Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Объектом исследований курсового проекта является микроконтроллер STM32F407 VG на базе отладочного модуля STM32F4 Discovery и его применение в системах управления возобновляемыми источниками энергии

1. Актуальность темы

Зеленая энергетика является сейчас основным направлением развития энергетики в Европе и мире. Например, в Германии в настоящее время идет процесс отказа от атомной энергетики и к 2025 году планируется закрыть все атомные электростанции.

Магистерская работа посвящена реализации системы упраления фотоэлектрическими элементами, а именно реализация алгоритма поиска точки оптимальной мощности на базе микроконтроллера STM32F407VG.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью курсового проекта является изучение 32-разрядных микроконтроллеров архитектуры ARM Cortex-M4 на базе отладочной платы STM32F4 Discovery. Целью данной работы является разработка стенда на основе платы STM32Discovery под управление микропроцессора архитектуры ARM Cortex-M4 для управления домашней солнечной установкой .

3. Особенности вырабатывания энернии солнечными генераторами

3.1 Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения

Фотовольтаика — получение электроэнергии с помощью фотоэлементов.

Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию.

Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16%, у лучших образцов до 25%.[7] В лабораторных условиях уже достигнуты КПД 43,5%, 44,4%, 44,7%

Применение солнечных панелей в альтернативной энергетике

Рисунок 1. Применение солнечных панелей в альтернативной энергетике

Солнечные электростанции не могут работать ночью, а также не могут эффективно работать в утреннее и вечернее время суток. При этом пик энергопотребления приходится на вечер. Кроме того, производительность солнечной электростанции сильно изменяется в зависимости от изменения погоды. Чтобы преодолеть эти недостатки, нужно либо использовать эффективные электрические батареи (сегодня это нерешенная проблема) либо строить электростанции хранения, которые занимают большую площадь, или необходимо использовать концепцию водородной энергетики, которая до сих пор далека от экономической эффективности.[7] Проблема зависимости производительности солнечной электростанции от времени суток и погодных. Поверхность фотоэлеменотов должна очищаться от пыли и других загрязнений. С их площадью в несколько квадратных километров, это проблематично. Эффективность фотоэлементов значительно падает при нагревании, поэтому существует необходимость применения систем охлаждения, обычно - систем водяного охлаждения[7].

Солнечная батарея — несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя.

Различные устройства, позволяющие преобразовывать солнечное излучение в тепловую и электрическую энергию, являются объектом исследования гелиоэнергетики. Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается в разных направлениях. Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы до занимающих крыши автомобилей и зданий.

3.2 Особенности оптимальной работы фотоэлектрических элементов

Известно, что мировое потребление электроэнергии ежегодно увеличивается, и, как ожидается, дальнейший рост будет обусловлен ростом численности населения и возрастающими требованиями современного образа жизни. Увеличение спроса на электроэнергию приводит к быстрому истощению традиционных ископаемых видов топлива и обостряет проблему загрязнения окружающей среды[8]. Поэтому существует необходимость в развитии альтернативных (возобновляемых) источников энергии для обеспечения устойчивых энергопоставок потребителю, а также для уменьшения локальных и глобальных загрязнений окружающей среды[6][8].

Солнечная энергия является одним из наиболее подходящих вариантов генерации электроэнергии, поскольку она неисчерпаема, абсолютно бесплатна (с точки зрения ее доступности) и экологически чистая. Многие страны переходят к использованию фотоэлектрических (ФЭ) систем выработки электрической мощности даже при высокой их себестоимости. За всю историю вотоэнергетики были достигнуты большие успехи в улучшении технологии ФЭ ячеек, однако общая эффективность солнечного модуля все еще остается на низком уровне. На вольтамперной характеристике (ВАХ) солнечного модуля существует уникальная точка с координатами (Umpp, Impp), в которой ее выходная мощность достигает своего максимума[8]. Поэтому для достижения максимальной эффективности солнечного модуля при построении ФЭ системы необходимо использовать алгоритм слежения за точкой максимальной мощности (MPPT - maximum power point tracking), для передачи в нагрузку максимально возможную при данных условиях мощность солнечного модуля.

