo la realizzazione di un sistema elettromeccanico di
movimento di un campo fotovoltaico, il quale, seguendo i movimenti del sole, possa
produrre la massima energia possibile a seconda delle condizioni di lavoro (clima,
umidità, radiazione diretta o diffusa, ecc...).
Tale piano di lavoro, oltre ad avere contenuti tecnici di tipo meccanico ed elettrico,
richiede anche conoscenze a livello informatico, poiché tutto il sistema dovrà essere
controllato e diretto da un computer, il cui programma dovrà coordinare i singoli
elementi a cui i compiti sono affidati.
Il programma informatico è stato scritto nel linguaggio concettualmente più
semplice: il Basic.
UN PO' DI STORIA
In informatica “Basic” è acronimo di “Beginner's All-purpose Symbolic Instruction
Code” (cioè “codice ad istruzioni simboliche multiuso per principianti”).
Si tratta di un linguaggio di programmazione ad alto livello sviluppato verso la metà
degli anni Sessanta da John Kemeny e Thomas Kurtz presso il Dartmouth College
della Nuova Scozia, in Canada. Il Basic deve la sua popolarità alla relativa semplicità
con cui si apprende e si utilizza.
Nel corso degli anni il linguaggio ha conosciuto enormi perfezionamenti. Gli ultimi
sviluppi hanno portato a integrare la programmazione a oggetti nel linguaggio,
rendendolo quindi molto avanzato (il cui nuovo nome è Visual Basic). Soprattutto
nelle versioni per Windows, rimane anche oggi un linguaggio relativamente semplice
e trova tuttora numerose applicazioni; in particolare nella didattica, per compiti
semplici e, in generale, ovunque non si richiedano velocità molto elevate, poiché
tale linguaggio è normalmente lento se comparato, ad esempio, con il C++.
9
COME FUNZIONA
Il Basic viene compilato e si comporta esattamente come se una persona leggesse
un testo. I comandi vengono inseriti in righe lette dall'alto verso il basso ed eseguiti
nell'ordine in cui sono scritti. La maggior parte delle volte consistono in parole
inglesi il cui significato è il comando stesso.
Vi sono scritture specifiche accettate e riconosciute dal processore e possono essere
anche formule matematiche, in particolare equazioni e disequazioni letterali, ad una
o più variabili a seconda delle esigenze, anche goniometriche (nel qual caso gli
angoli desiderati, come da convenzione, verranno presentati in radianti).
Un particolare pregio è la possibilità di lavorare attraverso cicli ripetitivi, di cui il
Basic è dotato, di diverse tipologie (cosa che, per noi, è stata fondamentale).
IL NOSTRO PROGRAMMA
Come già anticipato, il programma deve ricevere informazioni dai diversi elementi
del sistema e metterne d'accordo il funzionamento; dunque il lavoro è stato
suddiviso in piccoli passi, ognuno dei quali si allaccia ad ogni componente,
comunicando con esso, attraverso il quadro elettrico, con diverse modalità.
Ecco, in ordine, i passi seguiti; il programma deve:
aprire tutte le porte, sia seriali sia parallele, per comunicare con i vari
elementi;
chiedere al tester (Fluke) la misura di tensione, cioè di radiazione solare
presente in quel momento (con questa operazione si entra nel ciclo più
grande, che comprende tutto il funzionamento dell'impianto);
sentire, ora come in qualsiasi altro istante, se vi sono dei comandi manuali di
arresto (i quali sono stati aggiunti per sicurezza e necessità, in caso di
interruzione per lavori da effettuare);
muovere di uno scatto il motore passo-passo, per cambiare gradualmente
l'inclinazione del pannello pilota;
riportare in un grafico, visibile sul monitor, la misura ricevuta, in modo che,
anche a livello visivo, si possa avere un'idea sommaria della situazione
10
all'esterno (questa fase e il movimento si ripetono fino alla conclusione del
giro, cioè finché il pannello pilota non abbia percorso tutto il tragitto
effettuabile dai pannelli grandi);
cercare i massimi ed i minimi locali. Durante il “giro di ispezione” del pannello
pilota, il processore salva in due appositi files i valori massimi e minimi di
tensione riportati sul grafico ed i relativi passi (inclinazione) in cui sono stati
rilevati, poiché verranno ripresi nelle fasi successive;
cercare tra i massimi salvati il più alto di essi, che corrisponderà alla maggior
radiazione presente ed il cui passo indicherà l'inclinazione ottimale per il
pannello grande;
effettuare un'interpolazione, attraverso alcune proporzioni ed il teorema
matematico di Carnot (necessario per lavorare sulla geometria non regolare
dei pannelli), per mettere in relazione i passi del pannello pilota con la
lunghezza di asta a cremagliera desiderata e comunicare al contapassi il
movimento da compiere;
alimentare il motore dei pannelli per raggiungere l'inclinazione ottimale (con
questa fase termina il ciclo, da qui si ritorna alla seconda fase).
