Optimalisatie van de energie-omzetting in zonnepanelen door actieve cel-reconfiguratie

Optimalisatie van de energie-omzetting in zonnepanelen door actieve cel-reconfiguratie Jelle Roets

Promotor: prof. dr. ir. Jan Doutreloigne Begeleiders: dr. ir. Pieter Bauwens, prof. dr. ir. Jan Doutreloigne Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: elektrotechniek

Vakgroep Elektronica en Informatiesystemen Voorzitter: prof. dr. ir. Jan Van Campenhout Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2011-2012

Optimalisatie van de energie-omzetting in zonnepanelen door actieve cel-reconfiguratie Jelle Roets

Promotor: prof. dr. ir. Jan Doutreloigne Begeleiders: dr. ir. Pieter Bauwens, prof. dr. ir. Jan Doutreloigne Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: elektrotechniek

Vakgroep Elektronica en Informatiesystemen Voorzitter: prof. dr. ir. Jan Van Campenhout Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2011-2012

Toelating tot bruikleen De auteur geeft de toelating deze masterproef voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de masterproef te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze masterproef. The author gives permission to make this master dissertation available for consultation and to copy parts of this master dissertation for personal use. In the case of any other use, the limitations of the copyright have to be respected, in particular with regard to the obligation to state expressly the source when quoting results from this master dissertation. Gent, Augustus 2012 De promotor, Prof. dr. ir. Jan Doutreloigne

De begeleider, dr. ir. Pieter Bauwens

De auteur, Jelle Roets

Woord vooraf Op het einde van het eerste masterjaar burgerlijk ingenieur moet het onderwerp van een thesis gekozen worden. Aangezien mijn interessegebied behoorlijk ruim is, bleek de keuze uit de enorme lijst van onderwerpen verre van triviaal. Na een eerste selectie heb ik enkele professoren om wat meer toelichting gevraagd. Een opgewekte en boeiende babbel met prof. Doutreloigne versterkte mijn interesse in deze thesis. Dit onderwerp heeft bovendien een interessant en concreet doel: het optimaliseren van zonnepanelen waardoor op termijn ook het milieu hiervan de vruchten kan plukken. In de eerste plaats wil ik dan ook mijn promoter prof. Doutreloigne bedanken voor het mogelijk maken van deze thesis. Ook mijn begeleider Pieter Bauwens verdient een speciaal woord van dank voor de vele hulp zonder dewelke dit werk niet mogelijk was geweest. Doorheen het jaar kon ik steeds bij hem terecht met al mijn vragen en problemen. De overlegmomenten waren verhelderend en leidden vaak tot nieuwe inzichten. Wegens de vele andere projecten tijdens het schooljaar waaronder onze deelname aan de Europese robotcompetitie robotchallenge, is het indienen van deze thesis met een paar maand uitgesteld. Ook tijdens de vakantie kon ik verder rekenen op de hulp van Pieter, hij heeft op het einde mijn thesis nagelezen en nog enkele significante opmerkingen gegeven. Ook mijn medestudenten in deze opleiding wil ik bedanken voor de prettige sfeer en de ontspannende lunchmomenten. In het bijzonder zijn dit Andreas, Daan en Sarah met wie ik het lief en leed van het schrijven van dit eindwerk kon delen. Mijn ouders, broers, vrienden, kotgenoten en mijn vriendin wil ik bedanken voor de vele steun niet alleen tijdens het schrijven van dit eindwerk maar ook gedurende de 5 jaar die nodig waren om deze boeiende opleiding tot een goed einde te brengen. In het bijzonder wil ik 2 mensen bedanken die eveneens een grote bijdrage tot dit eindwerk geleverd hebben. Niet op inhoudelijk vlak maar door het nalezen en verbeteren van taal- en schrijffouten. Aan mijn vriendin Sarah en mijn mama bedankt voor de vele leesuren. Jelle Roets Gent, 10 Augustus 2012

v

Optimalisatie van de energie-omzetting in zonnepanelen door actieve cel-reconfiguratie door Jelle Roets Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: elektrotechniek Academiejaar 2011-2012 Promotor: prof. dr. ir. Jan Doutreloigne Begeleiders: dr. ir. Pieter Bauwens, prof. dr. ir. Jan Doutreloigne Vakgroep Elektronica en Informatiesystemen Voorzitter: prof. dr. ir. Jan Van Campenhout Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Universiteit Gent

Samenvatting Een veel voorkomend probleem bij het gebruik van zonnepanelen is partiële schaduw. Wanneer bepaalde delen van het paneel minder belicht worden, zal er een elektrische mismatch ontstaan tussen de verschillende zonnecellen. Bij de gebruikelijke serieconnectie van zonnecellen zal dit het outputvermogen drastisch doen dalen en wordt het zonnepaneel praktisch onbruikbaar. Het gebruik van bypass-diodes vermindert deze gevolgen maar is nog verre van ideaal. Om dit probleem te verhelpen beschrijft dit eindwerk een systeem waarbij de zonnecellen dynamisch geherconfigureerd worden afhankelijk van de ogenblikkelijke belichtingstoestand om zo de mismatchverliezen tot een minimum te beperken. Voor de implementatie van dit systeem wordt een solid-state switchmatrix ontworpen in de I3T80 technologie van ON Semiconductor. De finale simulaties tonen aan dat deze ’slimme’ zonnepanelen in het geval van partiële schaduw 40 % tot 140 % meer energie kunnen opleveren dan de originele zonnepanelen .

Trefwoorden Zonnepaneel, Partiële schaduw, PV cel, Reconfiguratie, High-Voltage Switch Matrix,

Optimalisation of energy-conversion in solar panels, using active cell-reconfiguration Jelle Roets Supervisor(s): prof. dr. ir. Jan Doutreloigne, dr. ir. Pieter Bauwens Abstract—Photovoltaic plants all over the world suffer from the common problem of partial shade. Passing clouds, wind moving trees or the shade from a chimney can cover parts of the solar panel. Usual panels combine the power of different solar cells by the use of a simple serieconnection. The coverage by a couple of cells will drastically decrease the outputpower which makes the entire solar panel practically useless. This paper describes a dynamic reconfiguation system. Depending on the instantaneous illumination the cells are put in the optimal interconnection state to maximize the power output. By the use of a solid-state switchmatrix the different cells can connect to each other. As a result, the simulations prove that these ’smart solar panels’ can produce 40 till 100 % more electric power in the conditions of partial shade. Keywords— Solar Panel, PV cell, Partial Shade, Reconfiguration, Highvoltage Switchmatrix

I. I NTRODUCTION LOBAL warming is a fact. Different scientific papers have proven the fact of climate change. A report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) supposes human activities as a major cause. The concentration of greenhouse gasses increases owing to the intensive use of fossil fuels, deforestation, industrial and agricultural activities, etc. This problem triggers the research for alternative and renewable energy sources like wind turbines, hydropower installations, geothermal plants, biofuels and last but not least solar energy. Every day plenty of energy from the sun reaches the surface of the earth. A major research topic is the efficient conversion of this clean and free energy.

G

Solar panels make use of the photovoltaic effect to convert light energy into electric energy. The common and cheap material that makes this possible is a silicium solar cell. The produced voltage of a single solar cell is too low for practical usage. For this reason a solar panel combines the power of multiple cells in serie to raise the voltage. If some cells in this string produce less or no current due to partial shading, they also block the current from the non-shaded cells in the same string. This situation not only limits the outputpower but also leads to permanent damage to the cells. The shaded PV cells will carry a negative voltage and become loads of the ciruit, they dissipate the energy of the non-shaded cells in the form of heat. This phenomenom is known as the ’hot spot problem’. To solve the problem of hot spots in the solar panel, one often uses bypass diodes across the cells in serie. If these cells produce too few power the bypass diode will become positively polarized and carry the current. The shaded PV cells won’t dissipate power any longer but if there are some fully illuminated cells in the bypassed string, their power is completely lost. Moreover the bypass diode will also dissipate some power. This can drastically reduce the global efficiency of the solar panel.

So bypass diodes solve the problem of hot spots but decreases the ability to collect all available power. This is where active cell-reconfiguration techniques can offer a solution. If we can reconfigure all the cells of a solar panel in such a way that every part of the string produces the same amount of power (by combining multiple cells in parallel) no current mismatches will occur anymore. Furthermore none of the cells are bypassed so all available energy can be converted to the public grid. To achieve every possible configuration of solar cells a tremendous amount of connections and switches is required. So the optimal solution is a compromise between flexibility and cost of extra components. II. T HEORY AND MODEL OF A PV CELL For the simulation and comparison of different reconfiguration techniques some formulas and models are necessary. A. Circuit model of a PV cell This paper uses the typical one-diode model to represent a PVcell, as drawn in figure (1).

RS IPH

I

RSH

V

Fig. 1. Circuit model of a PV cell

V +I R q(V +I Rs ) s I(V ) = Iph − I0 e m k T − 1 − Rsh

(1)

According to Kirchhoff’s laws the I(V) characteristic is discribed by formula (1), where Iph represents the photocurrent (directly proportional to the illumination), Rs is the serie resistance and Rsh is the parallel resistance. As a Silicium solar cell is nothing more than a simple PN junction the most important part is the diode which leads to the typical exponentional curve of figure (2). This characteristic has a single Maximum Power Point (MPP) indicated by the blue rectangle. The short circuit current is equal to the photocurrent while the open circuit voltage is depending on the diode.

I Isc IMP

slope = 1/ Rsh

PT

(VOCA1 , VOCA 2 ,..., VOCA ( m−1), VOCA m) PV A1

I A1

I out

(V1, V 2,..., V m−1, V m)

PV1

I F1

VOCA1

PMAX slope = 1/ Rs VMP VOC

V

PV A2

PV 2

I F2 V2

m× m

The Switching Matrix

PV m−1

I F( m−1)

VOCA( m−1)

Fig. 2. Curve of a PVcell PV Am

B. Shade Impact Factor

I A2

I A( m−1)

Detection circuit

V1

VOCA2

PV A( m−1)

I out

I Am

Vout

MCU

R

V m−1

PVm

I Fm Vm

VOCA m

Control signal

Fig.7. The interconnection after reconfiguration

At present, the topologies usual reconfiguration algorithm To compare different and their robustness againstis connecting solar measure cells afterischecking partial shade partial shade, the a useful proposedwhether as the SIF or Shade happened. It will make the photovoltaic cells compensate Impact Factor[1]. It’s defined as the ratio of outputpower-loss to orlight-inputpower. defectively. This method is inefficient. While the theoverly loss of shading degree model-based fuzzy control algorithm resolves cells in the this problem. Since the Pshade adaptive Asys G bank might be (2)is SIF =the 1number − also partly shaded, of cells in the adaptive banks shade Bthe cells are limited. According to thePsys fuzzy Arules,

The adaptive bank

The fixed solar array

Fig.8. Reconfiguration system of solar PV array Fig. 3. Reconfiguration system for a solar PV array III. E XPERIMENT RESULT & C ONCLUSION

In order to verify the effectiveness of fuzzy control algorithm, we are experiment solar panel. switches needed inattheanother switchmatrix. AgainThe we TCT have for the submodules which are shaded seriously more 2 configuration (Fig. 9) contains 3 rows and 10 columns. Every Incompensated this formula P sys [W ] and Asys [m ] represent the nominal make a compromis between these parametres. first. The cells with the most irradiance of the adaptive bank to outputpower and the surface of an unshaded solar panel while cell has its own terminal. are connected to the most shaded submodule with the least Pshade [W ] and Ashade [m2 ] represent the ouputpower at shading IV. S WITCHMATRIX irradiance. The power losses of the submodules are different, conditions and the surface of the shade. The factor B/G[%] is so it needs to find the right amount of cells to compensate in This system is only useful when the increase in efficiency thethe intensity ofbank. the shade. An ideal solar of panel has a SIF factor adaptive It reduces the waste resources. compensates for the cost of extra components. There is a need ofD.1 which means the loss of outputpower is equal to the loss of Reconfiguration system of solar PV array for a compact and power saving switchmatrix. An obvious iminputpower, other theinto shade no impact. A simple The PVincells arewords: divided twohas parts: a fixed part and plemention makes use of relais. However a switchmatrix of reserie connection willFig. have a SIF factor much higher than one. an adaptive bank. 8 shows the right dotted line part is the lais will consume a lot of energy and will increase the dimenfixed solar array, and the left is the adaptive bank. In the sions of the solar panel in an unacceptable way. For this reasons uniform illumination, the adaptive SYSTEM bank can form one III. R ECONFIGURATION a fully integrated solid-state switchmatrix is designed without a additional column to the fixed part. If the cells are shaded, the (a) An ideal reconfiguration system can always collect the total system works with the shading degree model-based fuzzy static power consumption. By the use of a proper drive circuit available power in the system and thus has degree a SIF of = the 1. Since control algorithm, measures the shading cells in with galvanic isolation the switchmatrix is easy controllable by this a total flexibility of interconnections this is not rea- a microcontroller. This newly designed switchmatrix is suitable therequires adaptive bank, according tothe shading degree of each listic. In [2] different topologies of a fixed PV matrix like submodule, compensate the shaded submodules withTotally the cells for the use in an a reconfiguration system of a smart solar panel. Cross Tied in (TCT), Bridge link (BL) Honey Comb are required the adaptive bank, andand then change the (HC) connection V. S IMULATION AND RESULTS compared to the simple Serie Parallelthe connection (SP). Itshading points of the switching matrix, eliminate effect of partial and "hot spot", compensate for the loss of output power out that a totally cross tied matrix almost always produce the To prove the profit of this system a realistic situation is simucaused partial In not theactually system, voltages the of lated. An existing solar panel is taken as a starting point. This best results.bySince this shading. system does reconfigure submodules the fixed part open-circuit voltages of cells solar panel combines the power of 60 solar cells by the use of a cells, still someinmismatches canand occur. in the adaptive bank are measured through the external serieconnection. To avoid breakdown due to hot spots, 3 bypass (b) detection circuit. The outputtechnique current represented of the fixed [3] proposes a compensation by part figureis diodes areFig.9. added, across 20 cells as depicted Solareach PV array for Reconfiguration experimentin figure (4). measured through a Hall-effect transducer, these (3). This system devides the matrix current of PV cells in 2 parts:and a fixed The (5) experiment shows thesystem effect is of added. the shading degree In figure the reconfiguration The matrix is inputs are+ an calculated the The MCU. TheTCT corearray device of the solar array adaptive in bank. fixed consisting model-based fuzzyacontrol reconfiguration method. One row3 divided in 2 parts: fixed array of 12 rows, each containing is DSP56F801 from Freescale, using The the cells PE ofcontroller different rows, each with different cells in parallel. of the cells is(red a submodule. TheAll output of the PV cells inPV parallel framed cells). other voltage cells (green framed Expert) the output signal of(Processor the adaptive bank software can form of anCodeWarrior, additional column to each row cells is about 1.5V, connect the load 1.75Ω . The experiment cells) are part of the adaptive bank. By the use of a 24 × 12 controller amplifiedfor to the drive the switching inof order to compensate shaded cells. matrix composed result is shown in Table VI– Table VIII switchmatrix every adaptive cell can be added to a row of the of relays. A microcontroller calculates the illumination by sensing the fixed array.

current and voltage over each row. As a function of the shade These solar panels are installed on a rooftop nearby a chimpattern, the optimal configuration for the adaptive cells are de- ney. This chimney will cast a shadow depending on the position termined and the switchmatrix is adapted accordingly. This pro- of the sun. Each timestep the shape and intensity of the shade cess equalizes the current production of each row as well as pos- are calculated and the outputpower of each solar panel is simu180 sible to minimize the mismatches. The more degrees of freedom lated. The results are summarized in figure (6). this system has, the better his SIF factor will approach 1 but the

R EFERENCES 24 x 12 Switchmatrix

[1] C. Deline, Partially shaded operation of multi-string photovoltaic systems, Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 2010 35th IEEE, june 2010 [2] L. Villa, D. Picault, B. Raison, S. Bacha, and A. Labonne, Maximizing the power output of partially shaded photovoltaic plants through optimization of the interconnections among its modulest, Photovoltaics, IEEE Journal of, vol. 2, no. 2, pp. 154-163, april 2012 [3] Y. Liu, Z. Pang, and Z. Cheng, Research on an adaptive solar photovoltaic array using shading degree model-based recon guration algorithm, Control and Decision Conference (CCDC), 2010 Chinese, may 2010

Fig. 4. Existing solar panel

Fig. 5. Smart solar panel

Outputpower of solar panel

25

P available P existing P reconfiguration

P (W)

20 15 10 5 0

6

8

10

12 14 16 Time (hour of the day)

18

20

22

Fig. 6. Simulation of power output

The blue line represents the total available power and is directly proportional to the received light-intensity. In red the outputpower of the existing solar panel is simulated while the green line represents the output form the smart solar panel. The poweroutput of the existing solar panel is poor and highly dependent on the shape and place of the shade with respect to the bypassdiodes, this can be seen from the spikes in the curve. This simulation shows a clearly better performance of the smart solar panel in conditions of partial shadings. Averaged through the day, this smart panel can produce up to 40 % more power than the existing one. In its maximum the gain reaches a surplus of even a 140 %. VI. C ONCLUSION To limit climate changes, alternative and renewable energy sources are needed. This causes a raising tendency of the usage of solar panels. But all of these suffer from reduced efficiency under partial shading conditions. To avoid thermal breakdown, bypass diodes are added but they don’t solve the issue of decreased outputpower. To tackle this problem a reconfiguration system is proposed in which partial shaded cells of the fixed array can be compensated by the connection of cells from the adaptive bank. To implement this system een solid-state switchmatrix is disigned without static power consumption. A final simulation proves that this smart solar panel can produce 40 to 140 % more power than their existing counterparts.

Inhoudsopgave Toelating tot bruikleen

iv

Woord vooraf

v

Afkortingen 1 Inleiding 1.1 Situering . . . . . . . 1.2 Probleemstelling . . 1.3 Doelstelling . . . . . 1.4 Inhoud en structuur

xii

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

2 Theorie van de zonnecel 2.1 Model van een zonnecel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Fysische werking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Elektrisch equivalent . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Karakterisatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4 Simulatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Interconnectie van zonnecellen . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Serie- en parallelschakeling . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Mismatch door partiële schaduw . . . . . . . . . . 2.3 Maat voor efficiëntie van topologie . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Shade Impact Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Globale efficiëntie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Voorbeeld van simpele serie- en parallelschakeling . 3 Bestaande oplossingen 3.1 Bypass-techniek . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Diodes . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Switch . . . . . . . . . . . . . 3.1.3 Simulaties . . . . . . . . . . . 3.2 Reconfiguratie . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Variabele dwarsconnecties . . 3.2.2 Variabele compensatie cellen 3.3 Andere technieken . . . . . . . . . .

. . . . . . . . x

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . .

1 1 2 3 3

. . . . . . . . . . . .

4 4 4 4 5 7 8 8 9 10 10 11 12

. . . . . . . .

14 14 14 15 16 18 20 23 26

4 Switch 4.1 Soorten schakelaars . . . . . . . . . . . 4.2 Ontwerp van een solid-state schakelaar 4.2.1 DMOS schakelaar . . . . . . . 4.2.2 Aanstuurlogica . . . . . . . . . 4.2.3 Lokale voeding . . . . . . . . . 4.3 Totaal circuit . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 De schakelaar . . . . . . . . . . 4.3.2 Switch matrix . . . . . . . . . . 4.3.3 Fysische grootte . . . . . . . . 4.4 Conclusie . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Slim Zonnepaneel 5.1 Opbouw van het zonnepaneel 5.2 Simulatie van dagopbrengst . 5.2.1 Configuratie . . . . . . 5.2.2 Belichting . . . . . . . 5.2.3 Schaduwvorm . . . . . 5.2.4 Resultaten . . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . .

27 27 29 30 32 40 42 42 44 47 48

. . . . . .

