Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Об'єктом досліджень курсового проекту є мікроконтролер STM32F407 VG на базі отладочного модуля STM32F4 Discovery і його застосування в системах управління поновлюваними джерелами енергії.

1. Актуальність теми

Зелена енергетика є зараз основним напрямком розвитку енергетики в Європі і світі. Наприклад, в Німеччині в даний час на всю йде процес відмови від атомної енергетики і до 2025 року планується закрити всі атомні електростанції.

Магістерська робота присвячена реалізації системи упраління фотоелектричними елементами, а саме реалізація алгоритму пошуку точки оптимальної потужності на базі мікроконтролера STM32F407VG.

2. Мета і задачі дослідження

Метою курсового проекту є вивчення 32-розрядних мікроконтролерів архітектури ARM Cortex-M4 на базі отладочной плати STM32F4 Discovery. Розробка лабораторного практикуму для вивчення основних можливостей, пристроїв і характеристик плати і управління нею системами автоматичного управління, систематизація, закріплення, вдосконалення мережі та розширення знань в області вивчення мікроконтролерів; навчання самостійному використанню технічної літератури, довідників, ГОСТів та інших необхідних джерел.

3. Особливості виробництва енергії сонячними генераторами

3.1 Способи отримання електрики і тепла з сонячного випромінювання

Фотовольтаїка - отримання електроенергії за допомогою фотоелементів.

Фотоелемент - електронний прилад, який перетворює енергію фотонів в електричну енергію.

Найбільш ефективними, з енергетичної точки зору, пристроями для перетворення сонячної енергії в електричну є напівпровідникові фотоелектричні перетворювачі (ФЕП), оскільки це прямий, одноступінчатий перехід енергії. ККД вироблених в промислових масштабах фотоелементів в середньому становить 16%, у кращих зразків до 25%. [7] У лабораторних умовах вже досягнуто ККД 43,5%, 44,4% , 44,7%

Застосування сонячних панелей в альтернативній енергетиці

Малюнок 1. Застосування сонячних панелей в альтернативній енергетиці

Сонячні електростанції не можуть працювати вночі, а також не можуть ефективно працювати в ранковий і вечірній час доби. При цьому пік енергоспоживання припадає на вечір. Крім того, продуктивність сонячної електростанції сильно змінюється в залежності від зміни погоди. Щоб подолати ці недоліки, потрібно або використовувати ефективні електричні батареї (сьогодні це невирішена проблема) або будувати електростанції зберігання, які займають велику площу, або необхідно використовувати концепцію водневої енергетики, яка до сих пір далека від економічної ефективності. [7] Проблема залежності продуктивності сонячної електростанції від часу доби і погодних. Поверхня фотоелеменотов повинна очищатися від пилу і інших забруднень. З їх площею в кілька квадратних кілометрів, це проблематично. Ефективність фотоелементів значно падає при нагріванні, тому існує необхідність застосування систем охолодження, зазвичай - систем водяного охолодження [7].

Сонячна батарея - кілька об'єднаних фотоелектричних перетворювачів (фотоелементів) - напівпровідникових пристроїв, прямо перетворюють сонячну енергію в постійний електричний струм, на відміну від сонячних колекторів, які виробляють нагрівання матеріалу-теплоносія.

Різні пристрої, що дозволяють перетворювати сонячне випромінювання в теплову та електричну енергію, є об'єктом дослідження геліоенергетики. Виробництво фотоелектричних елементів і сонячних колекторів розвивається в різних напрямках. Сонячні батареї бувають різного розміру: від вбудованих в мікрокалькулятори до займають даху автомобілів і будинків.

3.2 Особливості оптимальної роботи фотоелектричних елементів

Відомо, що світове споживання електроенергії щорічно збільшується, і, як очікується, подальше зростання буде обумовлене зростанням чисельності населення і зростаючими вимогами сучасного способу життя. Збільшення попиту на електроенергію призводить до швидкого виснаження традиційних викопних видів палива і загострює проблему забруднення навколишнього середовища [8]. Тому існує необхідність в розвитку альтернативних (відновлюваних) джерел енергії для забезпечення стійких енергопостачань споживачеві, а також для зменшення локальних і глобальних забруднень навколишнього середовища [6][8].