Точка максимальной мощности на ВАХ солнечного элемента

Рисунок 2. Точка максимальной мощности на ВАХ солнечного элемента

3.3 Алгоритмы поичка точки максимальной мощности

В зарубежной литературе описаны многочисленные методы MPPT различной сложности. В коммерческих изделиях наиболее широко используются методы возмущения и наблюдения (perturbation and observation – PO) и возрастающей проводимости (incremental conductance – 1C) за их простых управляющих структур и удобства реализации[8]. Для ФЭ систем с низким уровнем точности отслеживания MPP находят применение такие методы, как метод постоянного напряжения (constant voltage – CV) и тока, короткого замыкания (short-current pulse - SC), напряжения холостого хода (open circuit voltage – OC). Эти методы требуют меньшего количества датчиков и недороги в реализации. С развитием компьютерной техники стали популярными методы поиска MPP на основе вычислительного интеллекта (computational intelligence - C1) благодаря своей адаптивной природе, которые очень эффективны при работе в условиях частичного затенения солнечных модулей и быстрого изменения освещенности. Методы C1, как правило, делятся на методы искусственного интеллекта (artificial intelligence - A1) и эволюционных вычислений (evolutionary computation - ЕС)[7].

Все рассматриваемые ниже традиционные методы слежения за MPP можно классифицировать как методы возмущения и наблюдения. Основным звеном ФЭ системы, представленной на рис. 2, является преобразователь постоянного напряжения (ППН), согласующий выходное сопротивление солнечного модуля или батареи (СБ) с сопротивлением нагрузки. В результате измерения (наблюдения) параметров СБ алгоритм поиска MPP корректирует опорное напряжение Uref, являющееся задающим для формирования нового значения выходного напряжения СБ и возмущающим фотоэлектрическую систему[7]. В качестве регулятора напряжения, как правило, используется пропорционально-интегральный регулятор или регулятор гистерезисного типа. В более простых реализациях методов слежения за MPP регулятор напряжения может быть удален из представленной структуры, а широтно-импульсный (ШИМ) модулятор будет формировать длительность открытого состояния силового ключа ППН по результатам работы алгоритма поиска MPP, например, изменяя эту длительность с постоянным шагом в сторону увеличения/уменьшения[8].

Типовая структура управления для традиционных методов слежения за ТММ

Рисунок 3. Типовая структура управления для традиционных методов слежения за ТММ

При анализе эффективности того или иного метода поиска MPP проводят сравнительный анализ генерируемой солнечным модулем мощности при одинаковых прочих условиях. В этом случае используемый ППН (понижающего или повышающего типа) должен обеспечить реализацию каждого метода без изменения силовых элементов. В работе предложена схема повышающего ППН с микроконтроллерной системой управления, позволяющей реализовать алгоритм возмущения и наблюдения.

Схема повышающего стабилизатора

Рисунок 4. Схема повышающего стабилизатора

4. Применение микроконтроллеров в промышленности

Современные системы становятся все сложней, и разработчкики начинают переходить на 32 – битные системы. Мощность 8-битников ограничена, при этом их стоимость сопоставима с новыми 32-битными микроконтроллерами. STM32 – это микроконтроллер, построенный на ядре ARM Cortex-M3[2]. Данное ядро имеет много преимуществ, которые будут перечислены ниже, но его основное преимущество на сегодняшний день – универсальность. За два года Cortex-M3 стал индустриальным стандартом. Об этом говорит количество производителей, присоединившихся к данной архитектуре. Все основные производители микроконтроллеров, которые присутствуют в России, кроме Microchip, имеют или развивают решения на основе этой архитектуры: STMicroelectronics, Texas Instrument, NXP, ATMEL, Analog Devices, Renesas и т.д. Компания ST одна из первых выпустила свои микроконтроллеры Cortex-M3 (2007 г.) и быстро стала доминирующим игроком на этом рынке[3]. Если вдруг понадобится переход с одного производителя на другой (срыв поставок, отсутствие нужных библиотек, новые функциональные требования, увеличения цен, и т.д.), то часть программного кода, связанная с ядром, даже не потребует изменения. Необходима будет только работа на уровне драйверов периферии. В итоге получается, что если писать программный код с четким делением между ядром и периферией, то можно обеспечить условия для очень быстрого перехода с одного производителя на другой. Остается, конечно, проблема переделки печатной платы[5].