PRECISAZIONE
Prima di entrare nel programma vero e proprio, occorre precisare in che modo il
computer comunica: esso è collegato ad ogni elemento tramite porte seriali o
parallele.
Si tratta di una comunicazione in codice binario (la base del linguaggio informatico
ed elettronico).
Ogni porta ha un numero prestabilito di cavi, cioè di bit per formare il codice, ed in
base al codice emesso dal computer (il quale altro non è che una tensione su cavi
precisi), si può inviare o ricevere comandi o informazioni da elementi esterni al
computer.
La porta seriale è più complessa rispetto alla parallela ed è gestita tramite il
software già installato nell'apparecchio utilizzato (che nel nostro caso è il fluke, un
tester particolare che permette di misurare grandezze diverse in modo molto
preciso).
11
La porta parallela lavora come già descritto e il suo compito, che verrà sottolineato
durante l'analisi del programma, è di alimentare nel modo corretto il motore passopasso, attraverso una scheda di contatti a relé.
TRASCRIZIONE E SPIEGAZIONE DEL PROGRAMMA
La trascrizione del programma è stata suddivisa e commentata in parti
corrispondenti alle fasi sopra riportate. Per facilitarne la comprensione, verranno
numerate le righe, così da permettere anche ad occhi inesperti l'orientamento.
Parte 1: Comunicazione con fluke per richiesta dato.
1
SCREEN 12 : t0 = TIMER : x = 0,8 : y = 20 : h = 380 : r = 300 : segno = 1
2
CLS
3
OPEN “massimi” FOR INPUT AS #3
4
OPEN “minimi” FOR INPUT AS #4
5
OPEN “com1: 2400, n, 8, 1, rs, ds” FOR RANDOM AS #2
6
OPEN “com2: 9600, n, 8, , cs, ds, cd” FOR RANDOM AS #1
7
PRINT #1, “vdc; format 1”
8
LINE INPUT #1, p$
9
LINE INPUT #1, q$
10
100 PRINT #1, “meas?”
11
LINE INPUT #1, p$
12
LINE INPUT #1, k$
13
LINE INPUT #1, q$
14
aa = VAL(k$)
12
15
a = INT(aa*100)/100
16
IF aa <= .01 THEN a = INT(aa*1000)/1000
17
LOCATE 1,1 : PRINT “a=”; a, “aa=”; aa, “passo=”; passo
All'inizio del programma è bene, anche per questioni di ordine, dichiarare tutte le
costanti che verranno utilizzate durante la stesura ed il lavoro (1).
OPEN... (3-6): comando di apertura di un file (3 e 4) o di una porta (5 e 6, seriali).
PRINT...LINE... (6-13): sono le istruzioni predefinite per comunicare con il fluke; ogni
strumento, infatti, ha la propria modalità.
aa = VAL(k$) (14): tra tutte le informazioni, anche letterali, trasmesse, questo
comando estrae dalla stringa di bit della seriale (6) il solo valore numerico, a cui
viene attribuito il nome “aa”.
a = INT(aa*100)/100 (15)
IF aa <= .01 THEN a = INT(aa*1000)/1000 (16): è l'approssimazione del dato; se troppo
piccolo (inferiore al centesimo di unità, viene
approssimato è chiamato “a”.
modificata la scala). Il dato
Parte 2: Comunicazione con il motore passo-passo e rotazione pannello
pilota.
18
10 a$ = INKEY$
19
IF a$ = ”d” THEN segno = -1
20
IF a$ = ”w” THEN segno = 1
21
IF a$ = ”p” THEN GOTO 250
22
IF segno = 1 THEN bit1 = 1
23
IF segno = 1 THEN bit2 = 2
24
IF segno = -1 THEN bit1 = 2
13
25
IF segno = -1 THEN bit2 = 1
26
OUT &H378, bit1
27
z = z +1
28
IF z < r THEN GOTO 10
29
z=0
30
OUT &H378, 1+2
31
z = z +1
32
IF z < r THEN GOTO 10
33
z=0
34
OUT &H378, bit2
35
z = z +1
36
IF z < r THEN GOTO 10
37
z=0
38
OUT &H378, 0
39
z = z +1
40
IF z < r THEN GOTO 10
41
z=0
42
passo = passo + segno*1
43
PSET (x * passo, h – y * aa)
Prima del movimento del motore passo-passo, sono stati inseriti, per comodità, dei
comandi manuali per fermare il ciclo, o per cambiare il senso di rotazione (in base al
valore dato alla variabile “segno”).