49 49 51 51 52 53 55

6 Besluit 59 6.1 Conclusies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 6.2 Perspectieven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 A Falende aanstuurcircuits 62 A.1 Dynamische level shifter met pDMOS switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 A.2 Aanstuurcircuit met laagdoorlaat filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 A.3 Sample en Hold aanstuurcircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Bibliografie

72

Lijst van figuren

75

Lijst van tabellen

77

Afkortingen BL

Bridge Link

HC

Hill Climbing

HC

Honey comb

FF

Fill Factor

FF

Flip Flop

IPCC

Intergovernmental Panel on Climate Change

LPF

Low-Pass Filter

MEMS

Micro-Electro-Mechanical System

MPP

Maximum Power Point

MPPT

Maximum Power Point Tracker

NOCT

Nominal Operating Cell Temperature

OC

Open Circuit

P&O

Perturb and Observe

PS

Partial Shade

PV

PhotoVoltaic

PWM

Puls Width Modulation

QE

Quantum Efficiency

SBC

Shadow Border Connections

SC

Short Circuit

SIF

Shide Impact Factor

SF

Shading Factor

SP

Serie-Parallel

STC

Standard Test Conditions

TCT

Totally Cross Tied

xii

Hoofdstuk 1

Inleiding 1.1

Situering

De opwarming van de aarde is een feit. Meerdere wetenschappelijke studies hebben ondertussen aangetoond dat ons klimaat aan het veranderen is met verstrekkende gevolgen voor mens en milieu. De ijskappen op Antarctica en Groenland smelten verder weg wat een stijging van de zeespiegel veroorzaakt, sommige gebieden zullen met extreme hitte en droogte geconfronteerd worden, terwijl andere gebieden net een overvloed aan neerslag te verwerken zullen krijgen. Een bijkomend nadeel is de positieve feedback van deze tempertuurstijging: minder ijs betekent minder reflecterend oppervlak en dus een grotere absorptie van het zonlicht. Verder zal de verhoogde temperatuur ook voor extra waterdamp in de atmosfeer zorgen wat op zijn beurt weer een broeikasgas is. Het laatste rapport van het IPCC1 stelt dat het zeer waarschijnlijk is dat het grootste deel van de opwarming van de laatste 50 jaren kan worden toegeschreven aan menselijke activiteiten. De concentratie van broeikasgassen als koolstofdioxide (CO2 ) en methaan (CH4 ) stijgt door het verbranden van de natuurlijke reserves aan fossiele brandstoffen, industriële -en agrarische activiteiten, ontbossing, enz. Dat onze huidige industriële samenleving op deze manier onhoudbaar is, dringt ook stilaan bij het grote publiek door. Dit valt te merken aan de populariteit van allerhande ecolabels, groene overheidspremies, klimaatconferenties en initiatieven als Earth Hour en Earth day. De grotere aandacht voor het milieu en de uitputting van de fossiele brandstofvoorraden vormen de belangrijkste drijfveren voor het onderzoek naar alternatieve - liefst duurzame energiebronnen. En zo zijn er tal voorhanden: denk maar aan windturbines, waterkrachtcentrales, geothermische installaties, biobrandstof en last but not least zonne-energie. Gemiddeld bereikt er ongeveer 89 petawatt aan vermogen van de zon het aardoppervlak, enkele grootordes meer dan het gemiddeld energieverbruik van de totale wereldbevolking: 15 terawatt2 . Men is dan ook nog steeds op zoek naar manieren om deze gratis en schone energie zo efficiënt mogelijk om te zetten in bruikbare elektrische energie. Het is binnen dit domein dat 1

IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change; Organisatie opgericht door de Verenigde Naties, bestaande uit honderden wetenschappers uit de hele wereld 2 Cijfers dateren van 2008 en zijn afkomstig van Wikipedia

1

2

Hoofdstuk 1. Inleiding

Figuur 1.1: Gebruik van zonne-energie

ook deze thesis kadert, namelijk de optimalisatie van zonnepanelen bij niet-uniforme belichtingstoestanden door middel van actieve cel-reconfiguratie. Wat precies het probleem is van niet-uniforme belichting en wat de mogelijke oplossingen zijn, wordt duidelijk in volgende paragrafen en hoofdstukken.

1.2

Probleemstelling

Eén enkele zonnecel (van 5 cm bij 5 cm) levert typisch een vermogen van ongeveer een halve Watt bij een spanning van ongeveer 0.6 V, dit is uiteraard veel te weinig om praktisch bruikbaar te zijn. Daarom combineert een zonnepaneel het vermogen van meerdere zonnecellen met een bepaalde serie- en parallelschakeling om zo een hoger vermogen te kunnen afleveren. Dikwijls worden ook nog op module-niveau meerdere zonnepanelen in serie of parallel geplaatst vooraleer de geleverde spanning wordt omgezet naar de netspanning. Zonnepanelen hebben typisch een grootte van 1 tot enkele vierkante meters en worden ge¨ınstalleerd op de daken van huizen en fabrieksgebouwen, bovendien worden er volledige weiden en heuvelflanken mee bedekt. Een veel voorkomend probleem hierbij is niet-uniforme belichting van de grid van zonnecellen en -panelen. Zo kan de schaduw van een schoorsteen, boom of voorbijtrekkende wolk delen van een paneel bedekken. Maar ook vuil zoals blaadjes en stof dat op de zonnepanelen blijft kleven, kan ervoor zorgen dat niet elke cel evenveel licht ontvangt. Ook bij kleinere ge¨ıntegreerde zonnepanelen zoals in rekenmachines, kleren, voertuigen enzovoort komt dit probleem vaak voor. Dit heeft als nadeel dat de mindere opbrengst van 1 enkele cel de totale opbrengst van een volledige string drastisch kan doen dalen. Erger nog, deze cel zal zich gaan gedragen als een belasting voor het circuit, met andere woorden hij gaat de geleverde stroom van de niet-beschaduwde cellen gaan dissiperen en omzetten in warmte. Dit staat in de literatuur bekend als het probleem van hotspots. Bovendien zorgt de opwarming van de cellen voor een lagere opbrengst, een sneller verouderingsproces wat uiteindelijk leidt tot

Hoofdstuk 1. Inleiding

3

Figuur 1.2: Mogelijke oorzaken van partiële beschaduwing

defecten. Op module niveau zorgt partiële beschaduwing voor een elektrische mismatch tussen de verschillende panelen wat voor extra verliezen zorgt bij de conversie naar netspanning. Zo kan bijvoorbeeld een beschaduwing van 10 % leiden tot 50 % minder vermogenoutput. Een meer technisch onderbouwde uitleg volgt in hoofdstuk 2.

1.3

Doelstelling

Om dit probleem (deels) te vermijden, maakt men gebruik van bypass-diodes. Zo plaatst men standaard een bypass-diode over 1 of meerdere PV (PhotoVolta¨ısche) cellen. Deze diodes vormen een alternatief stroompad indien sommige PV cellen beschaduwd zijn. Zo voorkomt men het probleem van onnodige dissipatie en hotspots. Dit zal het globale efficiëntieverlies verminderen maar niet volledig vermijden. Indien sommige cellen minder stroom opleveren maar toch gebypassed worden dan is deze stroom onherroepelijk verloren, ook het probleem van mismatch blijft bestaan. Dit eindwerk heeft als doelstelling ook deze laatste problemen op te lossen. Hiervoor gaan we op zoek naar een manier om alle beschikbaar vermogen zo efficiënt mogelijk te benutten door middel van dynamische herconfiguratie van de cellen, afhankelijk van de ogenblikkelijke belichtingstoestand. Hiermee plaatsen we de verschillende cellen in een zo gunstig mogelijk serie/parallel netwerk om de vermogenoutput te maximaliseren.

1.4

Inhoud en structuur

Na deze inleiding volgt in hoofdstuk 2 de theoretische achtergrond van een zonnecel. In hoofdstuk 3 wordt een overzicht gegeven van de reeds bestaande oplossingen die in de wetenschappelijke literatuur beschreven zijn. In hoofdstuk 4 wordt een volledige switchmatrix ontworpen en getest, nodig voor de dynamische reconfiguratie. De efficiëntie van dit nieuwe systeem blijkt uit de simulatie uitgewerkt in hoofdstuk 5.

Hoofdstuk 2

Theorie van de zonnecel Voor we het eigenlijke systeem bespreken, is het nuttig de theorie en de fysische achtergrond van een fotovolta¨ısch systeem te herhalen. Dit zal leiden tot een beter begrip en inzicht in het systeem. Verder worden in dit hoofdstuk enkele belangrijke definities en formules gegeven.

2.1 2.1.1

Model van een zonnecel Fysische werking

Een zonnecel is in principe niets meer dan een gewone PN-junctie. Wanneer er fotonen invallen op deze junctie met minstens even grote energie als de bandgap van het halfgeleidermateriaal kunnen deze fotonen elektronen exciteren naar de conductieband. Als deze excitatie plaats vindt in het depletie-gebied van de PN-junctie zullen de lading van het gecreëerde elektronholte paar, door het ingebouwde veld daar, versnellen naar de contacten vooraleer ze kunnen recombineren. Dit noemt men het foto-elektrisch effect. Silicium heeft een bandgap van Eg = 1, 12 eV. Een simpele berekening leert ons zo dat silicium zonnecellen licht absorberen met een maximale golflengte van λ = hE·gc = 1100 nm. Licht met een veel hogere energie, en dus lagere golflengte, zal tevens niet bijdragen tot de fotostroom maar enkel de zonnecel opwarmen. Zo heeft een silicium zonnecel typisch een spectrale gevoeligheid tussen de 400 en 1100 nm. Aangezien deze PV cel dus gevoelig is voor het volledige zichtbare spectrum (waarin zich de meeste EM-energie bevindt afkomstig van de zon) en omdat silicium een goedkoop en makkelijk bewerkbaar materiaal is, worden bijna alle commerciële zonnepanelen uit silicium gemaakt. Enkel in high-tech toepassingen zoals bijvoorbeeld de ruimtevaart, waarin zeer hoge efficiënties vereist zijn, maakt men gebruik van andere halfgeleiders zoals GaAs.

2.1.2

Elektrisch equivalent

Uit de vorige paragraaf leiden we af dat een zonnecel in eerste instantie te modelleren valt met een diode-karakteristiek. De opgewekte stroom wordt voorgesteld door een parallelle stroombron evenredig met de ogenblikkelijke belichtingsintensiteit. De quantum-efficiëntie (QE) van de halfgeleider (eventueel gecorrigeerd met andere verliezen als kristaldefecten) stelt de evenredigheidsfactor voor. Verder treden er ook interne verliezen op in de PV cel 4

5

Hoofdstuk 2. Theorie van de zonnecel

zoals ohmse verliezen bij de contacten, deze worden voorgesteld door een serieweerstand Rs en een shunt weerstand Rsh . Uiteindelijk komen we zo tot het gangbare vervangschema van figuur 2.1. Er zijn uiteraard nog meer accurate modellen die bovendien ook rekening houden met de elektron-holte paren die toch recombineren en extra niet ohmse stroompaden, een voorbeeld hiervan is het twee-diodemodel dat voorgesteld wordt in [1]. Voor dit onderzoek volstaat echter het model zoals voorgesteld in volgende figuur:

RS IPH

RSH

I

V

Figuur 2.1: Vervangschema van een photovolta¨ısche cel

Met de wetten van Kirchhoff kan een IV karakteristiek afgeleid worden uit de figuur:

Hierin zijn

V +I R q(V +I Rs ) s I(V ) = Iph − I0 e m k T − 1 − Rsh

(2.1)

I[A] = geleverde stroom door de PV cel V [V ] = spanning over de PV cel Iph [A] = de fotostroom afhankelijk van de lichtintensiteit I0 [A] = saturatiestroom van de PN junctie q = 1, 602 · 10−19 Coulombs (elementaire lading) k = 1, 380 · 10−23 J/K (boltzmann constante) T [K] = temperatuur van de PV cel m = dimensieloze idealiteitsfactor (typisch getal tussen 1 en 2) Rs [Ω] = equivalente serie weerstand Rsh [Ω] = equivalente shunt weerstand

2.1.3

Karakterisatie

Er zijn verschillende factoren die een PV cel karakteriseren. Deze worden samengevat op figuur 2.2 en verder in deze paragraaf besproken: Isc is de kortsluitstroom. Indien we een ideale cel beschouwen (Rs = 0 Ω en Rsh = ∞ Ω) dan volgt uit formule 2.1 dat de kortsluitstroom gelijk is aan de fotostroom Iph . Isc is dus een maat voor de belichtingsintensiteit zoals te zien is op figuur 2.3.

6


I Isc IMP

slope = 1/ Rsh

PT

PMAX slope = 1/ Rs VMP VOC

V

Figuur 2.2: Karakterisatie van een zonnecel

VOC is de open-klem spanning. Veronderstellen we opnieuw een ideale cel dan wordt: Iph mkT VOC = ln +1 (2.2) q I0

Deze is zowel afhankelijk van de fotostroom als van de saturatiestroom van de diode en dus afhankelijk van het ontwerp van de PV cel. Verder zien we in deze formule ook dat de openklemspanning lineair toeneemt met de temperatuur van de cel. MPP is het Maximum Power Point. Aangezien vermogen gedefiniëerd is als het product van stroom en spanning komt het maximaal vermogen overeen met de grootst mogelijke rechthoek die binnen de IV-karakteristiek van de PV cel past (op figuur 2.2 aangeduid met een blauwe rechthoek). FF is de Fill Factor. Het is een maat voor de benadering tot het theoretische maximum vermogen, geleverd door de open-klem spanning en de kortsluitstroom. Deze is gedefiniëerd als: IM P VM P Pmax = (2.3) FF = PT ISC VOC Rs is de serieweerstand en wordt voornamelijk bepaald door de kwaliteit van de contacten. De geleidbaarheid van deze weerstand is af te leiden uit de IV karakteristiek als de helling van de curve bij open-klem spanning. Rsh is de shuntweerstand en stelt de alternatieve stroompaden tussen de elektroden voor. De geleidbaarheid van deze weerstand vormt de helling van de IV karakteristiek bij kortsluiting. Beide weerstanden be¨ınvloeden de fill factor: uit de figuur blijkt duidelijk dat de FF maximaal wordt wanneer Rs = 0 Ω en Rsh = ∞ Ω, met andere woorden als we een ideale cel beschouwen.

, waarbij Pin het invallend lichtver De globale efficiëntie wordt gedefiniëerd als η = PPout in mogen voorstelt en Pout het geleverde elektisch vermogen. Deze efficiëntie is van heel wat factoren afhankelijk zoals de QE, MPP, FF maar ook van de serie- of parallelschakeling van PVcellen en van de Shade Impact Factor (zie sectie 2.3).

RS

IL

RSH

V

cells, according adaptive bank:

j

7

Hoofdstuk 2. Theorie van de zonnecel Fig.4. Circuit model of a PV cell

GAj = α

V

mA / cm 2

The irradian

G

From (3) (4 voltage and curr C. Shading deg reconfiguration For TCT submodule that irradiance of ea so the ΔGFi is

W / m2

knowledge of th Fig.5. The relationship of voltage, current and irradiance into different le Figuur 2.3: Afhankelijkheid van (a) open-klem spanning en (b) kortsluitstroom van de belichting. different shading Bron [2] Photovoltaic cells receive the radiation energy of the number of PV c direct light and scattered light to electrical energy conversion. the algorithm is The relationship of voltage, current and irradiance is shown in 1) Check w Voor een Fig. gedetailleerde en the afleiding van deze voltage theorie wordt naar de 5, curve beschrijving a shows that open-circuit of theverwezen PV fixed solar array cursus Fotovolta¨ energieomzetting proportional [3]. cells ısche is approximately to the logarithm of original config irradiance, which means that when the weather is sunny and

photovoltaic arr conditions, the lot, so the maximum power point voltage of the cells is not We implementeren dit model in LTspice 1 , met deze PVcel kunnen we dan verder simulasame. In the non greatly affected by the irradiance. Curve b shows that the ties van interconnecties uitvoeren. Om een typische PVcel van 5 cm bij 5 cm te simuleren, some rows are short-circuit current of the cells increases in direct proportion gebruiken we de parameters zoals weergegeven in figuur 2.4(a). De efficiëntie van deze cel and be voltage with the irradiance increases. The output current of the PV 2 is berekend om bij 1000 W/m belichting een fotostroom van 1 A te verkrijgen. De power satura- produced cells is almost proportional to the irradiance. From this we can tiestroom see is hier dat we een open-klem spanning krijgen power van 0, 6ofV. Met dezevoltage o lower thatzoingekozen the normal working conditions, the output waarden zal cel een vermogen kunnen leveren van ongeveer 450 mW.we Decan fill factor wordt PVdeze cells is determined by the irradiance. Therefore, 2.1.4

Simulatie cloudy, the open-circuit voltage of PV cells doesn’t change a

mW zo F F = 1450 A · 0,6 V = 0, 75. De parameters van dit model zijn geschatte typische waarden en berusten dus niet op effectief gemeten waarden.

Rs

D1 DPVcell

50m

I1

+

V1

+

178 PV Plicht=1000

Rsh

{Plicht/1000}

10k

-

.model DPVcell D (Is=100p N=1)

(a) Vervangschema PV cell

.dc V1 0 0.6 0.01 (b) Testopstelling

Figuur 2.4: Simulatie van een PV cel

Zo bekomen we uiteindelijk de typische karakteristiek van figuur 2.5. 1

Een gratis SPICE simulator van Linear Technology: http://www.linear.com/designtools/software/

8

Hoofdstuk 2. Theorie van de zonnecel I(V) karakteristiek 1 I (A)

0.8 0.6 0.4 0.2 0

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.4

0.5

0.6

Vermogen

0.5

P (W)

0.4 0.3 0.2 0.1 0

0

0.1

0.2

0.3 Spanning (V)

Figuur 2.5: Karakteristiek van een PVcell

Veel studies maken gebruik van een analytisch MATLAB model [4]. Voor de simulatie van elektrische circuits is het gebruik van een SPICE simulator echter eenvoudiger en flexibeler. Daarom maken we in dit eindwerk systematisch gebruik van dit model in LTSpice.

2.2

Interconnectie van zonnecellen

Opdat zonne-energie praktisch bruikbaar zou zijn, moeten de zonnepanelen aangesloten kunnen worden op het algemeen elektriciteitsnet. Zoals hierboven aangetoond, produceert een zonnecel een DC-stroom bij een spanning van ongeveer 0, 6 V en geen 230 V AC. Voor deze conversie is namelijk een invertor nodig. Ook dit is geen ideale component en brengt verliezen met zich mee. Om deze verliezen tot een minimum te beperken, wordt het vermogen van verschillende zonnecellen eerst gecombineerd met een bepaalde serie- en parallelschakeling vooraleer het wordt omgezet naar de netspanning. Deze interconnectie kan echter op veel verschillende manieren gebeuren.

2.2.1

Serie- en parallelschakeling

Door de PVcellen in serie of in parallel te schakelen vergroten we respectievelijk de spanning of de stroom van de output. Wanneer alle zonnecellen in parallel geplaatst worden zoals in figuur 2.6(b) zullen er zeer hoge stromen optreden. Aangezien de ohmse verliezen van de interconnecties evenredig zijn met de stromen, is dit systeem inefficiënt. Wanneer we anderzijds alle zonnecellen in serie plaatsen (figuur 2.6(a)) zal het stroomniveau aanvaardbaar zijn maar kunnen er hoge spanningen ontstaan in het zonnepaneel, hetgeen de connectiecomponenten complexer maakt. Men moet dus een afweging maken tussen deze 2 parameters en zo een parallelschakeling van verschillende serie-strings implementeren.

9

Hoofdstuk 2. Theorie van de zonnecel 1A 60V 1A

0,6V

60 W

100A 0,6V 1A

0,6V

1A

0,6V

60 W

100 cells

100 cells

(a) Serie connectie

(b) Parallel connectie

Figuur 2.6: Interconnectiemogelijkheden PVcellen

2.2.2

Mismatch door parti¨ ele schaduw

Indien een aantal zonnecellen in deze interconnectie minder belicht worden dan anderen, zullen deze ook minder vermogen produceren. Dit verschil in vermogen veroorzaakt een elektrische mismatch wat de globale efficiëntie drastisch vermindert [5]. 0,2A 60V 10 x

0,2A 0,6V

0,8A

1A

0,6V

12 W 10 x

92 A 0,6V

1A

0,8A

0,6V

100 cells

(a) Serie connectie

1A

0,6V

0,2A 0,6V

55,2 W

100 cells


Figuur 2.7: Mismatch tussen PVcellen met verschillende belichting

We beschouwen opnieuw een serieschakeling van 100 PV cellen (figuur 2.7(a)), maar deze keer zijn 10 cellen in de string bedekt waardoor ze slechts 20 % van het lichtvermogen ontvangen en bijgevolg ook 80 % minder stroom produceren. Deze beschaduwde cellen limiteren bovendien de stroom in de volledige string. De 90 niet beschaduwde cellen produceren nog steeds 1 A maar moeten noodgedwongen 0, 8 A dissiperen via hun interne diode. Deze stroom is dus verloren en wordt omgezet in warmte. Als gevolg produceert de volledige string nu slechts 12 W, een verlies van 80 % terwijl er slechts 8 % minder licht ontvangen wordt. Dit geldt


10

enkel als de spanning over de string constant blijft. Stel dat het circuit belast wordt met een simpele lastweerstand waarbij enkele cellen geen stroom produceren. De spanning over de last wordt dus 0 V waardoor de volledige spanning van de werkende cellen over de beschaduwde cellen komt te staan, dit kan tot doorslag en vernietiging van de cellen leiden. Indien we opnieuw een parallelschakeling bekijken zien we dat deze verliezen veel minder zijn: (figuur 2.7(b)). Eén cel kan hier de stroom van de andere cellen niet blokkeren. Als nadeel hebben we hier opnieuw een hoge outputstroom.

