MATLAB GUI Arayüz Destekli Güneş Takip Sistemi

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
[email protected]
2
[email protected]
Özet
3
[email protected]
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