14
Sulla porta parallela (&H378) vengono dati due impulsi per eccitare le bobine del
passo-passo, tramite i relé, nella sequenza: primo alto, secondo alto, primo basso,
secondo basso.
In questo modo il motore si muove di uno scatto e grazie ad alcune prove effettuate,
sappiamo che un passo corrisponde ad un decimo di grado.
Infine il comando PSET (43) disegna il grafico con le variabili x e y definite nella
scrittura.
Sono stati, inoltre, inseriti i limiti dei passi da contare: 700 passi percorrono tutto il
campo di rotazione possibile al pannello grande. Dopo aver fermato la rotazione del
pannello pilota, il programma procede alla ricerca del massimo valore di tensione
registrato.
Parte 3: Ricerca valore massimo
44
DIM d(50) : DIM e(50) : z = 1 : y = 1
45
OPEN “massimi” FOR INPUT AS #3
46
49 INPUT #3, a, b, c
47
d(z) = a : e(z) = b
48
IF EOF(3) THEN indmax = z
49
IF EOF(3) THEN GOTO 42
50
z = z +1
51
GOTO 49
52
42 z = 1
53
1009
54
IF y = z THEN GOTO 59
15
55
IF d(y) < d(z) THEN d(y) = 0
56
IF d(y) < d(z) THEN e(y) = 0
57
59
58
z = z +1
59
IF z > indmax THEN GOTO 509
60
GOTO 1009
61
509 y = y +1
62
z=1
63
IF y > indmax THEN GOTO 309
64
GOTO 1009
65
309 k = 1
66
60 IF d(k) <> 0 THEN max = d(k)
67
IF d(k) <> 0 THEN passomax = e(k)
68
k = k +1
69
IF k > indmax THEN GOTO 70
70
GOTO 60
71
70 LOCATE 4,1 : PRINT max, passomax
72
xv = passomax
73
CLOSE #3 : OPEN “massimi” FOR OUTPUT AS #3
La ricerca inizia aprendo il file “massimi” per la lettura (46) e creando due matrici
alle quali dare un valore numerico e, grazie all'indice k o y, è possibile coprire tutto il
file: ogni indice corrisponde ad una riga.
Il confronto avviene per ogni valore con tutti gli altri, scorrendo le righe, fino alla
fine del file, saltando i confronti con se stesso. Il criterio è: se il numero confrontato
è minore, viene cancellato (azzerato), poiché non è massimo. Alla fine resterà un
16
solo valore, il nostro massimo, con il relativo passo a cui è stato trovato. Infine il file
viene chiuso per la lettura e riaperto per la scrittura (73).
Parte 4: Comunicazione con contapassi e movimento motore pannello
grande.
74
1110 PRINT #2, CHR$(27); CHR$(2)
75
INPUT #2, xe
76
a$ = INKEY$
77
IF a$ = ”p” THEN GOTO 250
78
LOCATE 5,1 : PRINT xe, xv
79
IF xe < (xv +3) AND xe>(xv -3) THEN g = 0
80
IF xe < (xv -3) THEN g = 16
81
IF xe > (xv +3) THEN g = 32
82
OUT &H378, g
83
c = c +1
84
IF c < 100 THEN GOTO 1110
85
IF g = 0 THEN GOTO 100
86
GOTO 1110
87
250 OUT &H378, 0
88
CLOSE
PRINT...INPUT... (74 e 75): comandi di connessione e richiamo di dati con il
contapassi. Il computer conosce, così, la posizione attuale dei pannelli grandi.
È stato individuato, durante le prove, un errore (cioè una zona “morta”, in cui il
comportamento è incerto) di 3 passi da parte del motore, causato dal transitorio per
17
l'arresto. Nel programma accettiamo un'incertezza di 3 passi (79,80e 81 ) per
raggiungere l'inclinazione desiderata.
Infine è stato posto il comando di chiusura di tutte le porte in caso di arresto
manuale (85 e 86).
NOTA BENE
Questa è la struttura generale, che riassume il funzionamento dell'intero impianto.