Сонячна енергія є одним з найбільш підходящих варіантів генерації електроенергії, оскільки вона невичерпна, абсолютно безкоштовна (з точки зору її доступності) і екологічно чиста. Багато країн переходять до використання фотоелектричних (ФЕ) систем вироблення електричної потужності навіть при високій їх собівартості. За всю історію вотоенергетікі були досягнуті великі успіхи в поліпшенні технології ФЕ осередків, проте загальна ефективність сонячного модуля все ще залишається на низькому рівні. На вольтамперної характеристиці (ВАХ) сонячного модуля існує унікальна точка з координатами (Umpp,Impp), в якій її вихідна потужність досягає свого максимуму [8]. Тому для досягнення максимальної ефективності сонячного модуля при побудові ФЕ системи необхідно використовувати алгоритм стеження за точкою максимальної потужності (MPPT - maximum power point tracking), для передачі в навантаження максимально можливу за даних умов потужність сонячного модуля.

Точка максимальної потужності на ВАХ сонячного елемента

Малюнок 2. Точка максимальної потужності на ВАХ сонячного елемента

3.3 Алгоритми пошуку точки максимальної потужності

У зарубіжній літературі описані численні методи MPPT різної складності. У комерційних виробах найбільш широко використовуються методи збурення і спостереження (perturbation and observation - PO) і зростаючої провідності (incremental conductance - 1C) за їх простих керуючих структур і зручності реалізації [8] . Для ФЕ систем з низьким рівнем точності відстеження MPP знаходять застосування такі методи, як метод постійної напруги (constant voltage - CV) і струму, короткого замикання (short-current pulse - SC), напруги холостого ходу (open circuit voltage - OC). Ці методи вимагають меншої кількості датчиків і недорогі в реалізації. З розвитком комп'ютерної техніки стали популярними методи пошуку MPP на основі обчислювального інтелекту (computational intelligence - C1) завдяки своїй адаптивної природі, які дуже ефективні при роботі в умовах часткового затінення сонячних модулів і швидкої зміни освітленості. Методи C1, як правило, діляться на методи штучного інтелекту (artificial intelligence - A1) і еволюційних обчислень (evolutionary computation - ЄС) [7].

Всі розглянуті нижче традиційні методи стеження за MPP можна класифікувати як методи збурення і спостереження. Основною ланкою ФЕ системи, представленої на рис. 2, є перетворювач постійної напруги (ППН), що погоджує вихідний опір сонячного модуля або батареї (СБ) з опором навантаження. В результаті вимірювання (спостереження) параметрів СБ алгоритм пошуку MPP коригує опорна напруга Uref, що є задає для формування нового значення вихідної напруги СБ і обурюють фотоелектричні систему [7]. Як регулятор напруги, як правило, використовується пропорційно-інтегральний регулятор або регулятор гістерезисного типу. У простіших реалізаціях методів стеження за MPP регулятор напруги може бути видалений з представленої структури, а широтно-імпульсний (ШІМ) модулятор буде формувати тривалість відкритого стану силового ключа ППН за результатами роботи алгоритму пошуку MPP, наприклад, змінюючи цю тривалість з постійним кроком в сторону збільшення / зменшення [8].

Типова структура управління для традиційних методів спостереження за ТМП

Малюнок 3. Типова структура управління для традиційних методів спостереження за ТМП

При аналізі ефективності того чи іншого методу пошуку MPP проводять порівняльний аналіз генерується сонячним модулем потужності при однакових інших умовах. У цьому випадку використовується ППН (понижуючого або підвищує типу) повинен забезпечити реалізацію кожного методу без зміни силових елементів. У роботі запропонована схема підвищує ППН з микроконтроллерной системою управління, що дозволяє реалізувати алгоритм обурення і спостереження.