2.3 2.3.1

Maat voor effici¨ entie van topologie Shade Impact Factor

Uiteindelijk is het doel van deze thesis om de matrix van de verschillende zonnecellen dynamisch te herconfigureren om de vermogenoutput te maximaliseren en de stroomverliezen te minimaliseren. Om de verschillende technieken objectief te kunnen beoordelen en vergelijken werd volgende formule opgesteld [6]: de Shade Impact Factor of kortweg SIF, deze geeft aan hoeveel keer het verlies aan geproduceerd elektrisch vermogen groter is dan het verlies aan inkomend lichtvermogen en wordt berekend met volgende formule: Asys G Pshade SIF = 1 − Psys Ashade B

(2.4)

Hierin zijn: Psys [W ] = nominaal vermogen van het onbeschaduwd zonnepaneel Asys [m2 ] = totale oppervlakte van het zonnepaneel Pshade [W ] = outputvermogen bij partiële schaduw Ashade [m2 ] = oppervlakte van de schaduw G[W/m2 ] = globale irradiantie = intensiteit van totale ontvangen licht = rechtstreeks licht + weerkaatst licht B[W/m2 ] = beam irradiantie = intensiteit van het rechtstreeks invallende licht.

De verhouding B/G kan dus gezien worden als een procentuele maat van schaduwintensiteit. Stel dat B/G = 1 dan wil dit zeggen dat er geen gescatterd licht is, met andere woorden als er schaduw optreedt dan bedekt die het zonnepaneel voor 100 %. Stel dat B/G = 0.5 dan wil dit zeggen dat de beschaduwde delen half zoveel vermogen ontvangen als de niet beschaduwde delen, enzovoort. Verder moet de SIF factor zo laag mogelijk zijn voor een hoge efficiëntie. Volgens het ideale scenario produceert het zonnepaneel maar 10 % minder vermogen wanneer er 10 % minder licht invalt. Dit systeem heeft een SIF = 1, hierbij is het outputvermogenverlies gelijk aan het inputvermogenverlies en blijft de globale efficiëntie van het systeem η ongewijzigd.

11


Men kan dit makkelijk inzien door volgende situatie te beshouwen: bedek 10 % van uw zonnepaneel met ondoorlatende tape (de verhouding is dan B/G = 1 en de verhouding Ashade /Asys = 0.1) en herschrijf de formule nu tot: Pshade B Ashade = 1 − SIF = 1 − 1 · 1 · 0.1 = 0.9 (2.5) Psys G Asys

We zien dus dat het vermogen bij partiële beschaduwing nu nog 90 % van het nominaal vermogen is, wat een verlies van 10 % inhoudt. Via een gelijkaardige redenering kan men inzien dat er bij SIF = 2 dubbel zoveel elektrisch vermogen verloren gaat als er inkomend lichtvermogen vermindert. Mogelijke oorzaken hiervoor zijn extra mismatchverliezen of stroomblokkering door beschaduwde cellen. Dit kan vermeden worden door een zonnepaneel te ontwerpen dat in alle situaties een SIF heeft die zo dicht mogelijk bij 1 ligt.

2.3.2

Globale effici¨ entie

De vorige secties maken duidelijk dat ook de schaduw op een zonnepaneel invloed kan hebben op de globale efficiëntie. We kunnen deze factor opsplitsen in 2 delen: Pout η= = ηpv · ηic (2.6) Plicht in In deze formule stelt ηpv de efficiëntie van een enkele zonnecel voor, dit is een materiaaleigenschap en dus afhankelijk van de gebruikte halfgeleider, het fabricageproces, enz. Anderzijds bepaalt ηic hoeveel procent van het beschikbaar elektrisch vermogen er effectief kan omgezet worden naar netspanning. Deze factor is dus afhankelijk van de schaduw en de gebruikte schakeling van zonnecellen. Uit de definitie van de Shade Impact Factor volgt dat er een rechtstreeks verband bestaat tussen de SIF en ηic . De SIF is gedefiniëerd als de verhouding tussen het verlies aan outputvermogen en het verlies aan inkomend lichtvermogen. SIF = Hierin zijn:

Pshade Psys av − PPsys

1− 1

(2.7)

Psys [W ] = nominaal vermogen van het onbeschaduwd zonnepaneel Pav [W ] = beschikbaar inputvermogen bij partiële schaduw Pshade [W ] = outputvermogen bij partiële schaduw

We gebruiken in deze formule telkens het elektrisch vermogen. Het elektrisch vermogen Psys en Pav kunnen rechtstreeks afgeleid worden uit het lichtvermogen via de omzettingsefficiëntie ηpv . De factor ηic wordt zo: Psys − Pshade Psys − Pav Psys − SIF (Psys − Pav ) Pshade = Pav Pav Psys ηic = (1 − SIF ) + SIF (2.8) Pav Formule 2.8 toont aan dat de efficiëntie van de interconnectie dus afhankelijk is van de SIF. SIF

=

12


2.3.3

Voorbeeld van simpele serie- en parallelschakeling

We kunnen nu de SIF berekenen van de simpele serie- en parallelschakeling van figuur 2.7. In beide gevallen krijgen 10 cellen van de 100 slechts 20 % van het nominaal vermogen, anders gezegd zorgt de schaduw voor 80 % verduistering: de verhouding is dan B/G = 0, 8 en de verhouding Ashade /Asys = 0, 1. Het nominaal vermogen van het onbeschaduwd zonnepaneel wordt berekend in figuur 2.6 en bedraagt: Psys = 60 W. Door de schaduw vermindert het beschikbaar vermogen met 8 % tot Pav = 55, 2 W. Bij beschaduwing reduceert de serieschakeling dit vermogen tot Pshade = 12 W terwijl deze bij de parallelschakeling nog steeds Pshade = 55, 2 W bedraagt. We berekenen zo met formule 2.5 en 2.8: SIFserie ηic

serie

SIFpara ηic

para

1 1 12 W · · = 10 = 1− 60 W 0, 1 0, 8 12 W = = 22 % 55, 2 W 1 55, 2 W 1 · = 1− · =1 60 W 0, 1 0, 8 55, 2 W = 100 % = 55, 2 W

(2.9) (2.10) (2.11) (2.12)

Simulaties De redeneringen in vorige secties zijn telkens gemaakt met ideale PV cellen en ideale interconnecties. Om meer realistische resultaten te verkrijgen, simuleren we telkens de circuits in LTspice met het PV model van sectie 2.1.4. I(V) karakteristiek

I(V) karakteristiek

120 1

100 80 Nominal PS

0.6

I (A)

I (A)

0.8

0.4

40

0.2

20

0

0

10

20

40

50

0

60

0.1

0.2

30

P (W)

40

30 20 10

0.3

0.4

0.5

0.6

0.4

0.5

0.6

Vermogen

50

40

0

0

Vermogen

50

P (W)

30

Nominal PS

60

20 10

0

10

20

30 Spanning (V)

40

(a) Serie connectie

50

60

0

0

0.1

0.2

0.3 Spanning (V)


Figuur 2.8: Simulatie van serie en parallelconnectie van PV cellen

In figuur 2.8 zijn in volle lijnen de karakteristieken van een volledig belichte schakeling van 100 PV cellen weergegeven (circuit van figuur 2.6). De vorm van de grafieken is gelijkaardig

13


aan die van één enkele zonnecel. Zoals theoretisch verwacht zorgt een serieschakeling voor een horizontale uitrekking naar een OC spanning van 60 V terwijl een parallelschakeling de I(V) karakteristiek verticaal uitrekt naar een SC stroom van 100 A. In stippellijnen zijn de karakteristieken van dezelfde schakeling onder partiële schaduw weergegeven (circuit van figuur 2.7). Ook deze volgen de theoretische voorspellingen: in de serieschakeling daalt het stroomniveau opmerkelijk en verschuift het MPP-voltage meer dan 10 V, in de parallelschakeling zijn deze veranderingen veel kleiner wat ook voor MPPT voordelig is. We gebruiken nu deze simulatiewaarden om opnieuw de SIF en efficiëntie van de schakelingen te berekenen. Hierbij veronderstellen we een perfecte invertor met een ideale MPPT (Maximum Power Point Tracker), we gebruiken dus steeds het maximum van de P(V) grafiek. De resultaten worden samengevat in tabel 2.1. Tabel 2.1: Vergelijking tussen theoretische waarden en simulatie van serie- en parallelschakeling

Serie

Parallel

Ideaal

Simulatie

Ideaal

Simulatie

60

44,8

60

44,8

55,2

41,2

55,2

41,2

Pshade [W]

12

11,1

55,2

41,1

SIF

10

9,4

1

1,03

ηic [%]

22

27

100

99

Psys [W] Pav [W]

Een simpele serieschakeling is dus zeer gevoelig voor partiële schaduw en leidt tot een onaanvaardbaar efficiëntieverlies: slechts 27 % van het beschikbare vermogen kan effectief opgevangen en omgezet worden naar de netspanning. Alle overige energie is verloren en zal enkel dienen om het zonnepaneel op te warmen. Een parallelschakeling heeft daarentegen geen last van mismatchverliezen (SIF = 1 en ηic = 100 %). Voor low-power toepassingen zoals rekenmachines, GSM’s en andere draagbare apparaten waar partiële schaduw frequent kan optreden, is een parallelschakeling voordeligst [7]. Voor de high-power productie van zonneenergie zal dit echter tot onaanvaardbaar hoge stromen leiden. Er is dus duidelijk nood aan een complexere oplossing.

Hoofdstuk 3

Bestaande oplossingen Het probleem van partiële schaduw bij zonnepanelen is al langer gekend en er zijn dan ook reeds verschillende oplossingen voor bedacht. Dit hoofdstuk bestudeert de oplossingen die in de wetenschappelijke literatuur voorgesteld worden, tevens worden deze oplossingen aan de hand van hun SIF-factor vergeleken.

3.1

Bypass-techniek

3.1.1

Diodes

Uit figuur 2.7(a) blijkt dat enkele slechtwerkende cellen de stroom in een volledige string kunnen blokkeren. Een eerste voor de hand liggende oplossing is dan ook om deze slechtwerkende cellen uit de string te verwijderen. Indien we rond elke cel een zogenoemde bypass-diode [8] plaatsen kan de stroom van de productievere zonnecellen toch passeren wanneer een zonnecel minder of geen stroom produceert. 1A 48V 10 x

0,8A -0,6V

0,2A

1A

0,6V

1A

0,6V

48 W

100 cells

Figuur 3.1: String van PV cellen met bypass-diodes: 10 beschaduwde cellen van de 100

Het grote nadeel van de bypass-diodes is dat we per gepasseerde cel opnieuw een diodedrempel aan spanning verliezen. In figuur 3.1 zijn slechts 10 cellen beschaduwd, toch zien we dat de spanning aan de output 12 V lager is dan het nominaal voltage van 60 V. De SIF voor dit 14

15

Hoofdstuk 3. Bestaande oplossingen schema wordt zo: SIFdiode

48 W 1 1 = 1− · · = 2, 5 60 W 0, 1 0, 8

(3.1)

Door het gebruik van bypass-diodes werd de SIF al behoorlijk verminderd in vergelijking met 48 W figuur 2.7(a). Er wordt nu 55,2 W = 87 % van het beschikbaar vermogen opvangen.

3.1.2

Switch

Om nog minder spanning te verliezen kunnen de diodes vervangen worden door schakelaars die sluiten wanneer zijn zonnecel te weinig vermogen produceert. Een ideale schakelaar heeft geen serieweerstand en zal sluiten wanneer deze actie tot een verhoging van het outputvermogen kan leiden (figuur 3.2(a)). Een ideale schakelaar bestaat uiteraard niet en moet dus vervangen worden door een chip met een gelijkaardig gedrag: op figuur 3.2(b) is dit een MOS schakelaar met een aan-weerstand van 100 mΩ. 1A

1A 54V

10 x

0,2A

0,8A 0V

1A

0,6V

1A

0,6V

100 cells

53,2V 0,2A

10 x

54 W

0,8A -80mV

1A

0,6V

1A

0,6V

53,2 W

100 cells

(a) Ideale switch

(b) IC als switch

Figuur 3.2: String van PV cellen met bypass-switches

De waarden uit de figuur tonen aan dat het vervangen van de bypass-diodes door schakelaars de SIF kan halveren: 54 W 1 1 SIFswitch = 1− · · = 1, 25 (3.2) 60 W 0, 1 0, 8 53, 2 W 1 1 SIFIC = 1− · · = 1, 42 (3.3) 60 W 0, 1 0, 8 Bij het gebruik van een realistische IC als schakelaar verhoogt de SIF weer een beetje. Een mogelijke implementatie van deze schakelaar wordt voorgesteld in figuur 3.3 [9]. Dit circuit samplet periodiek de spanning over de bypass-diode. Wanneer de diode voorwaarts gepolariseerd is, wil dit zeggen dat de stroom door de diode loopt en de zonnecel zelf onvoldoende stroom genereert. In dit geval zal het circuit een nMOS-switch activeren waardoor de zonnecel kortgesloten wordt. Wanneer de sampler merkt dat de diode achterwaarts gepolariseerd wordt omdat de PV cel nu wel vermogen produceert, zal de nMOS gedesactiveerd worden.

Hoofdstuk 3. Bestaande oplossingen

16

Figuur 3.3: Mogelijke implementatie van bypass-switch. Bron [9]

In bestaande zonnepanelen wordt het bypass-mechanisme dikwijls over meerdere cellen geplaatst (een submodule) dit om het aantal extra componenten te beperken. Dit kan enerzijds de SIF opnieuw doen stijgen door mismatchverliezen binnen een enkele submodule. Anderzijds kan dit de verliezen ook enigzinds beperken: wanneer een submodule uit 10 PV cellen in serie bestaat en deze wordt gebypassed omwille van schaduw dan zal een enkel bypassmechanisme minder verliezen opleveren dan een serieschakeling van 10 mechanismen. Over de ideale grootte van zo’n submodule zijn ook al meerdere studies gevoerd [10][11]. Hier worden telkens alle systemen op cel-niveau gesimuleerd. De resultaten kunnen makkelijk uitgebreid worden door de karakteristiek van een enkele cel te vervangen door die van een submodule, er wordt dan wel geen rekening gehouden met interne verliezen binnen die submodule.

3.1.3

Simulaties

Wanneer we deze serieschakeling van PV cellen met een bypass-mechanisme simuleren in LTspice zien we een bijkomend nadelig effect: het optreden van meerdere pieken in de P(V) grafiek. Figuur 3.4 toont de simulaties van een seriestring van PV cellen met een bypass-diode. De OC stroom is opnieuw 1 A, de bypass-diodes voeren hier immers de overige stroom die de beschaduwde cellen niet produceren. Doordat deze diodes nu stroom voeren zal er ook een spanning over staan, tegengesteld aan de spanning van de PV cel. Hierdoor kan de spanning niet hoger oplopen dan ongeveer 48 V. Wanneer we dit zonnepaneel toch belasten bij een hogere spanning zullen ook de niet beschaduwde cellen minder stroom produceren (zoals te zien is op figuur 2.4), een deel van de fotostroom zal nu immers door hun interne diode vloeien. Eenmaal ook deze cellen slechts 0, 2 A genereren stoppen de bypass-diodes met werken. De spanning waarbij deze overgang plaatsvindt, wordt het inflection point genoemd [12]. Het aantal inflection points in de karakteristiek is afhankelijk van het aantal verschillende schaduwintensiteiten die optreden in het zonnepaneel. Wanneer we een serieschakeling maken van 3 zonnecellen met elk een verschillende belichting, zullen er ook 3 stroomniveau’s optreden

17


I(V) karakteristiek

1.2 1

I (A)

0.8 0.6 0.4

Inflection point

0.2 0

0

10

20

30

40

50

60

40

50

60

Vermogen 40

P (W)

30 20 10 0

0

10

20

30 Spanning (V)

Figuur 3.4: Simulatie van seriestring PV cellen met bypass-diodes

en dus 2 inflection points. Het grote nadeel van een gedistribueerde curve is dat ook de P(V) karakteristiek nu verschillende pieken zal vertonen. Dit maakt het voor de MPPT een stuk moeilijker om alle beschikbare vermogen uit het zonnepaneel te extraheren. Er zijn reeds verschillende algoritmes ontwikkeld voor maximum power point trackers [13]. Bij Hill Climbing wordt de spanning systematisch opgedreven tot een maximum van het vermogen bereikt wordt. In het P&O (Perturb and Observe) algoritme wordt de lastspanning telkens een beetje aanpast en observeert de MPPT of het outputvermogen stijgt. Een nadeel van deze simpele MPPT is dat ze kunnen vastraken in een lokaal maximum (bijvoorbeeld 2e piek bij ongeveer 55 V op grafiek 3.4) terwijl er een hoger globaal maximum kan bestaan. Om dit probleem aan te pakken zijn er meer complexere algortimes ontwikkeld zoals in [13]. Ook neurale netwerktechnieken worden aangesproken om efficiënt het globale MPP te vinden [14] of om de P(V) karakteristiek te schatten [1]. Het gebruik van een (ideale) switch in plaats van bypass-diodes zal het optreden van inflection points niet vermijden, deze punten zullen enkel verschuiven in spanning. Voor elk van de 3 ciruits wordt uit de grafiek het MPP berekend en vergeleken met de theoretische waarden in tabel 3.1. Het gebruik van realistische diodes verlaagt opnieuw de poweroutput maar verder komen de gesimuleerde SIF waarden goed overeen met de theoretische verwachtingen. We zien ook dat met het gebruik van een smart bypass-systeem ongeveer 95 % van de energie benut kan worden. De verschillende pieken in de P(V) karakteristiek blijven echter een nadeel voor de MPPT.

18


Tabel 3.1: Vergelijking tussen theoretische waarden en simulatie van PV array met bypass-techniek

Diode

IC switch

Ideaal

Simulatie

Ideaal

Simulatie

Ideaal

Simulatie

60

44,8

60

44,8

60

44,8

55,2

41,2

55,2

41,2

55,2

41,2

Pshade [W]

48

33,4

54

40,1

53,2

39,4

SIF

2,5

3,2

1,25

1,32

1,42

1,51

ηic [%]

87

81

98

97

96

95

Psys [W] Pav [W]

3.2

Ideale switch

Reconfiguratie

Met de bypass-techniek uit vorige sectie kunnen we ervoor zorgen dat de minder productieve PV cellen de stroom van de overige cellen niet blokkeert. Maar ook de beschaduwde cellen produceren nog enige energie die met de bypass-techniek verloren gaat. Indien we de configuratie van de zonnecellen zo kunnen aanpassen dat we ook deze stroom kunnen benutten, zal de efficiëntie opnieuw stijgen [15] [16]. In het gebruikte voorbeeld kunnen we bijvoorbeeld 5 beschaduwde cellen in parallel plaatsen, de 5 beschaduwde cellen genereren hier immers evenveel stroom als een niet-beschaduwde cel: zie figuur 3.5. 1A

55,2V 5x

0,2A

0,2A

0,6V

5x

0,2A

0,2A

0,6V

1A

55,2 W

0,6V

100 cells

Figuur 3.5: Reconfiguratie van PV cellen

SIFreconf ig

55, 2 W 1 1 = 1− · · =1 60 W 0, 1 0, 8

(3.4)

We merken dat door de cellen te herconfigureren afhankelijk van hun ogenblikkelijke belichtingstoestand, het zonnepaneel alsnog een SIF factor van 1 kan halen. Dit systeem heeft dus een ηic = 100 % en kan alle beschikbare energie benutten. Ook de simulaties bevestigen dat

19


alle beschikbare energie omgezet kan worden. Als we de vorm van deze grafiek bekijken zien we het bijkomend voordeel dat ook de inflection points verdwenen zijn waardoor de P(V) karakteristiek opnieuw een enkel maximum heeft. Vermogen 40

P (W)

30 20 10 0

0

10

20

30 Spanning (V)

40

50

60

Figuur 3.6: Vermogen karakteristiek: herconfiguratie van PV cellen

De belichtingstoestand van een zonnepaneel kan echter snel veranderenen in functie van de tijd als gevolg van voorbijtrekkende wolken, bomen, e.d. Om continu in alle gevallen een SIF factor van 1 te kunnen garanderen moet ook de configuratie van zonnecellen kunnen veranderen in de tijd. Aangezien elke vorm en intensiteit van schaduw mogelijk is, moet in het ideale geval de matrix van zonnecellen in elke configuratie kunnen gebracht worden. Uit figuur 3.7 blijkt dat dit al snel voor een bedradingsprobleem zal zorgen: om elke cel met elke cel in de 2 polarisaties met elkaar te kunnen verbinden stijgt het aantal nodige connecties kwadratisch met het aantal zonnecellen. Formule 3.5 geeft het aantal nodige draden weer voor een zonnepaneel met n × n PV cellen.

Actieve cel‐reconfiguratie

Figuur 3.7: Willekeurige interconnectie van 3 × 3 PV matrix

#draden = 2n2 n2 − 1

(3.5)

20


Om dit te implementeren bij een realistisch zonnepaneel met enkele tientallen cellen zal een zeer grote hoeveelheid draden en schakelaars nodig zijn. Dit zal het zonnepaneel onrealistisch groot, zwaar en duur maken. We moeten dus op zoek gaan naar een haalbare oplossing die een afweging maakt tussen efficiëntiewinst en kost van extra componenten.