Tuttavia vi sono altri particolari che non sono stati inseriti, poiché ideati
successivamente la stesura della presente tesina.
La versione completa del programma, in corso di svolgimento, prevede anche un
sistema di autoregolazione tramite finecorsa magnetici, in modo da garantire un
funzionamento regolare, preciso ed automaticamente controllato sul periodo
stagionale.
18
Motore Monofase
a Condensatore
19
GENERALITA'
La macchina asincrona
La macchina asincrona (detto anche motore a induzione) è un dispositivo in grado
di prelevare energia elettrica dalla rete di alimentazione e trasformarla in energia
meccanica.
La macchina asincrona è costituita principalmente da due parti: statore e rotore;
STATORE: Il circuito magnetico statorico è formato da lamierini ferromagnetici di
forma cilindrica, isolati tra loro. Sulla circonferenza statorica vengono effettuate
delle cave, all' interno delle quali andrà inserito il circuito statorico; il numero delle
cave è ricavato durante il dimensionamento della macchina tramite calcoli precisi. La
forma di queste cave dipenderà poi da come vengono realizzati gli avvolgimenti
20
statorici, solitamente si distingue tra cave aperte (solitamente usate per le macchine
di elevata potenza) e cave semichiuse (utilizzate invece per macchine di minore
potenza).
L' avvolgimento statorico viene collegato alla rete di alimentazione tramite una
morsettiera con il principale compito di creare il campo magnetico induttore, più
precisamente un campo magnetico rotante.
Tipica
conformazione di
un circuito statorico
ROTORE: Il circuito magnetico rotorico ha forma circolare costituito anch' esso da un
pacco di lamierini ferromagnetici, dotati di cave per l' alloggiamento dell'
avvolgimento rotorico.
21
Il numero delle cave rotoriche è diverso dal numero di cave statoriche per evitare,
durante la rotazione, le posizioni cava-cava e cava-dente.
Esistono essenzialmente due tipologie di avvolgimenti rotorici:
ROTORE AVVOLTO: In cui sulla parte rotante vi è un normale avvolgimento
rotorico posto nelle cave; Le macchine con questa tipologia di avvolgimento
rotorico necessitano di reostato di avviamento che viene gradualmente
disinserito all' aumentare della velocità.
ROTORE A GABBIA: Da distinguere in gabbia semplice (o gabbia di scoiattolo),
doppia gabbia e gabbia semplice con barre alte. Il più utilizzato è quello a
gabbia di scoiattolo, sopratutto per le macchine di piccola e media potenza,
dove l' avvolgimento rotorico è costituito da barre conduttrici, collegate tra
loro mediante anelli circolari che mettono il circuito in cto-cto. In questo
modo si formano dei circuiti chiusi in grado di essere percorsi da correnti
indotte.
-Tipologia di circuito rotorico a gabbia di scoiattolo
(immagine sulla sinistra)
-Tipologia di circuito rotorico a rotore avvolto
(immagine sulla destra)
22
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UNA MACCHINA ASINCRONA
Alimentando gli avvolgimenti di statore si genera sulla circonferenza statorica un
campo magnetico rotante, avente velocità n1.
Questo campo magnetico nella sua rotazione agisce sull' avvolgimento rotorico,
creando su di essi delle forze elettromotrici indotte (legge di Lenz); in particolare nel
circuito rotorico verranno a circolare delle correnti indotte. Pertanto, su ogni
conduttore attivo, verrà a crearsi una forza che, per la regola della mano sinistra,
sarà uguale a F=BlI.
Queste forze, agendo sui conduttori, metteranno in moto il rotore, il quale avrà
una velocità n2 (velocità meccanica di rotazione del rotore).
CAMPO
FORZA
CORRENTE
Nella sua rotazione, avente direzione uguale a quella del campo magnetico rotante,
non raggiungerà mai la stessa velocità n1; questa differenza di velocità viene
chiamata scorrimento, indicata con s. Sarà proprio questa differenza tra campo
magnetico rotante e velocità di rotore che permetterà l' instaurarsi di tensioni e
correnti indotte, in grado di generare forza motrice capace di vincere la coppia
resistente e mantenere il rotore in rotazione; infatti, se n1=n2, non ci sarebbe più
variazione di flusso nei conduttori di rotore e pertanto non si genererebbero più
tensioni e correnti indotte e quindi forza motrice in grado di vincere la coppia
resistente.
23
La denominazione di questa tipologia di motori è data proprio dalla differenza di
velocità tra campo magnetico rotante e rotore, da qui asincrono.