Схема підвищуючого стабілізатора

Малюнок 4. Схема підвищуючого стабілізатора

4. Застосування мікроконтролерів в промисловості

Сучасні системи стають все складніше, і разработчкікі починають переходити на 32 - бітні системи. Потужність 8-бітників обмежена, при цьому їх вартість порівнянна з новими 32-бітними микроконтроллерами. STM32 - це мікроконтролер, побудований на ядрі ARM Cortex-M3 [2]. Дане ядро має багато переваг, які будуть перераховані нижче, але його основна перевага на сьогоднішній день - універсальність. За два роки Cortex-M3 став індустріальним стандартом. Про це свідчить те, скільки виробників, що приєдналися до даної архітектурі. Всі основні виробники мікроконтролерів, які присутні в Росії, крім Microchip, мають або розвивають рішення на основі цієї архітектури: STMicroelectronics, Texas Instrument, NXP, ATMEL, Analog Devices, Renesas і т.д. Компанія ST одна з перших випустила свої мікроконтролери Cortex-M3 (2007 г.) і швидко стала домінуючим гравцем на цьому ринку [3]. Якщо раптом знадобиться перехід з одного виробника на іншого (зрив поставок, відсутність потрібних бібліотек, нові функціональні вимоги, збільшення цін, і т.д.), то частина програмного коду, пов'язана з ядром, навіть не зажадає зміни. Необхідна буде тільки робота на рівні драйверів периферії. У підсумку виходить, що якщо писати програмний код з чітким розподілом між ядром і периферією, то можна забезпечити умови для дуже швидкого переходу з одного виробника на іншого. Залишається, звичайно, проблема переробки друкованої плати [5].

Одна з причин світової популярності сімейства STM32 - максимальний комфорт розробника. Якщо універсальність ядра STM32 дозволяє змінювати виробника c мінімальними витратами на програмний код, то pin-to-pin сумісність всередині сімейства STM32 дозволяє змінювати обсяг пам'яті (флеш-пам'ять і ОЗУ) і периферію (Ethernet, USB, CAN, і т.д.) , не чіпаючи друковану плату. «Pin-to-pin сумісність» означає, що для одного розміру корпусу все сигнали зберігаються на тих же самих вводах / висновках для різних варіантів мікроконтролерів сімейства [1].

Застосування мікроконтролера STM32F407VG в системі регульованого електроприводу

Малюнок 5. Застосування мікроконтролера STM32F407VG в системі регульованого електроприводу

Мікроконтролери STM застосовуються в основному у встраевимаех системах. Вони так само можуть застосовуватися в промисловості. Цьому сприяють низька вартість ядра, а також підвищені перешкодозахищеність і стійкість перед перешкодами, щодо мікроконтролерів того ж класу. Однак для застосування в промисловості, необхідно узгоджувати рівні сигналів, і самостійно розробляти всю необхідну силову обв'язку.

Висновки

Контролери MPP грають важливу роль в ФЕ системах, навантаженням яких є або акумуляторна батарея, або промислова мережа. При побудові автономних Безакумуляторна систем необхідність у відстеженні MPP відсутня.

Огляд алгоритмів пошуку MPP показує, що традиційні алгоритми володіють такими недоліками, як пульсації навколо MPP, помилки у відстеженні MPP при різких змінах умов навколишнього середовища. Тому на практиці застосовують модифікації традиційних алгоритмів.

Магістерська робота присвячена вивченню альтернативних джерел енергії та реалізації методу пошуку точки оптимальної потужності на базі мікроконтролера STM32F4. В рамках проведених досліджень виконано:

  1. Дослідження приципах і методів генерації енергії в поновлювані джерела енергії
  2. Вивчено алгоритми пошуку точки оптимальної потужності фотоелектричного елемента
  3. Реалізовано алгоритм методу спостереження і обурення з допомогою мікроконтролера STM32F4
  4. проаналізовані результати роботи

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: червень 2019 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Список джерел

  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