3.2.1

Variabele dwarsconnecties

Een eerste oplossing is de zonnecellen in een vaste matrix plaatsen waarbij de horizontale verbindingen kunnen gelegd of verbroken worden. In [17] [18] en [19] worden de verschillende topologieën besproken die weergegeven zijn in figuur 3.8: Om het vermogen van verschillende PV cellen te combineren kan men een simpele Serie/Parallel (SP) schakeling maken van de verschillende cellen. BL staat voor Bridge Link en is gebaseerd op een wheatstonebrug schakeling. Wanneer alle cellen zowel in serie als parallel geschakeld staan, spreken we van een Totally Cross Tied (TCT). De Honey Comb (HC) schakeling is gebaseerd op een honingraat patroon, waarbij er zich in elk hoekpunt een PV cel bevindt.

(a) SP

(b) BL

(c) TCT

(d) HC

Figuur 3.8: Verschillende topologiën met variabele dwarsconnecties

Deze studie onderzoekt de poweroutput van de verschillende topologieën bij verschillende schaduwvormen en intensiteiten SF (Shading Factor). Hierbij worden de PV cellen voorgesteld door een hun equivalent elektrisch schema (zoals in figuur 2.1) met een bypass-diode in parallel. Met deze cellen wordt een matrix gesimuleerd van 3 cellen breed en 5 cellen lang. De resultaten worden mooi samengevat in figuur 3.9. Men stelt vast dat voor een brede schaduw waarbij alle strings bedekt worden geen enkele topologie de efficiëntie kan verhogen. Voor de overige schaduwtypes blijkt een TCT matrix het vermogen met enkele procenten te doen stijgen. Hieruit blijkt dat de TCT de beste oplossing vormt om de mismatch verliezen door partiële schaduw tot een minimum te beperken. Bij deze configuratie worden alle horizontale interconnectiepunten verbonden. De studie voert verder een optimalisatie uit om de redundante verbindingen te elimeneren zodat het aantal extra connecties eveneens tot een minimum beperkt wordt. De belangrijkste conclusie is het volgend citaat[17]:


21

Figuur 3.9: Meest efficiënte topologie per schaduwtype. Bron [17]

An optimal topology creates an alternative path that best redistributes current ” among shaded and unshaded modules using the minimum amount of interconnections” Dit principe wordt eveneens duidelijk gemaakt in figuur 3.10, waaruit blijkt dat connecties best aan de rand van de schaduwzones gelegd worden. Deze topologie zullen we vanaf nu SBC of Shadow Border Connections noemen.

Figuur 3.10: Beste topologie voor een gegeven vorm van partiële schaduw. Bron [17]

Simulaties Om deze techniek te kunnen vergelijken met de vorige simuleren we ook deze circuits. We implementeren volgend schema in LTSpice met een min of meer random gekozen partiële beschaduwing: zoals aangegeven op volgende figuur strekt de schaduw zich uit over de cellen X1, X4, X5, X7 en X8. De schaduw is dus ongeveer van het type Long & Narrow. Bij de eerste simulatie laten we deze matrix onbeshaduwd zodat deze een lichtvermogen van 15 kW/m2 · Apv ontvangt ( hierin stelt Apv de oppervlakte van een enkele zonnecel voor). Bij het volledige lichtvermogen krijgen we een outputvermogen van Psys = 6, 72 W. Door de schaduw van figuur 3.11 krijgt het zonnepaneel slechts 11, 7 kW/m2 · AP V , een verlies van

22

Hoofdstuk 3. Bestaande oplossingen .dc V1 0 3 0.01 +

+

+

+

+

+

X1 Plicht=200

+

X4 Plicht=200

+

X7 Plicht=400

+

X10 Plicht=1000

+

X13 Plicht=1000

-

.meas vmax MAX (V(N001)*I(V1)) +

X2 Plicht=1000

+

X5 Plicht=300

+

X8 Plicht=600

+

X11 Plicht=1000

+

X14 Plicht=1000

-

X3 Plicht=1000

V1

X6 Plicht=1000

X9 Plicht=1000

X12 Plicht=1000

X15 Plicht=1000

-

Figuur 3.11: Simulatie van SP, BL, TCT, HC en SBC onder partiële schaduw

--- E:\School\Master ECS\2e master\Thesis\simulatie\ltspice\TCT.asc ---

22 %. Ook het beschikbaar elektrisch vermogen daalt evenredig tot Pav = 5, 24 W. Voor deze topologiën kunnen we dus de SIF berekenen met de formule: Pshade 1 SIF = 1 − · (3.6) 6, 72 W 0, 22 Per topologie simuleren we de P(V) curves en selecteren het MPP. Met deze waarden kan via formule 3.6 de SIF berekend worden. De resultaten zijn samengevat in tabel 3.2. Tabel 3.2: Simulatie van SP, BL, TCT, HC en SBC onder partiële schaduw

SP

BL

TCT

HC

Psys [W]

...

6,72

...

Pav [W]

...

5,24

...

SBC

Pshade [W]

3,44

3,73

3,84

3,70

3,82

SIF

2,22

2,02

1,95

2,04

1,96

66

72

73

71

73

ηic [%]

Als laatste simuleren we ook het zonnepaneel van figuur 3.10. De resultaten van deze opstelling worden weergegeven in tabel 3.3. De conclusies van deze simulaties zijn gelijkaardig aan die van [17]. De TCT topologie kan in beide gevallen de SIF minimaliseren en zo de impact van partiële schaduw beperken. Voor een simpele Serie/Parallel schakeling verkrijgen we net zoals in sectie 3.1.1 een SIF van rond

23

Hoofdstuk 3. Bestaande oplossingen Tabel 3.3: Simulatie van 5 × 7 matrix onder partiële schaduw

SP

TCT

SBC

Psys [W]

...

15,68

...

Pav [W]

...

12,77

...

Pshade [W]

9,46

12,17

12,11

SIF

2,14

1,21

1,23

74

95

94

ηic [%]

de 2,5 en deze is een stuk hoger dan de SIF van de TCT oplossing. De performantie van de TCT topologie en de SBC zijn zeer gelijkaardig. Dit toont aan dat veel connecties in de TCT oplossing geen stroom voeren en dus overbodig zijn. SBC maximaliseert het uitgangsvermogen met een minimum aan interconnecties en lijkt een ideale oplossing. De vraag rijst of een dynamische reconfiguratie wel zin heeft. De performantie van TCT is niet slechter dan die van SBC. Het lijkt dus eerder zinloos om alle dwarconnecties te vervangen door een (nietideale) schakelaar, beter is gewoon om alle dwarsconnecties vast te implementeren.

3.2.2

Variabele compensatie cellen

Een tweede voorgestelde oplossing is de compensatietechniek [2] [20] en wordt schematisch voorgesteld in figuur 3.12. Bij deze techniek wordt het zonnepaneel (of een deel ervan) opgedeeld in 2 TCT submatrices: een fixed solar array en een adaptive bank. Beide delen bestaan uit een aantal rijen van parallel geschakelde PV cellen. Een microcontroller observeert continu de ogenblikkelijke belichtingstoestand van de rijen uit beide matrices. Tussen de fixed array en de adaptive bank bevindt zich een switch matrix die de rijen uit beide delen met elkaar kan verbinden of loskoppelen, afhankelijk van de belichtingstoestand. Wanneer het zonnepaneel uniform belicht wordt zal de switch matrix enkel horizontale connecties tot stand brengen, waardoor de PV cellen uit de adaptive bank als extra kolom voor de fixed array dienen, dit wordt weergegeven in figuur 3.13(a). Wanneer nu een bepaald object delen van de matrix beschaduwt en andere niet, kan de switching matrix elke rij uit de fixed matrix aanvullen met voldoende cellen uit de Adaptive bank om ervoor te zorgen dat elke parallelschakeling van een rij ongeveer evenveel stroom produceert (figuur 3.13(b)). Met deze techniek worden stroom-mismatches in de serieschakeling van al deze rijen vermeden (stroom-mismatches die eerder voor stroomblokkeringen of diode-dissipatie zorgden).

ction after reconfiguration

24


(VOCA1 , VOCA 2 ,..., VOCA ( m−1), VOCA m) PV A1

I A1

I out

PV1

(V1, V 2,..., V m−1, V m) I F1

VOCA1

PV A2

Detection circuit

V1

I A2

PV 2 VOCA2

I out

I F2 V2

m× m The

PV A( m−1)

I A( m−1) Switching Matrix

PV m−1

I F( m−1)

VOCA( m−1)

PV Am

I Am VOCA m

Vout

MCU

R

V m−1

PVm

I Fm Vm

Control signal

l reconfiguration algorithm is er checking whether partial shade e photovoltaic cells compensate The adaptive bank The fixed solar array method is inefficient. While the Fig.8. Reconfiguration system of solar PV array d fuzzy control algorithm resolves Figuur 3.12: Schematische voorstelling van de compensatietechniek. Bron [2] III. E XPERIMENT RESULT & C ONCLUSION s in the adaptive bank might be er of cells in the adaptive banks is In order to verify the effectiveness of fuzzy control e fuzzy rules, the cells are algorithm, we experiment at another solar panel. The TCT Het seriously algoritme voor het aansturen van de switching matrix werkt in een aantal stappen: odules which are shaded configuration (Fig. 9) contains 3 rows and 10 columns. Every t irradiance of the adaptive bank cell has itsalle ownconnecties terminal. in de switching matrix 1. Initialisatie: Open shaded submodule with the least of the submodules are different, 2. Monitoring: Meet het voltage en de stroom van elke rij in beide matrices en bepaal zo amount of cells to compensate in de schaduwintensiteit (SF) the waste of resources. of solar PV array 3. Sorteren: Sorteer alle rijen van de adaptive bank in aflopende volgorde van SF en alle into two parts: a fixed part and rijen van de fixed array in oplopende volgorde ws the right dotted line part is the eft is the adaptive bank.4. InConnecteren: the Connecteer de meest productieve submodule van de adaptive bank met adaptive bank can form one de minst productieve submodule tot een bepaald stroomniveau bereikt wordt ed part. If the cells are shaded, the (a) ading degree model-based fuzzy Herhaal de stappen 2 tot 4 tot alle rijen in de adaptive bank zijn opgebruikt. 5. Iteratie: the shading degree of the cells in ng tothe shading degree each Dit of is een redelijk straight-forward implementatie om een optimale reconfiguratie te bereiken. shaded submodules Dit withalgoritme the cellsheeft echter ook een aantal nadelen: het vraagt veel spanningen stroomsensoren k, and then change the connection om de belichtingstoestand te meten en het vraagt veel tijd om de verschillende iteraties uit inate the effect of partial shading te voeren om tot een optimale oplossing te komen. Hierdoor is het systeem niet erg efficiënt e for the loss of output power en weinig of flexibel bij vlugge schaduwveranderingen. Een oplossing hiervoor wordt gesteld in g. In the system, voltages and open-circuit voltages of cells [2] en maakt gebruik van Fuzzy Logic om zo de complexiteit van het algoritme te verlagen. measured through the external (b) ut current of the fixed part is Simulatie Fig.9. Solar PV array for Reconfiguration experiment ffect current transducer, and these The experiment shows the effect of the shading degree e MCU. The core device of the We implementeren nu een eenvoudig voorbeeld in LTSpice zoals weergegeven model-based fuzzy control reconfiguration method. One rowin figuur 3.14. rom Freescale, usingDethe PE fixed array of bestaat hier uit is een matrix van 5 The × 5 PV cellen terwijlof dethe adaptive the PV cells a submodule. output voltage PV bank bestaat of CodeWarrior, the output signal ve the switching matrix composed cells is about 1.5V, connect the load 1.75Ω . The experiment result is shown in Table VI– Table VIII

3.1 Reconfiguration system of solar PV array

configuration solar cells, when the and according to the shading degree of the cells in the (V ,V ,..., V ,V ) bank, compensate the(Vshaded with the than 1/2, the output power dropped to adaptive 1 , V2 ,..., Vsubmodules m −1 , Vm ) in the PVadaptive bank, and then change the . Based on the above experiment, the cells required I IA IF 3. Bestaande oplossingen of the switching matrix, eliminate the effect of ion solar cells’ output powerHoofdstuk will connection PV V and "hot spot". Reconfiguration system of rea with an increase. Compared with partial shading V olar cells, the loss of power is less, so solar PV array is shown in Fig 6. I PV I ntages of the TCT configuration. In PV m × m V V on decreases, the output power is also y in TCT configuration. Therefore, it I I Vout PV PV the "reconfiguration" this paper R shading problem. V V OCA1

OCA2

OCA( m−1)

OCAm

out

1

1

25

1

A1

OCA1

1

A2

Fig 7. The interconnection before reconfiguration

F2

2

A2

OCA2

A( m−1)

2

A( m−1)

F( m−1)

m −1

OCA( m −1)

TIVE ED

SHADING DEGREE RECONFIGURATION

PVAm

m −1

I Am

I Fm

PVm

Vm

VOCAm

system of solar PV array

OCAm

Fig 6. Reconfiguration system of solar PV array

(V1 ,V2 ,..., Vm −1 ,Vm )

) PV1

I F1

I out V1

PV2

I F2 V2

PVm −1

I F( m−1)

Vout Vm −1

PVm

I Fm Vm

guration system of solar PV array

For solving the “hot spot” problem with the reconfiguration method, we need some PV cells for compensation except for the normal cells. When the array partial shaded, FigPV 7. The interconnection beforeisreconfiguration Fig 8. The interconnection after reconfiguration part of (a) the Interconnecties system's interconnection will be get voor reconfiguratie (b) Interconnecties na reconfiguratie reconfiguration (Fig 8.), in order to compensate for the shading cells avoiding damage of PV modules caused by 3.2 Adaptive reconfiguration algorithm "hot spot" phenomenon. The PV cells are divided into two parts: a fixed part and an adaptive bank. Fig 7.shows the When the PV array is partially shaded, due to the complexity and van changes of shading conditions, the shading Figuur 3.13: Dynamische reconfiguratie van middel een switching matrix. Bron [20] R right dotted line part is the fixed solar array and the left is door the adaptive bank. In the uniform illumination, the adaptive area and irradiation of each submodule (one row of the TCT bank can form one additional column to the fixed part. PV array is defined as a submodule) of PV arrays is When the system works, each group of PV Cells connected different, so it is difficult to determine the number of cells uit 5 inenkele zonnecellen. Omto de adaptive in een willekeurige configuratie the adaptivebank bank which are required to compensate the parallel is checked by computer knowcellen if the PVuit cellsde in are partially shaded. The shading degree is evaluated when shaded submodules. Therefore, this paper proposes an aan de fixed array te kunnen bevestigen is een 5 × 5 switching matrix nodig, waarbij elke partial shading happens. The shading degree is divided into adaptive solar PV array using shading degree model-based algorithm, by using "shading degree" to three levels of uit moreeen shading, shading schakelaar and less shading. At dereconfiguration switch bestaat dubbele om 2 polen van een zonnecel te kunnen verbinden. the same time the same evaluation is done on the adaptive show the power loss of each submodule. In this paper, the size of decline in the photo-generated current of each bank. The evaluation procedure is as below: submodule is defined as "shading degree". For TCT First of all, sorting algorithm is used to identify the row photovoltaic arrays, the photo-generated current of the most seriously shaded and determine the shading degree, 0 3 0.01 .meas vmax MAX (V(N001)*I(V1)) submodule that is .dc notV1 shaded is the standard, calculated the +

+

X1

X6

+

X11

5 x 5 Switch Matrix

pot” problem with the reconfiguration Plicht=200 Plicht=200 Plicht=400 me PV cells for compensation except lls. When the array is partial shaded, 2358 2010 Chinese Control and Decision Conference Fig 8. The interconnection after reconfiguration m's interconnection will be get + + + X12 X2 X7 8.), in order to compensate for the Plicht=800 Plicht=200 Plicht=400 g damage of PV modules caused by 3.2 Adaptive reconfiguration algorithm on. The PV cells are divided into two When the PV array is- partially shaded,- due to the d an adaptive bank. Fig 7.shows the conditions, shading + the is the fixed solar array and the left+is X3complexity and changes +of shading X8 X13 area and irradiation of each submodule of the TCT Plicht=800 (one row Plicht=1000 he uniform illumination, the adaptive Plicht=800 additional column to the fixed part. PV array is defined as a submodule) of PV arrays is different, so it is difficult to determine the number of cells ks, each group of PV Cells connected in the adaptive bank which are required to compensate the by computer to know if the PV cells + + + X4 shaded submodules. Therefore, X9 X14 this paper proposes an The shading degree is evaluated when Plicht=600 Plicht=1000 Plicht=1000 ns. The shading degree is divided into adaptive solar PV array using shading degree model-based hading, shading and less shading. At reconfiguration algorithm, by using "shading degree" to me evaluation is done on the adaptive show the power loss of each submodule. In this paper, the size of decline in the photo-generated current + + + X5 X10 X15of each procedure is as below: Plicht=1000 submodule is defined as Plicht=1000 "shading degree". Plicht=1000 For TCT lgorithm is used to identify the row photovoltaic arrays, the photo-generated current of the d and determine the shading degree, submodule that is not shaded is the standard,- calculated the -

Control and Decision Conference

+

X16 Plicht=700

+

X21 Plicht=900

+

X17 Plicht=1000

+

X22 Plicht=1000

+

X18 Plicht=1000

+

X23 Plicht=1000

+

+

-

-

X19 Plicht=1000

+

X24 Plicht=1000

+

X20 Plicht=1000

+

X25 Plicht=1000

+

+

-

+

-

V1

-

-

+

X26 Plicht=1000

X27 Plicht=1000

-

-

X28 Plicht=1000

X29 Plicht=1000

-

-

X30 Plicht=1000

-

Figuur 3.14: Simulatie van compensatietechniek

Initiëel is het zonnepaneel onbeschaduwd en bevindt de PV matrix zich in een TCT configuratie. Daarna bedekt een wolk de linker bovenhoek van het zonnepaneel met een intensiteit zoals aangegeven in de figuur. Uit de figuur leiden we af dat het ontvangen lichtvermogen daalt met 16, 6 % als gevolg van de schaduw. Dit zal het herconfiguratie mechanisme in werking stellen. Door de stappen van het algoritme te volgen, zullen de zonnecellen X5 en X3 in parallel met rij 1 gezet worden, de cellen X4 en X2 in parralel met rij 2 en X1 in parallel met

--- E:\School\Master ECS\2e master\Thesis\simulatie\ltspice\switchmatrix.asc ---

26

Hoofdstuk 3. Bestaande oplossingen rij 3. De resultaten zijn weergegeven in tabel 3.4: Tabel 3.4: Simulatie van de compensatietechniek

Initiëel (TCT)

Na herconfiguratie

Psys [W]

13,44

...

Pav [W]

11,20

...

Pshade [W]

8,67

11,19

SIF

2,13

1,00

77

100

ηic [%]

We zien dus dat het mogelijk is om met deze techniek een SIF van 1 te bereiken zoals ook aangetoond werd in het begin van deze sectie. Voor de herconfiguratie bevindt de matrix zich initiëel in een TCT toestand. De SIF factor is hier dan meer dan 2 en bereikt dus niet zo’n goede resultaten. Dit is vooral te verklaren door het feit dat de schaduw relatief breed is (zie figuur 3.9). Dat we ook hier een SIF factor van 1 kunnen halen zonder een grote hoeveelheid extra draden is vooral te wijten aan het feit dat de schaduw hier niet volledig onwillekeurig is gekozen. Niet voor elk schaduwtype kan met dit syteem een SIF factor van 1 bereikt worden. Echter hoe groter beide matrices worden, hoe meer vrijheid het systeem heeft en hoe dichter de gemiddelde SIF 1 zal benaderen. Natuurlijk zal dit ook het aantal schakelaars verhogen en het algoritme complexer maken.

3.3

Andere technieken

Naast de reconfiguratie met een switch matrix bestaan er nog enkele andere technieken die de invloeden van partiële beschaduwing proberen te beperken. Zo stelt [6] voor om bij elke submodule een lokale DC-DC convertor te installeren waardoor elke submodule op zijn eigen MPP kan belast worden. De invertor combineert dan alle stroom van de verschillende DC-DC convertoren. [21] ontwerpt hiervoor een boost convertor die reeds werkt vanaf spanningen van 0, 3 V. In [22] probeert men via een ’multilevel diode-clamped three-phase inverter’ het maximum vermogen uit elke submodule te halen. Verder wordt er in dit eindwerk niet dieper ingegaan op deze technieken. Hiervoor verwijzen we naar de literatuur.

Hoofdstuk 4

Switch Tot nu zijn we er altijd van uitgegaan dat we zomaar elke connectie tussen de cellen kunnen verbinden of verbreken. Met een ideale schakelaar zouden we een connectie kunnen maken zonder weerstand en zonder statisch stroomverbruik, met andere woorden indien de schakelaar niet van toestand verandert, verbruikt deze ook geen stroom. Bovendien is deze ideale schakelaar verwaarloosbaar klein. Ideale schakelaars bestaan uiteraard niet en daarvoor gaan we in dit hoofdstuk op zoek naar de meest ideale oplossing in deze context. Belangrijk hierbij is dat het systeem van active-cel reconfiguratie niet meer stroom verbruikt dan het kan opleveren door een globale efficiëntieverhoging van het zonnepaneel.