MOTORE MONOFASE A CONDENSATORE
(MONOBIFASE)
Questa tipologia di motore, pur essendo monofase, si comporta come un motore
asincrono polifase.
Esso si compone di due avvolgimenti statorici dove uno dei due presenta in serie
un condensatore; in questo modo si potrà avere uno sfasamento di 90° tra le due
correnti. Questa disposizione delle correnti fa si che venga a generarsi un campo
magnetico rotante, come si ha nei normali motori asincroni.
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Grazie alla presenza del condensatore non abbiamo problemi riguardo all'
avviamento. Infatti in assenza di questo al posto di un campo magnetico rotante
avremo un campo magnetico alternato, il quale genera delle forze uguali e opposte
che non permettono al rotore di ruotare.
Riguardo alle caratteristiche di questo motore, esso presenta le stesse dimensioni
di un motore trifase; anche il rendimento è pressoché identico, mentre il cos φ
risulta maggiore per la presenza del condensatore.
Il dimensionamento di questo motore si effettua con gli stessi criteri di un motore
trifase, salvo che per l' avvolgimento a cui è collegato il condensatore, in modo da
avere un regime equilibrato, ovvero uno sfasamento di 90° tra gli avvolgimenti.
Avvolgimento
ausilairio
Avvolgimento
principale
25
Uno dei problemi più ricorrenti nei motori è quello dell' avviamento; con questa
tipologia di motore vi sono tre metodi principale per aumentare la coppia di
avviamento:
Aumento della capacità del condensatore, in questo modo è possibile
allontanare la condizione di normale funzionamento a regime equilibrato;
Utilizzo di due condensatori: uno permanentemente inserito, l' altro, avente
capacità adeguata, viene disinserito ad avviamento concluso ;
Utilizzo di un unico trasformatore al quale viene fatta assorbire una potenza
reattiva maggiore, grazie ad un autotrasformatore che, collegato ad esso, lo
sottopone ad una tensione maggiore di quella di normale funzionamento;
Uno dei problemi del motore mono-bifase riguarda il suo funzionamento a vuoto,
in quanto si possono creare delle sovratensioni sul condensatore; questo potrebbe
dare delle sollecitazioni al dielettrico.
Per sopperire a questo disguido la norma CEI stabilisce che per i motori aventi una
potenza fino ai 250 W, il funzionamento a vuoto non può permanere oltre i 20
minuti.
Qui sotto verrà riportata la tabella con illustrati i dati di targa del motore utilizzato
per la riuscita del progetto:
DITTA
COSTRUTTRICE
Vn
Bonato
& 230
Veronesi
V
(motori elettrici)
f
Pn
50 Hz 250 W
Nn
Cos φ
900 rpm 0,9
In
Coppia
2A
173 N*m
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Analisi dei Rendimenti con diverso Tilt
In questa mi tesina tratterò gli aspetti legati alla produttività dei pannelli fotovoltaici
in base all’inclinazione: riporterò dei grafici ”pre” e “post” il lavoro da noi svolto.
Da quest’analisi si noterà un netto miglioramento della produttività del sottocampo
da noi modificato.
Innanzi tutto è bene ricordare che la produttività media di un impianto PV dipende
in primo luogo dall’ irraggiamento solare, cioè dalla quantità di radiazione che il
pannello è in grado di assorbire.
Grazie alla possibilità di connetterci al server ftp del nostro istituto e alla rete di
comunicazione degli inverter (Sunny Web Box), ci è stato possibile raccogliere un
gran numero di dati relativi alla produttività del nostro impianto.
Inserendo in un qualsiasi motore di ricerca di internet, il seguente indirizzo:
217.133.100.238
è possibile, tramite le apposite
credenziali, accedere ad una pagina
elencante le specifiche tecniche e
realizzative dell’impianto.
Grazie alla grande quantità di dati a
nostra disposizione, ci è stato
possibile elaborarne un gran
numero ed analizzarne i dati per
valutare i progressi del progetto.
Di seguito rappresenterò alcuni grafici ponendo in relazione alcuni elementi
caratteristici quali l’ora del giorno, la produttività dell’impianto (in termini di
potenza)e la temperatura ( in quanto sappiamo che il rendimento di un impianto PV
dipende anche da questo fattore).
27
Grafici
-Irraggiamento e Temperatura.