Одна из причин мировой популярности семейства STM32 – максимальный комфорт разработчика. Если универсальность ядра STM32 позволяет менять производителя c минимальными затратами на программный код, то pin-to-pin совместимость внутри семейства STM32 позволяет менять объем памяти (флэш-память и ОЗУ) и периферию (Ethernet, USB, CAN, и т.д.), не трогая печатную плату. «Pin-to-pin совместимость» означает, что для одного размера корпуса все сигналы сохраняются на тех же самых вводах/выводах для разных вариантов микроконтроллеров семейства[1].

Применение микроконтроллера STM32F407VG в системе регулируемого электропривода

Рисунок 5. Применение микроконтроллера STM32F407VG в системе регулируемого электропривода

Микроконтроллеры STM применяются в основном во встраевымаех системах. Они так же могут применяться в промышленности. Этому способствуют низкая стоимость ядра, а также повышенные помехозащищенность и помехоустойчивость, относительно микроконтроллеров того же класса. Однако для применения в промышленности, необходимо согласовывать уровни сигналов, и самостоятельно разрабатывать всю необходимую силовую обвязку.

Выводы

Контроллеры MPP играют важную роль в ФЭ системах, нагрузкой которых является либо аккумуляторная батарея, либо промышленная сеть. При построении автономных безаккумуляторных систем необходимость в отслеживании MPP отсутствует.

Обзор алгоритмов поиска MPP показывает, что традиционные алгоритмы обладают такими недостатками, как пульсации вокруг MPP, ошибки в отслеживании MPP при резких изменениях условий окружающей среды. Поэтому на практике применяют модификации традиционных алгоритмов.

Магистерская работа посвящена изучению альтернативных источников энергии и реализации метода поиска точки оптимальной мощности на базе микроконтроллера STM32F4. В рамках проведенных исследований выполнено:

  1. Исследование приципов и методов генерации энергии в возобновляемых источниках энергии
  2. Изучены алгоритмы поиска точки оптимальной мощности фотоэлектрического элемента
  3. Реализован алгоритм метода наблюдения и возмущения с помощью микроконтроллера STM32F4
  4. Проанализированны результаты работы

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2019 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Лабораторный практикум для изучения микроконтроллеров архитектуры ARM Cortex-M4 на базе отладочного модуля STM32F4 Discovery / Бугаев В.И., Мусиенко М.П., Крайнык Я.М. – Москва-Николаев: МФТИ-ЧГУ, 2013. – 71 с.
  2. Гербер Шилд. С++ Руководство для начинающих. 2-е издание. Пер с англ. – М.: Издательский дом Вильямс,2005-672с.
  3. Reference manual STM32F4 – RM0090 – Advanced ARM -32 bit MCUs
  4. STM32 Tutorial - Moritz Diller, Erlangen – 2014-72s.
  5. STM32 32-bit ARM Cortex MCUs - STMicroelectronics - http://www.st.com/en/microcontrollers/stm32-32-bit-arm-cortex-mcus.html?querycriteria=productId=SC1169
  6. Теория и практика энергосбережения - http://stroypuls.ru/pso/2012/143-sentyabr-2012/57618/
  7. Лукутин Б.В. Возобновляемая энергетика в децентрализованном энергоснабжении. Монография. –М.:Энергоатомиздат, 2008. – 231с.
  8. Роза А. Возобновляемые источники энергии. Физико-технические основы. –М.: Издательский дом МЭИ 2010, 704с