4.1

Soorten schakelaars

Relais Er zijn veel verschillende manieren om een elektrisch circuit te schakelen. Een eerste voor de hand liggende oplossing is de relais. De voordelen hiervan zijn de eenvoudige aansturing, een laag ohmig elektrisch contact en de elektrische scheiding tussen het aanstuurcircuit en het geschakeld circuit. Het grote nadeel van een relais is zijn grootte en zijn statisch stroomverbruik. De meeste relais werken met een fysieke schakelaar die elektromagnetisch wordt aangestuurd. Om de relais in de aan-toestand te houden moet er een continue stroom door de spoel van de relais lopen in de orde van mili-ampères. Door het gebruik van mechanische onderdelen kan de relais snel verslijten en is de grootte niet verwaarloosbaar. Hierdoor zou de omvang van een zonnepaneel drastisch toenemen indien een hele switch matrix ge¨ımplementeerd moet worden met relais. Om deze redenen is een relais in deze toepassing niet bruikbaar. MEMS Het is derhalve aangewezen een meer ge¨ıntegreerde oplossing te zoeken. Een eerste mogelijke oplossing is het gebruik van MEMS technologie (Micro-Electro Mechanical Systems). MEMS maakt het mogelijk om mechanische structuren van enkele micrometers groot te construeren op een chip. Met deze technologie kan men wel een bistabiele schakelaar ontwerpen zonder statisch stroomverbruik [23].

27

28

Hoofdstuk 4. Switch

(a) switch open

(b) switch gesloten

Figuur 4.1: Een bistabiele schakelaar ontwikkeld in MEMS technologie

Zoals te zien is in figuur 4.1 bestaat deze schakelaar uit 2 beweegbare armen die achter elkaar kunnen haken om zo een elektrisch contact te voorzien. Aan beide armen is een thermische actuator bevestigd. Wanneer er stroom door de actuator loopt warmt deze op en zet uit, hierdoor kunnen de armen enkele micrometers bewegen. Door de juiste sequentie van bewegingen te voorzien kan men de schakelaar tussen de 2 stabiele toestanden laten verwisselen: zie figuur 4.2. MET V-VORMIGE THERMISCHE ACTUATOREN SCHAKELAAR 102

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

Figuur 7.18:4.2: Vergrendelingsen ontgrendelingssequentie, detail[23] contact Figuur Beweging-sequentie voor MEMS schakelaar. Bron de schakelaar. Door het sequentieel activeren van de twee thermische actuatoren kan men de Het proces in omdemechanische structuren op micro-schaal een stuk complexer schakelaar gesloten toestand brengen. Hierbij zaltedeontwikkelen schakaar inisdeze toestand blijven dan de gewone CMOS transistor-technologie. Bovendien is MEMS een relatief nieuwe techzonder verdere toevoeging van energie, de actuatoren worden in deze gesloten toestand imnologie (vergeleken met CMOS) en daardoor nog duurder dan siliciumtechnologie. mers niet aangestuurd. Het openen of het ontgrendelen van de de gewone schakelaar gebeurt door de omgekeerde sequentie van aansturingen van de actuatoren toe te passen. Solid-State switch Een andere ge¨ıntegreerde oplossing is een CMOS solid-state schakelaar. Hierbij maken we gebruik van transistoren voor de switch matrix in plaats van mechanische connecties. Aangezien het hier gaat om een toepassing waarin grote stromen moeten geschakeld worden en hoge voltages moeten geblokkeerd worden, is het gebruik van DMOS-transistoren onontbeerlijk. Op de markt zijn er echter al allerlei solid-state schakelaars beschikbaar die voldoen aan de meeste eisen voor deze toepassing. Een willekeurig voorbeeld, gevonden op Farnell is de Avago ASSR-1611. Het intern elektrisch schema van deze schakelaar wordt getoond in figuur 4.3(a). Deze schakelaar (en bij uitbreiding alle voorhanden solid-state schakelaars) maken gebruik van opto-couplers om een sterke galvanische scheiding (tot enkele kilo-Volts) te kunnen voorzien

RoHS Compliant. Example 2:

Hoofdstuk 4. Switch

ASSR-1611-021E to order product of 300mil DIP-6 package in tube packaging, RoHS Comp Minute rating. 29

Schematic ASSR-1611 Opto-isolation

Turn-off Circuit

2

Opto-isolation

6

1

5 Vo

Equivalent Relay Diagram

1

6

2

4

4

3

Connection A – AC/DC (a)

(b)

Opto-isolation

Opto-isolation Figuur 4.3: Intern circuit van een solid-state schakelaar o.b.v. opto-coupling 1

6

+

1

Turn-off Circuit

tussen de stuursignalen en de geschakelde stromen. Het Vogrote nadeel hierbij is opnieuw het Equivalent 5 2 Relay statisch stroomverbruik. De LED om deze optische connectie in stand te houden, verbruikt Diagram 2 20 mA in het voorbeeld van de Avago ASSR. Indien we een matrix implementeren met 100 3 schakelaars, verbruiken deze samen 2 A of ongeveer 45 W, wat uiteraard onaanvaardbaar is. Bovendien zijn dit kant-en-klare componenten die moeilijk ge¨ıntegreerd kunnen worden op de chip voor het aansturen van het Bzonnepaneel. Connection – DC Only

4.2

Ontwerp van een solid-state schakelaar

Aangezien er geen geschikte schakelaar voorhanden is, ontwerpen we er zelf een. De eisen voor dit ontwerp zijn reeds duidelijk geworden in vorige paragraaf, om ze nog eens op een rijtje te zetten: het moet een integreerbare schakelaar zijn die de verschillende zonnecellen kan connecteren. Dit houdt in dat ze in de aan-toestand variënde stromen moet kunnen voeren in de orde van enkele ampères, in de uit-toestand moet de schakelaar spanningen met wisselende polarisatie kunnen blokkeren in de orde van enkele tientallen volts. De verschillende schakelaars moeten aangestuurd kunnen worden vanuit een centrale processor, waardoor een galvanische scheiding nodig is. De schakelaar moet tevens zo zuinig mogelijk zijn en dus liefst zonder een statisch stroomverbruik. Om deze schakelaar te ontwerpen maken we gebruik van de I3T80 technologie van ON Semiconductor 1 . De verschillende onderdelen van het werkend ontwerp worden in de volgende secties besproken. Tijdens de ontwikkelfase zijn meerdere principes en schakelingen uitgeprobeerd maar niet elke schakeling bleek even succesvol. Voor de volledigheid worden ook de niet-werkende schakelingen kort besproken in bijlage A. 1

Meer info op http://www.onsemi.com/PowerSolutions/content.do?id=16691

4 and 6

5

30

Hoofdstuk 4. Switch

4.2.1

DMOS schakelaar

We beginnen bij het ontwerp van de bidirectionele schakelaar zelf. Aangezien we a priori niet weten in welke richting de stroom door de verschillende connecties loopt, moet de schakelaar in beide richtingen stromen kunnen voeren. We vergelijken hiervoor 3 verschillende schema’s in figuur 4.4 [24][25].

(a)

(b)

(c)

Figuur 4.4: Mogelijke implementaties van een bidirectionele switch

In het circuit van figuur 4.4(a) zorgen de diodes ervoor dat de stroom altijd in de juiste richting door de transistor loopt. Bovendien is deze ene transistor redelijk eenvoudig aan te sturen. Het nadeel van dit circuit is echter de grote spanningsval van de 2 diodedrempels. Aangezien elke zonnecel slechts één diodedrempel aan spanning produceert is het onaanvaardbaar om er 2 terug te verliezen in de connectie. Door het gebruik van 2 transistoren zoals in figuur 4.4(b) kunnen we deze spanningsval halveren maar niet vermijden. De diodes zorgen hier opnieuw dat de stroom in de juiste richting door de transistoren loopt, wat belangrijk is om latch-up te vermijden. De beste oplossing is het plaatsen van 2 transistoren in anti-serie zoals in figuur 4.4(c). In dit circuit wordt het verlies enkel bepaald door de aan-weerstand van de 2 transistoren. De Schottky diodes dienen hier enkel nog om de geleiding door de interne bulk-drain diodes van de transistoren te vermijden, dit zou immers tot substraatstromen en latch-up kunnen leiden. Om de hoge spanningen te kunnen blokkeren moeten we gebruik maken van DMOS transistoren. De I3T80 technologie biedt hiervoor de VFND80 aan. In de datasheet van de technologie vinden we de specifieke aan-weerstand van deze transistoren: RonN M OS ∈ [11.84 kΩ µm, 18.16 kΩ µm]

(4.1)

RonP M OS ∈ [42 kΩ µm, 43 kΩ µm]

(4.2)

De exacte waarde is ook afhankelijk van de geometrie van de transistor. Het gebruik van de NDMOS transistoren is interessanter gezien hun specifieke aan-weerstand ongeveer 3 maal lager is dan hun PDMOS equivalent. We dimensioneren deze transistoren zodanig dat bij een stroom van 1 A de spanningsval maximaal 100 mV bedraagt. De weerstand van elke transistor mag dus niet groter zijn dan 50 mΩ. Indien voor een concrete toepassing grotere stromen vereist zijn of minder verlies getolereerd wordt, moet het hele systeem enkel geschaald worden. Uit simulaties blijkt dat de DMOS hiervoor een breedte van 340 mm moet hebben. Dit lijkt op het eerste zicht enorm breed maar is nodig om deze grote stromen te kunnen voeren. Bovendien kan deze transistor (met een lengte van 0.35 µm) als het ware opgevouwen

Hoofdstuk 4. Switch

31

worden waardoor de oppervlakte van de schakelaar nog steeds verwaarloosbaar zal zijn in vergelijking met de grootte van een zonnecel. Voor de rest van het ontwerp werken we verder met deze dimensionering. We simuleren nu dit circuit met behulp van Cadence, een handige CAD tool voor het simuleren van elektrische schakelingen. Om de schakelaar in een realistische omgeving te kunnen testen, bouwen we eveneens een testbank die de verschillende situaties in een zonnepaneel nabootst. Het geteste circuit ziet er als volgt uit:

Figuur 4.5: Bidirectionele switch in testbank voor simulatie

Links op de figuur ziet u een controleerbare spanningsbron V waarmee we de schakelaar af en aan zetten. Daarnaast ziet u opnieuw de bidirectionele switch. De overige componenten maken deel uit van de testbank: De variabele stroombron I modeleert een veranderende belichtingstoestand (zie paragraaf 2.1), waarbij I varieert tussen −1 A en +1 A. De diodearray aan de rechterkant heeft een gezamelijke drempelspanning van ongeveer −16 V en 16 V, dit stelt de mogelijke spanning voor die over een onderbroken connectie kan komen te staan in 2 oriëntaties. Wanneer de schakelaar af staat zal de stroom I immers door deze diodearray vloeien waardoor de 16 V over de schakelaar zal komen te staan. Ten slotte simuleert de weerstand van 5 Ω de mogelijkse spanningssprongen van de source bij het sluiten van de schakelaar. Figuur 4.6 geeft de simulatieresultaten weer. Momenteel gebruiken we de variabele spanningsbron rechtstreeks om de gate aan te sturen (het bovenste signaal op de grafiek: data-input). De variabele stroombron schakelt sneller dan het datasignaal en heeft een periode van 400 µs. In het begin staat de schakelaar af, de stroom vloeit nu integraal door de diode-array die een negatieve spanning van ongeveer −16 V over de schakelaar zet. Na 100 µs wordt de switch geactiveerd waardoor deze spanning terugvalt naar de gewenste −100 mV. Ook de weerstand veroorzaakt nu een spanningsval van 5 V. De spanning op de source (onderste grafiek) valt dus op het moment van schakelen terug van −16 V naar −5 V. Deze spanning zal immers altijd de laagste potentiaal rond de switch volgen omwille van de 2 diodes. Niet veel later poolt de stroombron om, bijvoorbeeld als gevolg van een voorbijtrekkende wolk waardoor de stroom in een bepaalde tak van de PVcel-grid plots van richting verandert. Ook

32

Hoofdstuk 4. Switch Data input

Vgate (V)

4 3 2 1 0

0

0.2

0.4

0.6

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

1.4

1.6

1.8

2

1.4

1.6

1.8

2

Spanning over de schakelaar

20 Vswitch (V)

0.8

16 V

10 100 mV

0

-100 mV -16 V 0

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Spanning op de source

10 Vsource (V)

0.2

5V

0 -5 V -16 V 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1 Tijd [ms]

1.2

Figuur 4.6: Simulatieresultaten van een bidirectionele schakelaar

de spanning over de schakelaar zal van teken veranderen. Verder heeft dit zoals gewenst geen gevolgen voor de werking van de schakelaar. In de situatie van de af-toestand kan een analoge redenering worden toegepast. Uit deze simulaties kunnen we afleiden dat het systeem tot op dit punt correct werkt in alle mogelijke situaties die zich kunnen voordoen met de connectie. Het is dan ook op dit systeem dat we nu verder bouwen.

4.2.2

Aanstuurlogica

Het is uiteraard niet de bedoeling dat elke switch zijn eigen gestuurde spanningsbron heeft om te schakelen. Daarom is het nodig om een zo zuinig mogelijk aanstuurcircuit te ontwerpen dat de schakelaar van toestand kan doen veranderen op basis van een signaal van een centrale microcontroller. Aangezien elke schakelaar zich ergens anders in het zonnepaneel bevindt, zal elke schakelaar ook op een andere potentiaal staan. Toch moeten al deze schakelaars met een signaal van één en dezelfde microcontroller aangestuurd worden. Dit is de reden waarom er een galvanische scheiding moet worden voorzien tussen de inputsignalen en de aanstuurlogica. Het circuit dat ik daarvoor ontworpen heb, staat getekend in figuur 4.7. Om de werking uit te leggen is het circuit opgedeeld in verschillende blokken die elk afzonderlijk van rechts naar links besproken zullen worden.

33

Hoofdstuk 4. Switch

Figuur 4.7: Aanstuurcircuit voor de bistabiele schakelaar

De dimensionering van al deze componenten staat beschreven in tabel 4.1. In deze tabel staat voor de transistoren de breedte aangegeven, de lengte is telkens 0.35 µm zoals de technologie. Ook voor de diodes is de breedte opgegeven. Tabel 4.1: Tabel met componentwaarden van het circuit in figuur 4.7

Comp. T1 T2 D1 D2 T3 T4 T5

Waarde 340 mm 340 mm 500 µm 500 µm 300 µm 100 µm 100 µm

Comp. T6 T7 T8 T9 D3 D4 R1

Waarde 30 µm 10 µm 300 µm 100 µm 5 µm 5 µm 2 MΩ

Comp. C1 T10 T11 D5 D6 R2 C2

Waarde 100 pF 30 µm 10 µm 5 µm 5 µm 400 Ω 1 nF

G1: DMOS schakelaar De groep G1 aan de rechterkant van het circuit is opnieuw de DMOS schakelaar. Op dit moment laten we de contacten van de schakelaar gewoon open. Maar om toch een variërende potentiaal op de source te simuleren, hebben we de voedingsbron V1 aangesloten op de source. Verderop zal duidelijk worden waarom dit precies belangrijk is. G2: Bistabiele gate buffer Het circuit in G2 is rechtstreeks aangesloten op beide gates van de DMOS transistoren. Dit circuit dient dan ook als buffer om de gates op te laden. Gezien de DMOS enkele centimeters groot is, is ook de gatecapaciteit behoorlijk groot. In de datasheet van de technologie staat er geen specifieke gatecapaciteit per lengte-eenheid aangegeven maar uit de simulaties blijkt dat deze in de orde van 10 nF is. Om deze snel op te laden maken we gebruik van een dubbele invertor waarbij de transistoren T3 en T5 tien maal zo breed zijn als de transistoren T6 en T7.

Hoofdstuk 4. Switch

34

Voor het aanzetten van de schakelaar laden we de gatecapaciteit op, daarna isoleren we de gates van de rest van het circuit. Aangezien de gatecapaciteit aanzienlijk groot is, kan deze lading zeker tot enkele seconden op de gate blijven zonder extra stroomtoevoer. Willen we de schakelaar afzetten dan moet de gate eventjes kortgesloten worden met zijn source zodat de lading verdwijnt, vanaf dan blijft de schakelaar uiteraard gesloten. Met dit principe moet de aanstuurlogica enkel gevoed worden wanneer de schakelaar van toestand verandert. In dit circuit doen we dit via de locale spanningsbron V2 (rechts in het circuit) die enkel een korte spanningspuls geeft op de momenten dat de microcontroller de interconnectie wil veranderen. Op dit punt gaan we er dus van uit dat elke chip zijn eigen lokale voeding heeft. In volgende paragraaf zullen we ook deze ideale component vervangen door een bruikbaar circuit. De transistor T4 is hier geschakeld als diode en zorgt ervoor dat de gate niet kan ontladen wanneer de lokale voeding is uitgeschakeld, dit garandeert het bistabiel gedrag. We gebruiken hier een transistor waarvan de gate kortgesloten is met de source in plaats van een gewone diode. Om de schakelaar snel genoeg te kunnen aanzetten moet er een voldoende grote stroom naar de gate kunnen vloeien. Om deze reden moet ook de diode (T4) groot genoeg zijn. Maar ook de lekstroom van een diode is evenredig met zijn grootte waardoor de gates van schakeltransistoren te snel zouden ontladen en het bistabiel gedrag teniet zou doen. Met het gebruik van transistor T4 hebben we in de voorwaartse richting een stroompad zo breed als de transistor zelf, terwijl we in de blokkerende toestand enkel de lekstroom hebben van de kleine interne diode. Daarom is het aangewezen hier een transistor te gebruiken als diode. De goede werking wordt aangetoond in de simulatie van figuur 4.10. Een nadeel van deze diode is dat de gate niet meer tot de volledige voedingsspanning kan opgeladen worden. Een makkelijke oplossing is de lokale bronspanning te verhogen. In de I3T80 technologie is het gate-oxide van de transistoren slechts 7 nm dik en zal hierdoor doorslaan bij een spanning hoger dan 3, 63 V. De bronspanning is dus best niet hoger zijn dan 3, 5 V. Dit vormt verder geen probleem, ook bij een gatespanning van ongeveer 3 V zal de DMOS stroom geleiden. G4: Galvanische scheiding We bespreken nu eerst blok 4 dat het inputsignaal doorgeeft. Blok 3 is immers noodzakelijk om deze input correct te kunnen behouden. Zoals eerder opgemerkt is een galvanische scheiding tussen het inputsignaal en het aanstuurcircuit noodzakelijk. De controle signalen van de microcontroller zijn immers altijd en voor elke schakelaar gerefereerd ten opzichte van 1 bepaalde potentiaal in het zonnepaneel (waarop ook de grond van de microcontroller is aangesloten). De referentiepotentiaal van het lokale aanstuurcircuit (Vs in figuur 4.7) kan immers variëren afhankelijk van de belichtingstoestand en de connectie tussen deze zonnecellen. Dit fenomeen wordt door de bron V1 gesimuleerd. Om deze galvanische scheiding te verwezenlijken zijn er enkele opties: elektromagnetisch, optisch of elektrostatisch. Met gekoppelde spoelen kunnen we op een eenvoudige manier een galvanische scheiding tot stand brengen, het grote nadeel hiervan is dat spoelen zeer moeilijk integreerbaar zijn op een chip. Een optische connectie met een LED en een fototransistor

35

Hoofdstuk 4. Switch

is ook mogelijk maar hiermee hebben we eigenlijk het probleem van figuur 4.3 verplaatst. Aangezien nu enkel een datasignaal moet worden doorgegeven, kan ook dit systeem zonder statisch stroomverbruik werken. Het blijft echter moeilijk om een LED en fototransistor te integreren op een chip. Een laatste optie is een condensator (C2) waarmee we spanningspulsen kunnen doorgeven onafhankelijk van de DC spanning aan beide zijden. Uiteraard moet de doorslagspanning van deze condensator groter zijn dan de maximale spanning in het zonnepaneel. De I3T80 technologie biedt echter een ’Metal-Metal Sandwich Capacitor’ met een breakdownvoltage van meer dan 50 V. Als dit volstaat kan alles ge¨ıntegreerd worden, indien niet zal een kleine externe component noodzakelijk zijn. De diodes D5 en D6 clampen verder de spanning van het lokale data signaal (Vdata in het circuit) tussen de lokale voedingslijnen. Om het nut van blok 3 aan te tonen beschouwen we eventjes het volledige circuit zonder blok 3. Het lokale datasignaal is nu zonder meer aangesloten op de buffer. Indien we de schakelaar wensen aan te zetten moet eerst de lokale voeding V2 aangezet worden. Daarna geven we een positieve puls met de spanningsbron V3 (= microcontroller), waardoor ook het lokale datasignaal hoog komt. Bijgevolg zal de buffer de gate opladen. In sommige situaties treedt er echter een probleem op met dit systeem. Wanneer de spanning op de source (Vs) bij het sluiten van de schakelaar omhoog schiet (zoals bijvoorbeeld te zien is aan de eerste flank van de onderste grafiek in figuur 4.6) zal dit de schakelaar opnieuw deactiveren. Hier simuleren we dit door een verhoging van V1, waardoor ook de lokale voedingslijn en de lokale signalen in absolute potentiaal zullen stijgen. Het lokale datasignaal wordt echter constant gehouden in potentiaal door de condensator C2. Met andere woorden het lokale datasignaal is opnieuw laag geworden ten opzichte van de lokale referentiespanning en zal de schakelaar opniew deactiveren. Het verloop van deze potentialen is schematisch voorgesteld in figuur 4.8. In deze situatie zijn we er dus niet in geslaagd om de schakelaar aan te zetten. Een werkende oplossing voor dit probleem is het circuit van blok 3. Enkele andere pogingen om dit probleem op te lossen mislukten en worden besproken in bijlage A.