Come già anticipato prima ci è stato possibile raccogliere un gran numero di dati di
vario tipo, in questo caso è illustrata la correlazione tra l’irraggiamento solare
1200
1000
800
irraggiamento
600
Temp Ambiente
temp modulo
400
200
00:35
01:15
01:55
02:35
03:15
03:55
04:40
05:20
06:00
06:40
07:20
08:00
08:40
09:20
10:00
10:40
11:20
12:00
12:40
13:20
14:00
14:40
15:20
16:00
16:40
17:20
18:00
18:40
19:20
20:00
20:40
21:20
22:00
22:40
23:20
0
(W/m^2) , la temperatura ambiente e la temperatura del modulo. Da questo grafico
è facilmente osservabile come a causa di una nuvola o di sopravvenuto buio
l’irraggiamento e, di conseguenza la produtività di un impianto, ne risenta le
conseguenze.
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-Irraggiamento e Potenze
3000
2500
2000
1500
irraggiamento
Sottocampo 1
Sottocampo Amorfo
Sottocampo 3
1000
500
00:35
01:15
01:55
02:35
03:15
03:55
04:40
05:20
06:00
06:40
07:20
08:00
08:40
09:20
10:00
10:40
11:20
12:00
12:40
13:20
14:00
14:40
15:20
16:00
16:40
17:20
18:00
18:40
19:20
20:00
20:40
21:20
22:00
22:40
23:20
0
Analizzando altri dati relativi allo stesso giorno del precedente grafico, è possibile
notare come nonostante il sottocampo 1 ed il sottocampo 3 , pur essendo costituiti
dai medesimi pannelli, abbiano rendimenti diversi. Nel corso della mattinata in cui i
dati sono stati raccolti, il sottocampo 3 (nonché quello fisso con un tilt di 30 °) ha
avuto una produttività maggiore perché per nostra scelta, il sistema di
autoregolazione del sottocampo 1 non era stato attivato. Dopo essere stato acceso
nel primo pomeriggio, il sistema ha cominciato a cercare il punto di massimo
rendimento, auto-orientando l’impianto del sottocampo 1 in modo da ottenere
l’irraggiamento più alto possibile. La differenza di potenza tra il sottocampo
orientato automaticamente ed il sottocampo fisso è stata di circa 400 W, fino
all’imbrunire, quando gli inverter hanno smesso di funzionare.
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Prospettive future per gli impianti fotovoltaici
Quando si pensa al pannello solare, viene spontaneo pensare ad un’estensione
rettangolare blu scuro, tendente al nero. Tuttavia, la ricerca nel campo della scienza
dei materiali, ha permesso negli ultimi anni di mettere a punto dei prototipi
costituiti da materiali diversi: Tra una decina d’anni, quindi, i pannelli in silicio mono
e policristallino potrebbero essere solo un vecchio ricordo.
Il protagonista della nuova generazione di pannelli fotovoltaici sembra essere infatti
il silicio amorfo che, nonostante la sua bassa resa, trova numerose applicazione
grazie alla sua alta adattabilità sui diversi tipi di superficie. La sua particolare
attitudine ad adeguarsi a qualsiasi tipo di materiale lo rende particolarmente
appetibile anche a designer ed architetti che impiegano il silicio amorfo anche nelle
applicazioni più impensabili.
Un esempio recente è dato dai cosiddetti “vetri solari”. Si tratta di veri e propri ,
pannelli trasparenti perché utilizzano il vetro come base lasciando così passare la
luce e potendo ricoprire superfici vetrate come lucernari, tetti e facciate. L’edificio ci
guadagnerà in risparmio energetico e in illuminazione naturale e diventerà
produttore “in proprio” e in maniera autonoma di energia.
Ma
vediamo
come
funzionano: I vetri fotovoltaici
sono in grado di assorbire la
luce grazie ad una speciale
vernice trattata con gel di
silicio amorfo che trasforma i
pannelli in semiconduttori. La
tecnologia oggi ha consentito
di rendere i vetri di una
trasparenza tale da poter
essere utilizzabili anche nelle
abitazioni. Anche il costo è
abbordabile e si aggira sulla metà del tradizionale pannello fotovoltaico.
Il gel può essere applicato sia in uno strato interno ai doppi vetri che
superficialmente e funziona come ottimizzatore per l’assorbimento dei raggi, così da
mantenere un grado di trasparenza del vetro del 30% e favorire così l’illuminamento
naturale. Nel caso dell’intercapedine si riesce a produrre fino a 300 watt/mq, per il
film steso sul vetro il sistema è in grado di generare fino a 100 watt/m^2.
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