Vs+V2

Vdata Vs V2 ↑

V3 ↑

V1 ↑

Figuur 4.8: Probleem met simpele galvanische scheiding

Hoofdstuk 4. Switch

36

G3: Datafeedback We lossen dit probleem als volgt op: in plaats van de data-input te geven tijdens het aanschakelen van de lokale bron, geven we deze net ervoor. Aangezien beide lokale voedingslijnen nu op dezelfde potentiaal staan, beperken de diodes D5 en D6 de potentiaal van Vdata tot + of - een diodedrempel ten opzichte van Vs. Een positieve flank van V3 zal dus aanleiding geven tot een positieve drempel van Vdata terwijl een negatieve flank een negatieve drempel zal veroorzaken. Kort hierna schakelen we de lokale voeding in. De eerste invertor gevormd door T10 en T11 zal deze drempel inverteren en voeden aan de 2e invertor gevormd door T8 en T9. Let op voor de connecties in dit circuit: beide gates van de eerste invertor zijn verbonden met Vdata, terwijl de drains (Vi) enkel verbonden zijn met de 2e invertor. De output van deze 2e invertor is op zijn beurt wel gekoppeld aan het Vdata signaal. Stel dat we de schakelaar willen aanzetten dan geven we een positieve flank via V3. Vdata zal een drempelspanning boven Vs staan waardoor de transistor T11 het signaal Vi bijna zal kortsluiten met Vs. Dit houdt op zijn beurt de PMOS T8 geactiveerd. Wanneer de spanning van de lokale bron nu stijgt zal T8 ervoor zorgen dat ook Vdata mee stijgt. Een analoge maar reciproke redenering kan gemaakt worden met een negatieve flank als datainput. Eenmaal de bron is aangeschakeld zorgt dit systeem van positieve feedback ervoor dat het lokale datasignaal niet meer kan veranderen. Om te voorkomen dat de interne diodes van T8 en T9 de functie van de clampdiodes D5 en D6 overnemen, plaatsen we een extra diode in anti-serie met hun bulkcontact: D3 en D4. Indien we dit niet doen, kan er latch-up optreden in deze transistoren. Bovendien zouden deze zwakke interne diodes de drempelspanning die we initieel kunnen aanbrengen als data-input beperken. We bekijken nu of dit systeem ook het probleem van figuur 4.8 oplost: de schakelaar wordt aangezet en kort daarna stijgt de spanning op de source (positieve trap van V1). Als deze spanningsklim snel genoeg gebeurt waardoor Vdata toch eventjes laag komt zal dit het feedback mechanisme uitschakelen en zal het circuit nog steeds niet correct werken. Om ook dit laatste probleem te verhelpen voorzien we een 2e feedback systeem, namelijk de condensator C1. Dit zorgt ervoor dat het spanningsverschil tussen Vdata en Vi niet abrupt kan veranderen. Als nu de spanning Vs plots snel stijgt zal Vi nog negatiever worden dan ze al was, wat op zijn beurt de transistor T8 zeker open houdt. Dan zal opnieuw het feedback mechanisme de Vdata lijn verder opladen tot de nieuwe lokale voedingspotentiaal. Het is belangrijk dat eerst het dubbele positieve feedbacksysteem geactiveerd wordt vooraleer de datalijn opnieuw wordt opgeladen of ontladen. Om deze reden zit er en weerstand R2 tussen C2 en de datalijn, terwijl C1 rechtstreeks verbonden is. Als laatste moet het systeem na het afschakelen van de lokale bron altijd terugkeren naar zijn initiele toestand. Om ook de condensator C1 te ontladen is een (grote) weerstand R1 geplaatst. Deze weerstand zorgt ervoor dat de condensator snel genoeg kan ontladen tussen 2 inputsignalen, maar traag genoeg om het feedback mechanisme niet te verstoren.

Hoofdstuk 4. Switch

37

Simulaties Om de goede werking van dit systeem aan te tonen bekijken we enkele simulatieresultaten in figuur 4.9. In deze grafieken stellen het inputsignaal en het sourcesignaal de werkelijke spanning t.o.v. de grond voor (rood). De lokale bron (groen) en de andere interne signalen (blauw) zijn gemeten ten opzichte van de lokale grond Vs. We zien dus dat de lokale bron telkens hoog komt na het geven van een data-input. Hier wordt er elke 200 µs een nieuw input-signaal gegeven. Dit is uiteraard veel te snel maar dient hier enkel om alle simulatieresultaten nauwkeurig te kunnen bekijken. De tijd tussen een flank van de data-input en het aanschakelen van de lokale bron is hier ongeveer 50 µs, deze tijdspanne is een kritisch punt in dit ontwerp. Indien de sourcespanning verandert in dit tijdsinterval kan de gegeven data corrupt worden. De zonnecellen hebben echter een grootte in de orde van een halve dm2 en daardoor ook een grote capaciteit. De kans dat de spanning in die tijdspanne veel verandert is dus eerder klein. De 3e grafiek geeft de lokale data weer (Vdata in het schema van figuur 4.7). We zien hier duidelijk hoe de data-input dit signaal naar boven of naar beneden trekt waarna Vdata terug valt tot een drempel. Bij het aanschakelen van de lokale bron zien we dat deze spanning mee naar boven wordt getrokken na een positieve inputflank. Na een negatieve flank wordt dit signaal gelijk aan Vs (0V op de grafiek). Met dit datasignaal wordt dan uiteindelijk de gate opgeladen of kortgesloten. Indien we de de spanning op de gate volgen zien we duidelijk dat de schakelaar op de gewenste tijdstippen af en aan schakelt. Om te controleren of dit systeem ook in alle situaties werkt, geven we enkele spanningssprongen van 20 V op het sourcesignaal. Na een positieve sprong zien we dat de lokale data een kleine sprong naar beneden maakt, dit zorgde eerst voor problemen (wanneer C1 niet gebruikt wordt). Op datzelfde moment zien we ook een kleine negatieve puls in het signaal na de eerste invertor (Vi). Dit houdt het postitieve feedbacksysteem in stand waardoor de lokale data weer tot de voedingsspanning wordt getrokken. We zien ook dat dit geen enkel effect heeft op de gatespanning, het systeem werkt nu dus wel naar behoren. Eenmaal de gate volledig opgeladen is, schakelt de lokale bron terug uit. Uiteraard zakt ook Vdata en Vi mee terug naar 0V. De spanning op de gate blijft echter wel behouden waardoor ook na het uitschakelen van deze voeding de schakelaar gesloten zal blijven. In figuur 4.10 bekijken we dit systeem op een meer realistische tijdsbasis. Het systeem van actieve cel-reconfiguratie moet ongeveer elke seconde een nieuwe configuratie initialiseren: Op de 2e grafiek (groen) zien we dat de lokale voeding elke seconde ongeveer 50 µs hoog komt. Tussen deze tijdstippen moet de toestand constant blijven. Op de 3e grafiek zien we in het blauw dat de spanning op de gate niet noemenswaardig verandert binnen deze tijdspanne. Met het data signaal (bovenste grafiek in het rood) dicteren we de gewenste toestand: enkel de flank net voor het aanschakelen van de lokale voeding is van belang, alle andere transities tussendoor hebben geen enkele invloed op de schakelaar. Na seconde 1 geven we een dalende flank waardoor de schakelaar gedeactiveerd wordt voor 2 seconden. Na seconde 3 willen we

38

Hoofdstuk 4. Switch Data input

Vinput (V)

4

2

0

50 µs 0

100

200

0

100

200

300

Vbron (V)

4

300

5 Vdata (V)

500

600

700

800

400

500

600

700

800

2

0

Lokale data +Vd

0

-Vd 0

100

200

300

400

500

600

700

800

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0

100

200

300

400

500

600

700

800

500

600

700

800

5 Vi (V)

400

Spanning van de lokale bron

Spanning na de eerste invertor

Vgate (V)

0

Spanning op de gate

4 2 0

Vsource (V)

Source spanning 20 10 0

0

100

200

300

400 Tijd [µs]

Figuur 4.9: Simulatieresultaten van de switch met het aanstuurcircuit

39

Hoofdstuk 4. Switch

de schakelaar opnieuw sluiten door een stijgende flank te geven, we zien dat de gate opnieuw wordt opgeladen. Na seconde 4 willen we de schakelaar gesloten houden, we zien hier dat het gatesignaal ongeveer constant blijft zonder dat deze kortstondig terug ontladen moet worden. Dit laatste is handig aangezien de stromen in het zonnepaneel kunnen blijven vloeien zonder onnodige onderbrekingen, dit zou immers de maximum powerpoint tracker van de invertor in de war kunnen sturen. Data input

Vinput (V)

4

2

0

0

0.5

1

1.5

0

0.5

1

1.5

0

0.5

1

1.5

Vbron (V)

4

2.5

3

3.5

4

4.5

5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

4

4.5

5

2

0 4 Vgate (V)

2


Spanning op de gate

2 0

Power (mW)

Vermogen geleverd door lokale bron 60 40 20 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5 Tijd [s]

3

3.5

Figuur 4.10: Simulatieresultaten van de switch met een refreshrate van 1 Hz

Ten slotte bekijken we nog het vermogenverbruik van deze ontwikkelde schakelaar (onderste grafiek in figuur 4.10). Zoals verwacht verbruikt deze schakeling enkel stroom bij het opladen van de gate. Wanneer de gate al opgeladen was, moet enkel de weggelekte stroom toegevoegd worden: dit is te zien aan de kleinere spike na seconde 4. Om het maximaal vermogen van dit systeem te berekenen, integreren we het ogenblikkelijke vermogen van een continu veranderende schakelaar en delen dit door de periode van 2 seconden. Ook de databron moet een klein vermogen leveren om de drempelspanning aan te brengen. Met de simulatieresultaten berekenen we nu het maximaal vermogen per schakelaar van 1Hz: Pmax = 86 nW.

40

Hoofdstuk 4. Switch

4.2.3

Lokale voeding

Een laatste ideale component die we moeten vervangen is de lokale voedingsbron V2. We willen uiteindelijk dat alle schakelaars tegelijkertijd met dezelfde voedingsbron kunnen gevoed worden. Als gevolg moeten we ook hier een galvanische scheiding voorzien tussen de voedingsbron en het circuit. Een oplossing hiervoor is het schema van figuur 4.11. De dimensionering is weergegeven in tabel 4.2

Figuur 4.11: Vervangschema voor de lokale voeding van het aanstuurcircuit

Tabel 4.2: Tabel met componentwaarden van het circuit in figuur 4.11

Comp. C1 C2 D1 D2 R1 R2

Waarde 5 nF 15 nF 1000 µm 1000 µm 100 Ω 1 MΩ

Comp. C3 T1-W T1-L T2-W T2-L C4

Waarde 32 pF 10 µm 0,35 µm 1 µm 5 µm 10 pF

Comp. T3-W T3-L T4-W T4-L C5 T5

Waarde 1 µm 5 µm 10 µm 0,35 µm 20 pF 100 µm

G1: Voeding opladen De galvanische scheiding implementeren we hier op dezelfde manier als in het schema van figuur 4.7: met een condensator C1. Aangezien er enkel AC stroom door een condensator kan vloeien, gebruiken we hier een blokgenerator van 1 MHz (V1) die aanschakelt op de momenten dat we de schakelaar van toestand willen veranderen. De diode D1 dient als gelijkrichter zodat de AC bron enkel lading kan toevoegen aan de lokale opslagcapaciteit C2. De diode D2 zorgt ervoor dat de lokale referentiespanning van het aanstuurcircuit altijd op de laagste potentiaal staat, ook bij eventuele spanningssprongen van dit signaal. De weerstand R1 tenslotte dient samen met C2 als stabilisator om de lokale voedingsspanning min of meer constant te houden. Ook hier verliezen we een diodedrempel, we kiezen dus de amplitude van V1 = 4, 5 V.

41

Hoofdstuk 4. Switch G2: Voeding ontladen

Voor de goede werking van het systeem is het noodzakelijk dat de lokale bron telkens na een toestandstransitie terug laag wordt. Het uitschakelen van V1 volstaat echter niet, de condensator C2 zal immers nog opgeladen blijven. Het circuit van G2 zorgt ervoor dat de 2 lokale voedingslijnen kortgesloten worden door transistor T5, ongeveer 50 µs na het aanschakelen van de bron. Het delaycircuit bestaat uit een timingcondensator C3 en een dubbele invertor als buffer (T1T4). De transistordimensies van de 2 invertoren zijn hier asymmetrisch gekozen. Door de NMOS T2 een slechtere karakteristiek te geven dan de PMOS T1 (kleinere W/L) zal de transitiespanning van deze invertor verhogen naar ongeveer 2, 7 V. Hierdoor kan de tijdsconstante van de timingcondensator kleiner zijn: RC = =

−t ln (1 − VT /V ) −50 µs = 32 µs ln (1 − 2, 7 V/3, 4 V)

(4.3)

Met R2 = 1 MΩ en C3 = 32 pF krijgen we deze tijdsconstante van 32 µs. Verder dient de condensator C4 enkel voor de stabilitatie. De condensator C5 zorgt ervoor dat de transistor T5 lang genoeg geactiveerd blijft zodat de condensator C2 volledig kan ontladen. Ook dit circuit simuleren we via Cadence, zo verkrijgen we de resultaten van figuur 4.12. De bovenste grafiek in het rood stelt de voeding V1 voor. Deze genereert elke 200 µs een pulstrein van 40 µs lang. Hierdoor wordt de lokale voedingsspanning tot ongeveer 3, 4 V opgeladen (onderste grafiek in het groen). 50 µs later wordt de lokale bron kortgesloten en valt de spanning terug tot 0V. Blokgenerator

5 Vinput (V)

4 3 2 1 0

0

50

100

150

200

250

300

350

400

300

350

400


5 Vbron (V)

4 3 2 1 0

0

50

100

150

200 Tijd [µs]

250

Figuur 4.12: Simulatie van de lokale voeding

Hoofdstuk 4. Switch

4.3

42

Totaal circuit

We kunnen nu deze verschillende blokken samenbrengen om zo tot een volledig circuit van een schakelaar te komen. Daarna kunnen we meerdere van deze schakelaars samenbrengen in een matrix.

4.3.1

De schakelaar

Het volledig circuit is getekend in figuur 4.13. Links hebben we de lokale bron die gevoed wordt met een blokgenerator, het interne circuit staat getekend in figuur 4.11. Dit blok voorziet de Gate Control van een voedingsspanning. De Gate Control zal op zijn beurt de schakelaar af en aan zetten naargelang de data-input. Het ontwerp van dit blok bevindt zich in figuur 4.7. Beide inputsignalen worden galvanisch gescheiden van de rest van het circuit via een condensator. Rechts ziet u de effectieve schakelaar bestaande uit 2 DMOS transistoren vervat in dezelfde testbank als figuur 4.5.

Figuur 4.13: Blokschema van een schakelaar met aanstuurlogica en testbank

simulaties De simulatieresultaten van dit volledig circuit zijn weergegeven in figuur 4.14. We simuleren hier opnieuw het af en aanschakelen van de switch. Elke 200 µs geven we een stijgende of dalende flank met het inputsignaal (V2). Kort daarna schakelt de blokgenerator aan (V1) waardoor ook de lokale voeding van het aanstuurcircuit hoog komt (3e grafiek in het groen). We zien opnieuw dat de gate opgeladen wordt tot ongeveer 2, 6 V na een positieve flank en ontladen wordt na een negatieve flank. Als gevolg zal de spanning over de schakelaar respectievelijk 100 mV en 16 V bedragen (laatste grafiek in figuuur 4.14). Ook hier zijn de inputspanningen (Vinput en Vblok ) gemeten ten opzichte van de grond terwijl de spanning van de lokale bron en van de gate (Vbron en Vgate ) gemeten zijn ten opzichte van de lokale referentiespanning Vs. Wanneer we de sourcespanning (Vs) bekijken (gemeten ten opzichte van de grond) dan zien we dat dit signaal een kleine oscillatie bevat op de momenten dat de blokgenerator actief is. Dit is

43

Hoofdstuk 4. Switch

Data input

Vinput (V)

4 2 0

0

100

200

300

400

500

600

700

800

500

600

700

800

600

700

800

500

600

700

800

500

600

700

800

600

700

800

Vblok (V)

Blokgenerator 4 2 0

0

100

200

Vbron (V)

2 0

0

100

200

300

500

2 0 0

100

200

300

400

Source spanning

8 Vsource (V)

400

Spanning op de gate

4

6 4 2 0 0

100

200

300

400


20 Vswitch (V)

400


4

Vgate (V)

300

10 0

0

100

200

300

400 Tijd [µs]

500

Figuur 4.14: Simulatieresultaten van de switch met het volledige aanstuurcircuit

Hoofdstuk 4. Switch

44

als volgt te verklaren: in sectie 4.2.3 hebben we de lokale voeding apart gesimuleerd, waarbij de lokale referentie op een constante spanning werd gehouden. Wanneer we dit circuit nu gebruiken om het aanstuurcircuit te voeden is deze lokale referentie niet langer verbonden met een constante spanningsbron maar wel met de sourcecontacten van de DMOS-transistoren. De contacten van de schakelaar zijn enerzijds verbonden met de stroombron van de testbank en anderzijds slechts via een weerstand R1 met de grond. Wanneer de blokgenerator een flank geeft om de lokale voeding op te laden zal dit een kleine perturbatie geven in de absolute potentiaal van Vs. Deze oscillaties zorgden eerst voor een probleem waardoor ook de interne signalen begonnen te fluctueren en het volledige circuit niet meer werkte. De condensator C1 = 10 nF in figuur 4.13 zorgt ervoor dat de sourcespanning Vs gestabiliseerd wordt. Dit verkleint de oscillaties op Vs en zorgt ervoor dat het circuit opnieuw werkt. Een nadeel van deze oplossing is echter dat alle Vs signalen van de schakelaars capacitief verbonden zijn met de grond en dus ook met elkaar. Hierdoor zullen deze schakelaars geen AC-stroom meer kunnen blokkeren. Om te controleren of dit problematisch is, bekijken we een praktisch voorbeeld: stel dat een boom boven een zonnepaneel een periodieke schaduw veroorzaakt als gevolg van de wind, dan zal deze fluctuatie in belichting zeker niet hoger dan 1 kHz bedragen. De capaciteit C1 zorgt heeft bij deze frequentie nog steeds voor een impedantie van 10 nF · 12π1 kHz = 16 kΩ. Bovendien zal er het grootste gedeelte van de tijd enkel DC stroom stromen in het zonnepaneel. De extra condensator zal dus niet voor problemen zorgen. Nu het circuit volledig is kunnen we uit de simulaties berekenen wat het werkelijk verbruik is van deze schakelaar. Hiervoor integreren we het ogenblikkelijk vermogen geleverd door V1 en V2 over een tijdsinterval waarbinnen de schakelaar éénmaal aanschakelt en éénmaal uitschakelt. Zoals eerder vermeld is de refreshrate van de toestand 1 Hz. We moeten het resultaat dus nog delen door 2 seconden. We bekomen zo een maximaal vermogen van Pmax = 412 nW per schakelaar. Dit is nog steeds meerdere grootordes lager dan het equivalent met een relais of een optocoupler.

4.3.2

Switch matrix

We kunnen nu een actieve matrix implementeren van deze schakelaars zoals in figuur 4.15. Hierbij bestaat een enkele schakelaar uit de DMOS schakeltransistoren plus het aanstuurcircuit. Met een actieve matrix [26] kunnen we op een effeciënte manier alle schakelaars in de matrix voorzien van de gewenste data. De row driver selecteert met een schuifregister elk om beurt 1 rij terwijl de column driver op de gepaste momenten een positieve of negatieve flank genereert. Eenmaal alle schakelaars hun data ontvangen hebben, schakelt de blokgenerator (V1 in de figuur) aan zodat elke schakelaar zijn data in de juiste toestand omzet. Na 40 µs schakelt deze weer af en blijft de interconnectietoestand behouden. Voor de actieve matrix bevat elke schakelaar nog een extra transistor waarvan de gate is aangesloten op de row driver. Deze transistor kan dan het signaal van de column driver op de gepaste momenten doorlaten of blokkeren, opdat dit correct zou werken is het belangrijk dat het bulkcontact van deze schakelaar steeds op de laagste spanning wordt gehouden. Daarna wordt dit signaal opgeslagen op een condensator (deze is samen met de transistor links in

45

Hoofdstuk 4. Switch

Figuur 4.15: Matrix van schakelaars

het blok van een schakelaar te zien). Dit signaal wordt dan eveneens gebruikt als datasignaal voor het aanstuurcircuit. De condensator C2 uit figuur 4.7 zorgt voor de galvanische scheiding tussen deze data en de rest van het ciruit. Opdat eventuele spanningssprongen van de lokale referentie (Vs) geen grote invloed zouden hebben op de opgeslagen waarde van de data, is het belangrijk dat de opslagcondensator een stuk groter is dan de condensator die dient voor de galvanische scheiding. Aangezien C2 = 1 nF (zie tabel 4.1) kiezen we voor de opslagcondensator C = 10 nF. Simulatie Om de simulatie niet al te complex te maken, gebruiken we hier een 3 × 3 switch matrix. Dit systeem is echter zeer eenvoudig uit te breiden naar een hogerdimensionale matrix door de extra schakelaars aan te sluiten op de actieve matrix. Opnieuw gebruiken we dezelfde testbank met een stroombron en een diode-array maar sluiten deze nu aan op een serieschakeling van alle schakelaars. Voor de duidelijkheid zijn alle signaaldraden van de testbank rood getekend in figuur 4.15.

46

Hoofdstuk 4. Switch De simulatieresultaten van deze matrix zijn weergegeven in figuur 4.16. Input van rij driver

Vrow (V)

4 3

Rij 1 Rij 2 Rij 3

2 1 0

0

50

100

150

350

400

450

500

300

350

400

450

500

300

350

400

450

500

350

400

450

500

2 1 0

50

100

150

200

250

Blokgenerator

6 Vblok (V)

300

3

0

4 2 0

0

50

100

150

200

250

Spanning over de matrix

20 Vswitch (V)

250

Input van kolom driver

4 Vcolumn (V)

200

15 10 5 0

0

50

100

150

200

250 Tijd [µs]

300

Figuur 4.16: Simulatieresultaten van een 3 × 3 switch matrix

Op de bovenste grafiek zijn de inputsignalen van de row driver weergegeven. Elk om beurt wordt een rij geselecteerd door zijn overeenkomstig signaal 2 µs hoog te houden. De signalen van de verschillende rijen liggen in deze simulatie 10 µs uit elkaar. Indien meer dan 3 rijen van data moeten voorzien worden, kunnen deze signalen dichter bij elkaar komen. Tijdens de enable-fase van een rij geeft de kolom-driver (2e grafiek) een positieve flank om de schakelaar te activeren en een negatieve om hem te deactiveren. Voor de duidelijkheid van deze simulatie is de column driver hier voor alle kolommen kortgesloten. Met deze simulatie wensen we immers alle schakelaars tegelijk aan of af te zetten.

Hoofdstuk 4. Switch

47

Nadat een schakelaar zijn data ontvangen heeft, blijft deze data enerzijds bewaard als een spanning op de opslagcondensator van de actieve matrix en anderzijds als een positieve of negatieve diodedrempel in het aanstuurcircuit van die schakelaar. Na 50 µs hebben alle schakelaars hun data ontvangen en wordt de blokgenerator geactiveerd. Door deze actie wordt de lokale voeding van alle aanstuurcircuits opgeladen en zal deze de ontvangen data omzetten in een gepaste toestand van de schakelaar. In deze simulatie zijn alle schakelaars initieel gedeactiveerd. De eerste data-update genereert enkel positieve flanken, we zien dan ook dat de spanning over de volledige matrix terugvalt tot de verwachte 900 mV wat aantoont dat alle schakelaars gesloten worden. Bij de volgende tijdsstap worden alle schakelaars opniew gedeactiveerd waardoor de stroom I noodgedwongen door de diodebank moet vloeien en de spanning over de schakelaar opnieuw 16 V wordt.

4.3.3

Fysische grootte

Om dit hoofdstuk te beëindigen maken we nog een schatting van de fysieke grootte van de ontwikkelde schakelaar. Hiervoor zoeken we in de datasheet van de I3T80 technologie de specificaties van de verschillende componenten op. De meeste plaats zal uiteraard ingenomen worden door de DMOS schakeltransistoren, verder zullen ook de diodes en capaciteiten een noemenswaardige oppervlakte innemen indien we deze componenten willen integreren op de chip. Een DMOS transistor van 1 mm breed kan ge¨ımplementeerd worden op een oppervlakte van 11203 µm2 , hierin zijn de contacten en de nodige spacing reeds inbegrepen. Om de gewenste Ron te halen moeten we 340 van deze transistoren in parallel zetten. Bovendien hebben we er 2 nodig per schakelaar. De totale oppervlakte van de DMOS transistoren bedraagt zo 7, 62 mm2 . Ook de diodes rond de DMOS schakelaars nemen elk een oppervlakte in van 8532 µm2 in beslag, terwijl de diodes van de lokale voeding elk 1400 µm2 vragen. Zoals eerder besproken maken we hier gebruik van de ’Metal-Metal Sandwich Capacitor’ omwille van zijn hoge doorslagspanning. Deze levert 0, 14 pF/µm2 op. De grootste capaciteiten zitten voor deze schakeling in lokale voeding, stabilisatie van de lokale referentie, opslag van het datasignaal in actieve matrix en de galvanische scheiding, samen goed voor 31 nF of een oppervlakte van 0, 22 mm2 . Alle overige componenten van de aanstuurlogica en de drivers van de actieve matrix zullen verwaarloosbaar klein zijn tegenover de hierboven vermelde componenten. Tabel 4.3 vat deze berekeningen samen en toont aan dat de totale oppervlakte van een enkele schakelaar uit de switch matrix 7, 86 mm2 bedraagt. In vergelijking met een enkele zonnecel van 50 × 50 mm is dit nog steeds verwaarloosbaar klein.

48

Hoofdstuk 4. Switch Tabel 4.3: Schatting van de oppervlakte van een schakelaar

Component

Opp [mm2 ]

DMOS

fig 4.7 (T1, T2)

7,62

Diodes

fig 4.7 (D1,D2)

0,02

fig 4.11 (D1, D2) Capaciteiten

fig 4.7 (C2)

0,22

fig 4.11 (C1,C2) fig 4.13 (C1) fig 4.15 (C) Totaal

4.4

7,86

Conclusie

We kunnen hier besluiten dat we een werkend circuit ontworpen hebben om een solid-state schakelaar te besturen dat voldoet aan de eisen zoals vermeld in het begin van dit hoofdstuk. Dit circuit verbruikt enkel een minimum aan stroom bij het wisselen van toestand en bestaat volledig uit integreerbare componenten. Met deze schakelaars kunnen we een switch matrix implementeren die eenvoudig aan te sturen is met een row driver en column driver van een actieve matrix. Dit maakt dit systeem zeer geschikt voor het herconfigureren van zonnecellen in een zonnepaneel.

Hoofdstuk 5

Slim Zonnepaneel Met het systeem van herconfiguratie uit sectie 3.2.2 en met de switchmatrix uit sectie 4.3.2 kunnen we een gewoon zonnepaneel omvormen tot een slim zonnepaneel dat beter bestand is tegen partiële beschaduwing. In dit hoofdstuk vertrekken we van een bestaand zonnepaneel, MADE IN MILWAUKEE. YOU. FOR MADE de Helios Solar Works 6T 240, we rusten dit uit met het herconfiguratie systeem en bekijken via een simulatie van een realistisch dagverloop of dit effectief zinvol is. High-performance solar modules offering higher efficiency, lower installation costs 60 high-quality mono-crystalline cells per module

6T SERIES Opbouw van het zonnepaneel

Tested to UL 1703, TUV, CEC, and FSEC with a Class C fire rating

5.1

25-year warranty of 90 percent of minimum rated power for 10 years and 80 percent for an additional 15 years Manufactured end-to-end in Milwaukee, Wisconsin (USA) using Helios Solar Works advanced, automated platform

We vertrekken hier van de Helios Solar Works 6T 240 : In de datasheet1 van dit zonnepaneel Helios Solar Works manufactures high-performance mono-crystalline solar modules for solar electric systems. We use only high-quality components and an advanced, automated manufacturing platform to offer modules that deliver higher efficiency, lower installation costs, and a smaller system footprint. Helios Solar Works is headquartered in Milwaukee, Wisconsin. We manufacture our modules using materials sourced from regional and U.S. suppliers whenever possible.

CATEGORY Mono-crystalline Solar (60 Cell)

CHARACTERISTICS Dimension: Area: Thickness: Weight:

1,680 mm x 990 mm (66.14” x 38.98”) 1.66 m2 (17.87 Sq Ft) 40 mm (1.58”) 22.5 kg (49.5 lbs)

OUTPUT CLASSES 255, 250, 245, 240

WARRANTY 25-year limited power warranty Year 1-10: 90 percent Year 11-25: 80 percent 10-year workmanship warranty

Figuur 5.1: Zonnepaneel Helios Solar Works 6T 240

Helios USA, LLC 1207 W. Canal Street, Milwaukee, WI 53233 www.heliossolarworks.com

[email protected] 877.443.5467 ext. 11

vinden we de volgende gegevens: 60 monocrystallinne 6” zonnecellen (156 mm × 156 mm) in serie Bevat 3 interne bypass-diode, elk over 20 cellen VOC = 36, 8 V en ISC = 8, 7 A @ STC VM P = 30 V en IM P = 8 A @ STC 1

Datasheet: http://www.heliossolarworks.com/Portals/132436/docs/6t.pdf

49

50

Hoofdstuk 5. Slim Zonnepaneel Onder STC2 levert dit paneel 240 W aan elektrisch vermogen, bij NOCT dit tot 175 W

3

vermindert

Het totale paneel is 1680 mm ×990 mm groot.

24 x 12 Switchmatrix

We voegen nu het systeem van actieve cel-reconfiguratie toe. Hiervoor splitsen we de matrix van zonnecellen op in 2 delen: een fixed array en een adaptive array (zoals besproken in sectie 3.2.2. We kiezen hier een vaste TCT matrix met 12 rijen van 3 zonnecellen in parallel. De overige 24 cellen maken deel uit van de adaptive array en worden elk afzonderlijk aangesloten op de switchmatrix. In het beste geval kan dit systeem een partiëel beschaduwd zonnepaneel zo herconfigueren dat elke rij opnieuw evenveel lichtvermogen ontvangt, ideaal zou dit het gemiddelde van het totaal invallend vermogen zijn. Omdat de vorm en intensiteit van de schaduw volledig arbitrair zijn, kunnen we de losse zonnecellen best uniform plaatsen in het zonnepaneel. We komen zo tot de configuratie van figuur 5.2(b).

(a) Bestaand zonnepaneel

(b) Slim zonnepaneel

Figuur 5.2: Uitbreiding van het bestaand zonnepaneel met herconfiguratiesysteem

Voor de duidelijkheid van de figuur zijn de interconnecties achterwege gelaten. In het rood zijn telkens 3 cellen omlijnd die samen een rij van de vaste matrix vormen. De overige cellen in het groen omlijnd zijn rechtstreeks aangesloten op de switchmatrix. Met een switchmatrix van 24 × 12 dubbele schakelaars kan elke losse cel bij elke rij uit de vaste matrix gevoegd worden. Elke schakelaar wordt dubbel uitgevoerd aangezien de 2 polen van een zonnecel moeten geconnecteerd worden. De indeling is hier een afweging tussen de flexibiliteit en de grootte van de switchmatrix. 2 3

Standard Test Conditions: 25 ◦ C bij 1000 W/m2 Nominal Operating Cell Temperature: 45 ◦ C bij 800 W/m2 en windsnelheid van 1 m/s

51

Hoofdstuk 5. Slim Zonnepaneel

5.2

Simulatie van dagopbrengst

Om na te gaan of het toevoegen van deze extra componenten ook effectief nuttig is, simuleren we een realistische situatie. We installeren dit zonnepanneel op het dak van een huis, maar dichtbij een schoorsteen. De schoorsteen zal in de loop van de dag een variabele schaduw werpen op het zonnepaneel, afhankelijk van de stand van de zon.

5.2.1

Configuratie

Deze configuratie is schematisch getekend in figuur 5.3. De dimensies van dit systeem worden hier gekozen zoals weergegeven in tabel 5.1.

Figuur 5.3: Schematische voorstelling van het gisumeleerde systeem

Tabel 5.1: Parameters van het gesimuleerde systeem

Parameter

Waarde

Lengte van het zonnepaneel

L

1, 7 m

Breedte van het zonnepaneel

W

1m

Helling van het zonnepaneel

β

37 ◦

Hoogte van de schoorsteen

h

1m

Diameter van de schoorsteen

D

40 cm

Afstand schoorsteen - zonnepaneel

d

20 cm


52

De optimale hoek om een zonnepaneel te installeren is afhankelijk van de plaats op aarde. Om in Gent een maximale jaaropbrengst te verkrijgen wordt het paneel best onder een hoek van 37 ◦ recht naar zuiden gericht [3]. Voor de verdere simulaties worden de zonnecellen van de Helios Solar Works 6T 240 vervangen door de zonnecellen van sectie 2.1.4. Deze zijn ongeveer 10 maal kleiner dan de originele waardoor ook de opbrengst zal terugvallen tot 37 W. Dit verandert echter niets aan de algemeenheid van de opstelling, het volledige systeem kan immers makkelijk geschaald worden.

5.2.2

Belichting

Om te berekenen hoe de belichting van het zonnepaneel verandert in functie van de tijd moeten we de stand van de zon kennen. Hiervoor gebruiken we een online-tool 4 die de hoogte (α) en het azimuth (φ = hoek ten opzichte van het noorden) berekent op 7 augustus 2012: figuur 5.4

Figuur 5.4: Boog van de zon op 7 augustus 2012

De intensiteit van het ontvangen zonlicht op het aardoppervlak wordt eveneens berekend in [3]. Enerzijds ontvangt men het vermogen van de rechtstreekse zonnestralen, anderszijds is er ook het gescatterde licht door de atmosfeer. De beschaduwde delen zullen enkel het diffuus licht ontvangen, terwijl de niet beschaduwde delen een som van beide krijgen. De waarden zijn weergegeven in tabel 5.2. De ontvangen intensiteit is verder ook nog afhankelijk van de oriëntatie van het zonnepaneel ten opzichte van de zon. Het is duidelijk dat enkel indien de zonnestralen loodrecht invallen op 4

Tool voor zonnepositie: http://sunposition.info/sunposition/spc/locations.php

53

Hoofdstuk 5. Slim Zonnepaneel Tabel 5.2: Ontvangen vermogen van de zon

Diffuus zonlicht

D = 195 W/m2

Direct zonlicht

B = 768 W/m2

Globale intensiteit

G = 963 W/m2

het zonnepaneel de globale intensiteit ontvangen wordt. Voor een zonnepaneel dat recht naar het zuiden gericht staat en een hoek β met de horizon maakt wordt de ontvangen intensiteit berekend door: Gef f = G · sin(α + β) · sin(φ − 90) (5.1) Deze formule houdt echter geen rekening met de absorptie door atmosfeer, wanneer de zon laag aan de horizon staat moeten de zonnestralen langer door de atmosfeer reizen en zullen de verliezen hoger zijn.

5.2.3

Schaduwvorm

We moeten nu berekenen welk schaduwpatroon de schoorsteen op het zonnepaneel werpt. Hiervoor beschouwen we enerzijds het assenstelsel met als oorsprong het midden van de schoorsteen (x,y,z) en anderzijds het assenstelsel van het zonnepaneel met als oorsprong de linkerbenedenhoek van het zonnepaneel (x’,y’). Dit is schematisch weergegeven op figuur 5.5 .

y’

y x’ z

x

Figuur 5.5: 2 assenstelsels op het systeem

De transformatieformules voor het vlak van het zonnepaneel zijn:   x = x0 − L2    y = y 0 · cos(β) + d     z = y 0 · sin(β)

(5.2)

De schaduwlijn van de schoorsteen op het zonnepaneel bepalen we als volgt: initiëel beschouwen we een schoorsteen zonder dikte (D=0), de schaduw op het zonnepaneel wordt bepaald

54


door 2 punten: de top van de schaduw en het snijpunt van de schaduwlijn met de onderkant van het zonnepaneel (y’=0). De coordinaten van dit onderste punt vinden we als volgt:   x0 = L + d · tan(φ) 2 (5.3)  y0 = 0 Om de coordinaten van de top te bepalen, stellen we de vergelijking op van de lijn komende van de zon door de top van de schoorsteen (gele lijn op figuur 5.5):   x = 0 + r · sin(φ) cos(α)       

y = 0 + r · cos(φ) cos(α)

(5.4)

z = h + r · sin(α)

Om het snijpunt van deze lijn met het zonnepaneel te bepalen, lossen we het stelsel van vergelijkingen 5.4 en 5.2 op en vinden zo de top van de schaduw in zonnepaneelcoordinaten. Dit stelsel is echter niet analytisch oplosbaar. We implementeren dit systeem dus in Matlab en laten de schaduwpatronen in functie van de stand van de zon berekenen. Eenmaal de schaduwlijn gevonden is, bepaalt het algoritme van elke cel in het zonnepaneel de schaduwintensiteit op basis van de afstand tot deze schaduwlijn. Enkele resultaten worden voorgesteld in figuur 5.6. Hierbij stelt elke pixel een zonnecel voor, de grijswaarde representeert het ontvangen lichtvermogen. ’s Morgens en ’s avonds zien we dat de schaduw van de schoorsteen naast het zonnepaneel valt maar dat de algmene intensiteit laag is. In de voormiddag staat de zon in het zuid-oosten en valt de schaduw naar links. ’s Middags staat de zon op zijn hoogste punt en is ook de lichtintensiteit het hoogst, de schaduw valt hier loodrecht in. Wanneer de zon verder naar het westen draait, zal de schaduw schuin naar rechts invallen. 8:30

11:00

13:00

2

2

2

4

4

4

6

6

6

2

4

6

8

10

2

4

14:00

6

8

10

2

16:00 2

2

4

4

4

6

6

6

4

6

8

10

2

4

6

6

8

10

8

10

19:00

2

2

4

8

10

2

4

6

Figuur 5.6: Schaduwvormen van de schouw op het zonnepaneel op verschillende tijdstippen

55


5.2.4

Resultaten

Simulatie 1 Om de 2 zonnepanelen met elkaar te vergelijken, bepalen we de vermogenoutput van beide systemen. Hiervoor implementeren we ook het reconfiguratie algortime van sectie 3.2.2 in Matlab. Aan de hand van de ogenblikkelijke belichtingstoestand wordt de matrix van zonnecellen geherconfigureerd. Op basis van deze nieuwe interconnectietoestand wordt dan een SPICE netlist gegenereerd waarin de cellen uit de adaptive array via de switch uit sectie 4.3.2 verbonden zijn met de juiste rijen uit de vaste matrix. Daarnaast genereert het programma ook een netlist van het bestaande zonnepaneel met 3 bypass-diodes, dit wordt getest onder dezelfde belichtingstoestand. Als laatste voegen we ook nog een serieweerstand van 0, 1 Ω toe aan de outputklemmen, dit stelt de koperverliezen voor. Per tijdsstap van een half uur worden dus 2 netlisten gegenereert die dan via LTspice kunnen gesimuleerd worden. In deze simulatie gaan we uit van een perfecte MPPT en berekenen we telkens het maximale outputvermogen. De resultaten van deze simulatie zijn weergegeven in figuur 5.7.

Outputvermogen van zonnepaneel

25

P beschikbaar P bestaand P herconfiguratie

P (W)

20 15 10 5 0

6

8

10

12 14 16 Tijdstip (uur van de dag)

18

20

22

Figuur 5.7: Simulatie van outputvermogen doorheen de dag bij schaduw door schoorsteen

In het blauw is het beschikbaar elektrisch vermogen van dit zonnepaneel weergegeven (het outputvermogen indien elke cel op zijn eigen MPP kan werken). Vanaf het moment dat de zon opkomt boven de horizon (rond 6:30) tot het moment dat de zon in het oosten staat (rond 9:00) bevindt het zonnepaneel zich in zijn eigen schaduw: de belichting blijft hier constant gelijk aan het diffuus lichtvermogen (de schemering ’s morgens en ’s avonds worden hier niet in rekening gebracht). Hetzelfde scenario doet zich ’s avonds voor van zodra de zon voorbij het westen is. Hiertussen volgt de belichting een sinusvorm en zal er zich schaduw voordoen.

56


In het rood is het outputvermogen van het bestaande zonnepaneel weergegeven. We zien dat dit drastisch daalt als gevolg van de schaduw ook al is deze relatief beperkt in oppervlakte. Bovendien is het outputvermogen erg afhankelijk van de vorm en de plaats van de schaduw ten opzichte van de bypass-diodes: dit is te merken aan de sprongen in deze grafiek. Het nieuw ontwikkelde systeem met herconfiguratie blijkt een stuk beter te scoren en levert bijna altijd meer vermogen dan het origineel systeem. Het verschil met het beschikbare vermogen is enerzijds te wijten aan de eindige flexibiliteit (kan verbeterd worden door de switchmatrix uit te breiden) en anderzijds aan de geleidingsverliezen van de schakelaars (kan verbeterd worden door DMOS transistoren nog groter te kiezen). De enige situatie waarin het originele systeem beter scoort, zijn de momenten van uniforme belichting. Hier zal het oorspronkelijke systeem makkelijk alle vermogen kunnen benutten terwijl het reconfiguratiesysteem ook hier last heeft van geleidingsverliezen door de schakelaars. We bekijken ook de dagopbrengst van beide panelen. Hiervoor integreren we de verschillende curves. Uit tabel 5.3 blijkt dat we gemiddeld per dag 40 % meer energie kunnen winnen door het toevoegen van een reconfiguratiesysteem. Bovendien is de poweroutput opnieuw evenredig met het invallend lichtvermogen, dit in tegenstelling tot het oorspronkelijke systeem. Rond 13:00 halen we de slechtst mogelijke effeciëntie met het bestaand zonnepaneel, op dit tijdsstip kunnen we zelfs tot 145 % meer energie halen uit datzelfde zonnepaneel. Tabel 5.3: Perfomantie vergelijking tussen beide systemen bij schaduw door schoorsteen

Dagtotaal

Om 13:00

Beschikbaar vermogen

157 Wh

22, 2 W

Bestaand zonnepaneel

92 Wh

6, 95 W

,→ SIF

1, 74

4, 34

,→ Globale effiëntie

58 %

31 %

129 Wh

17, 0 W

,→ SIF

1, 32

2, 15


83 %

76 %

+40 %

+145 %

Reconfiguratie systeem

Winst

Simulatie 2 Een andere realistische situatie doet zich voor wanneer er wat vuil of een blaadje blijft kleven op het zonnepaneel. In deze simulatie staat het zonnepanneel volledig vrij zodat er geen objecten een schaduw werpen maar kleeft er vuil op het panneel waardoor 2 cellen in het midden van het paneel voor 70 % bedekt worden. Deze cellen ontvangen nu steeds 30 % van de globale belichting en niet het diffuus lichtvermogen zoals in vorige simulatie. De resultaten zijn weergegeven in figuur 5.8 en tabel 5.4

57


Outputvermogen van zonnepaneel

30

P beschikbaar P bestaand P herconfiguratie

25

P (W)

20 15 10 5 0

6

8

10

12 14 16 Tijdstip (uur van de dag)

18

20

22

Figuur 5.8: Simulatie van outputvermogen doorheen de dag bij schaduw door vuil

Tabel 5.4: Perfomantie vergelijking tussen beide systemen bij schaduw door vuil

Dagtotaal

Om 10:30

Beschikbaar vermogen

163 Wh

9, 1 W

Bestaand zonnepaneel

62 Wh

3, 4 W

,→ SIF

2, 33

1, 53


38 %

37 %

132 Wh

8, 0 W

1, 5

1, 06

80 %

88 %

+113 %

+135 %

Reconfiguratie systeem ,→ SIF ,→ Globale effiëntie Winst

We zien dat in het beste geval opnieuw 135 % meer energie kan gewonnen worden maar bij dit systeem is ook de gemiddelde dagobrengst 113 % hoger. Conclusie De 2 bovenstaande simulaties tonen aan dat in het geval van partiële schaduw een zonnepaneel met actieve cel-reconfiguratie opmerkelijk meer vermogen kan opleveren dan een standaard zonnepaneel. Natuurlijk heeft dit ook een keerzijde: de extra componenten maken het zon-


58

nepaneel duurder en groter. Zoals berekend in tabel 4.3 is de oppervlakte van een enkele schakelaar 7, 86 mm2 . In totaal hebben we er hier 24 × 12 × 2 = 576 nodig wat de totale oppervlakte van de switchmatrix op 45 cm2 . De oppervlakte van dit zonnepaneel van 60 zonnecellen van elk 5 × 5 cm vergroot hiermee slechts 3 %. De aansturing van deze schakelaars verbruikt 576 × 412 nW (zie sectie 4.3.1). Het dagverbruik bedraagt hiermee slechts 3, 5 mWh en is dus volledig verwaarloosbaar. Aangezien de switchmatrix volledig uit integreerbare componenten bestaat kunnen deze volledig automatisch ontwikkeld worden. Indien dit systeem in grote oplages kan ontwikkeld worden, zal ook de financiële meerkost binnen de perken blijven. Deze simulaties tonen aan dat het uitrusten van een zonnepaneel met dit actieve cel-reconfiguratiesysteem wel degelijk nuttig is terwijl de meerkost aan oppervlakte en componenten niet opweegt tegen de efficiëntiewinst. Op plaatsen waar frequent partiële schaduw kan optreden kan dit het outputvermogen met 40 % doen stijgen. In het geval er de volledige dag wat vuil blijft kleven op het zonnepaneel kan dit het outpuvermogen zelfs verdubbelen. Op plaatsen waar nooit partiële beschaduwing optreedt en het zonnepaneel regelmatig gereinigd wordt, zal het standaard zonnepaneel nog steeds iets efficiënter zijn. Dit systeem wordt hier ge¨ımplementeerd op cel-niveau. Om ook de mismatches tussen verschillende zonnepanelen van een grote zonne-installatie te vermijden bij partiële beschaduwing, kan een gelijkaardig systeem ook op module-niveau toegevoegd worden. Hier is het gebruik van relais voor de switchmatrix wel aangewezen door de hogere stroomniveau’s. De grootte van deze switchmatrix zal opnieuw verwaarloosbaar zijn ten opzichte van de volledige installatie van soms honderden zonnepanelen.

Hoofdstuk 6

Besluit Om dit eindwerk te besluiten vatten we nog eens de belangrijkste conclusies en resultaten samen, we bespreke op welke punten verbeteringen en verder onderzoek aangewezen zijn.

6.1

Conclusies

In de eerste 2 hoofdstukken wordt aangetoond dat eenvoudige zonnepanelen slechte prestaties halen wanneer delen ervan beschaduwd worden. Door de elktrische mismatch tussen de verschillende zonnecellen kan een schaduw die slechts 8 % van het paneel bedekt de vermogenoutput doen dalen met 80 % waardoor het volledige zonnepaneel praktisch onbruikbaar wordt. In de huidige commerciëel verkrijgbare zonnepanelen wordt dit probleem deels aangepakt door het plaatsen van extra bypass-diodes. Hiermee worden de minder productieve zonnecellen als het ware uit het zonnepaneel gehaald. Maar ook deze diodes zullen een deel van het vermogen dissiperen. Als oplossing hiervoor is reeds een smart bypass-systeem ontwikkeld dat de minder productieve cellen kan kortsluiten. Het bypass mechanisme vermindert de verliezen maar is nog verre van ideaal. De stroom van deze minder productieve cellen is immers onherroepelijk verloren. Beter zou zijn om het volledige vermogen van elke cel te kunnen benutten, ongeacht de verschillen in productiviteit. Met een simpele serie-parallel schakeling is dit echter niet mogelijk. Om dit probleem op te lossen maken we gebruik van een systeem dat dynamisch de cellen binnen een zonnepaneel kan herconfigureren afhankelijk van de ogenblikkelijke belichtingstoestand. Hiervoor wordt de matrix van zonnecellen opgedeeld in 2 delen. Ongeveer de helft van de cellen staat in een vaste matrix die bestaat uit verschillende rijen die in serie geschakeld staan. Elke rij van deze vaste matrix bevat enkele cellen in parallel. De overige cellen zijn initiëel nog niet geconnecteerd en kunnen via een switch-matrix bij een willekeurige rij gevoegd worden. Een microcontroller meet de belichtingstoestand en berekent de ideale toestand waarbij elke rij ongeveer evenveel vermogen produceert. Om deze toestand te bereiken stuurt de microcontroller de switchmatrix aan die bij elke rij het gewenst aantal cellen toevoegt. In hoofdstuk 3 wordt aangetoond dat dit systeem een hogere opbrengst heeft in het geval van partiële beschaduwing.

59

Hoofdstuk 6. Besluit

60

Opdat dit systeem van actieve-cel reconfiguratie nuttig zou zijn, mag de implementatie kost niet opwegen tegen de efficiëntieverhoging. Een voor de hand liggende implementatie van de switchmatrix bestaat uit een matrix van relais. Het grote nadeel van deze schakelaars is hun statisch stroomverbruik en fysieke grootte. Hierdoor zal de switchmatrix meer stroom verbruiken dan het zou kunnen opleveren via een efficiëntieverhoging. Bovendien zou ook de omvang van het zonnepaneel drastisch toenemen. Om deze redenen wordt er in hoofdstuk 4 een nieuwe solid-state switchmatrix ontworpen op basis van DMOS-transistoren uit de I3T80 technologie. Via een gepast aanstuurcircuit met galvanische scheiding kunnen deze schakelaars zuinig en eenvoudig bediend worden. Deze schakelaar heeft geen statisch stroomverbruik meer en bij een update-snelheid van ongeveer 1 Hz zal hij maximaal 412 nW verbruiken. Bovendien bestaat dit systeem volledig uit integreerbare componenten en neemt het ongeveer 7, 86 mm2 chip-oppervlakte in, wat verwaarloosbaar is ten opzichte van de oppervlakte van een zonnecel. Om te controleren of het toevoegen van deze extra componenten ook effectief zinvol is, simuleren we in hoofdstuk 5 een realistisch voorbeeld: we installeren het zonnepaneel op een dak in de buurt van een schoorsteen. In de loop van de dag zal die schoorsteen een variabele schaduw werpen op het zonnepaneel. We simuleren de opbrengst van een standaard zonnepaneel met bypass-diodes en vergelijken dit met de opbrengst van het zonnepaneel uitgerust met het herconfiguratie-systeem. Hieruit blijkt dat het nieuwe paneel per dag gemiddeld 40 % meer vermogen kan produceren dan het originele systeem. Een tweede veel voorkomend schaduwprobleem is vuil dat op een zonnepaneel kleeft. Hoewel deze typisch kleine oppervlaktes beschaduwen kan dit de efficiëntie van de gewone zonnepanelen drastisch verminderen. Het aangepaste zonnepanneel kan hier meer dan dubbel zoveel vermogen winnen.

6.2

Perspectieven

Deze thesis toont aan dat er veel potentieel zit in het systeem van actieve cel-reconfiguratie maar het werk is hierbij niet af. Verder onderzoek is nog nodig op de volgende punten: De opsplitsing van het zonnepaneel in een fixed array en een adaptive array is hier redelijk intu¨ıtief gekozen. Diepgaandere simulaties kunnen de optimale verdeling beter bepalen. Hoe meer cellen in de vaste matrix zitten hoe minder cellen voor de herconfiguratie kunnen dienen. Dit vermindert het aantal schakelaars en dus ook de geleidingsverliezen, anderzijds daalt ook de flexibiliteit van het systeem waardoor er meer mismatch-verliezen kunnen optreden. In dit eindwerk hebben we ons toegespitst op een bepaalde techniek uit de literatuur. Andere of eventueel nieuwe technieken kunnen eveneens onderzocht worden en vergeleken worden met dit systeem. Ook de ideale techniek voor het opmeten van de ogenblikkelijke belichtingstoestand moet nog onderzocht worden. Enerzijds kan men via stroom- en spanningssensoren een schatting maken van de belichting anderzijds kunnen ook extra fotodiodes toegevoegd worden. Dit laatste heeft als voordeel dat het circuit niet onderbroken moet worden bij een nieuwe meting.

Hoofdstuk 6. Besluit

61

Het ontwerp van de switchmatrix is volledig via het simulatiepakket Cadence gedaan. In een volgend stadium kan de deze chip effectief geproduceerd en uitgemeten worden. Aangezien de realiteit dikwijls verschilt van de simulaties kunnen zo eventuele tekortkomingen opgespoord worden. Als laatste kan dan een zonnepaneel ook effectief uitgerust worden met het ontwikkelde systeem en kan men de opbrengst hiervan meten. Als ook deze metingen gelijkaardige resultaten opleveren als de simulaties kan de econonmische haalbaarheid bekeken worden.

Dit werk toont aan dat het idee van actieve cel-reconfiguratie weldegelijk zinvol blijkt en verder onderzoek verdient. Bij het veel voorkomend probleem van partiële schaduw kan via dit systeem aanzienlijk meer vermogen geproduceerd worden.

Bijlage A

Falende aanstuurcircuits Bij de zoektocht naar een werkend en geschikt aanstuurcircuit voor de solid-state schakelaar zijn er meerdere concepten en circuits uitgeprobeerd. Voor de volledigheid beschrijft deze bijlage ook deze circuits tezamen met hun tekortkomingen.

A.1

Dynamische level shifter met pDMOS switch

Het eerste circuit dat bestudeerd werd, is gebaseerd op een bestaand circuit uit de cursus ’Ontwerp van Microsystemen’ [27] en tevens gepatenteerd in US6917236. Het circuit uit figuur A.1 stelt een dynamische level shifter voor zonder statisch stroomverbruik dat een pDMOS schakelaar kan aansturen.

Figuur A.1: Dynamische level shifter met pDMOS switch

Dit circuit werkt als volgt: Indien het data-signaal hoog is, zal bij de volgende strobe-puls de transistor T5 geleiden, waardoor er een spanningsverschil ontstaat over de transistor T7 die 62

63

Bijlage A. Falende aanstuurcircuits

hier geschakeld is als actieve last. Aangezien de spanning op de drain van T7 nu enkele volts lager is dan de spanning aan zijn source zal er ook een negatieve spanning op de gates van T1 en T2 verschijnen, dit activeert de schakelaar. Wanneer het data-signaal laag is, zal bij de volgende strobe-puls de transistor T4 geleiden, waardoor T8 de transistoren van de schakelaar opnieuw ontlaadt. Dit zorgt ervoor dat de schakelaar niet langer geleidt. Om ervoor te zorgen dat de actieve lasten T6 en T7 geen stroom lekken wanneer deze uitgeschakeld zijn, moet hun gate-capaciteit volledig ontladen kunnen worden. Hiervoor dienen de extra stroomspiegels die aangestuurd worden door T10. Tussen de strobe-pulsen door zal T9, hier geschakeld als diode, de gates isoleren van de rest van het circuit waardoor ook dit circuit geen statisch stroomverbruik heeft. De diodes D1 en D2 zorgen ervoor dat de bovenste lijn van de level shifter steeds op de hoogste potentiaal staat. Opdat dit circuit correct zou werken, moet deze spanning enkele volts hoger zijn dan de grondpotentiaal. Dit is nodig om een voldoende groot potentiaalverschil te verkrijgen om de gates op te laden. Wanneer we deze schakelaar nu echter zouden inbedden in de testbank van figuur 4.5 waarbij we de weerstand R1 achterwege laten, zal dit circuit niet meer naar behoren werken. Als de schakelaar niet geleidt zal er een spanning van 16 V over de schakelaar komen te staan. Wanneer de schakelaar nu wordt geactiveerd zal deze spanning terugvallen tot enkele mV waardoor ook de spanning over T7 verdwijnt en de gates niet volledig kunnen opgeladen worden. Om deze reden is dit circuit dus niet bruikbaar voor het schakelen van zonnecellen. Bovendien wordt in dit ontwerp met pDMOS gewerkt wat voor extra brede schakeltransistoren zal zorgen. Een mogelijk voordeel is dan weer dat hier geen galvanische scheiding nodig is tussen de datasignalen en het aanstuurcircuit. De spanningsverschillen worden hier opgevangen door de transistoren T4, T5 en T10 die hier eveneens DMOS transistoren zijn.

A.2

Aanstuurcircuit met laagdoorlaat filter

In sectie 4.2.2-G4 wordt uitgelegd dat een simpele galvanische scheiding met een condensator in sommige gevallen een verkeerde toestand zal opleveren. Aan de hand van figuur 4.8 werd uitgelegd dat plotse sprongen van de lokale referentiepotentiaal de interpretatie van de data kunnen veranderen. Een eerste oplossing voor dit probleem is periodiek de data vernieuwen en intern door een laagdoorlaatfilter sturen. Zo kunnen plotse spanningssprongen geen invloed meer uitoefenen op de toestand van de schakelaar. We komen zo tot het circuit van figuur A.2. De waarden van de componenten vindt u in tabel A.1. Tabel A.1: Tabel met componentwaarden van het circuit in figuur A.2

Comp. T1 T2 D1 D2

Waarde 165 mm 165 mm 500 µm 500 µm

Comp. T3 T4 T5 T6 T7

Waarde 300 µm 100 µm 100 µm 30 µm 10 µm

Comp. R1 C1 D3 D4 C2

Waarde 100 kΩ 50 pF 500 µm 500 µm 1 nF


64

Figuur A.2: Aanstuurcircuit met laagdoorlaat filter

In dit circuit stelt G1 opnieuw de DMOS schakelaar voor met een bron V1 die de spanningssprongen van de source moeten simuleren. Het blok G2 is eveneens dezelfde als in figuur 4.7 en dient als bistabiele gatebuffer. V2 wordt ook hier gebruikt als lokale voedingsbron voor het aanstuurcircuit. Het verschil zit in de verwerking van de input. Als input gebruiken we nu een PWM signaal van 100 kHz met een variabele duty-cycle. Hierbij stelt een signaal met een duty-cycle van 5 % een blokkerende schakelaar voor terwijl een signaal met een duty-cycle van 95 % een geleidende schakelaar voorstelt. Dit signaal kan eenvoudig gegenereerd worden via een blokgenerator die het signaal met een duty-cycle van 5 % produceert (V4) en een data-signaal (V3) te combineren met een XOR poort zoals weergegeven in blok G4. Het LPF in blok G3 heeft een afsnijfrequentie van: f3dB =

1 1 = = 31, 8 kHz 2π · R1 C1 2π · 100 kΩ · 50 pF

(A.1)

Deze afsnijfrequentie is zo gekozen dat de PWM frequentie van 100 kHz voldoende onderdrukt wordt maar dat het systeem toch nog snel genoeg reageert op het inputsignaal. De spanning na dit filter zal dus enkel de DC component van de input bevatten ten opzichte van de lokale referentie. Deze DC component zal het data-input signaal volgen en zo de schakelaar juist configureren. Dit laagdoorlaatfilter is in het schema tussen de 2 invertoren van de gatebuffer geplaatst. Dit komt de stabiliteit ten goede: zo moet het inputsignaal dat door de condensator C2 passeert enkel de gates van de eerste invertor aansturen. We bekijken nu de simulaties van dit circuit in figuur A.3. Op deze figuur zijn alle spanningen gemeten ten opzichte van de grond behalve de gatespanning (laatste grafiek), die is gemeten ten opzichte van de lokale referentiespanning. De eerste grafiek geeft de data-input van bron V3 weer. In de tweede grafiek zien we dat dit zich vertaalt in een inputsignaal met een een duty-cycle van 5 % of 95 %. Om te testen of dit circuit het probleem van figuur 4.8 oplost, variëren we met bron V1 de spanning op de source van de DMOS transistoren. Door de spanningssprongen van dit signaal kan de interpretatie van de data immers veranderen. Via dit systeem zal corrupte data altijd binnen de 10 µs terug goed gezet worden door het inputsignaal. De data zit hier immers niet in de richting van de

65


Data input

Vdata (V)

4 3 2 1 0

0

50

100

150

Vinput (V)

4

300

350

400

450

500

350

400

450

500

350

400

450

500

350

400

450

500

350

400

450

500

2 1 0

50

100

150

200

250

300

Source spanning

15 10

source

(V)

250

3

0

V

5 0

0

50

100

150

200

250

300

Spanning van de lokale data

15 10

V

locdata

(V)

200

Inputsignaal na de XOR

5 0

0

50

100

150

250

300

Spanning op de gate

4 Vgate (V)

200

2

0

0

50

100

150

200

250 Tijd [µs]

300

Figuur A.3: Simulatie van een aanstuurcircuit met laagdoorlaatfilter

flank maar in de duty-cycle van het signaal, dewelke niet afhankelijk is van de source-spanning Vs. De 4e grafiek in het groen bevestigt dit: we zien dat het lokale data-signaal een kopie is van het inputsignaal met een DC spanning die de source-spanning volgt. Dit signaal wordt nu gefilterd door het LPF, wat een correcte hoge of lage spanning oplevert ten opzichte van

66


de lokale referentie Vs. De spanning op de gate wordt dan ook op de gewenste momenten hoog of laag zoals te zien is in de laatste grafiek. Op het eerste zicht lijkt dit aanstuurcircuit dus te werken. Door de lokale spanningsbron slechts tijdelijk aan te schakelen kunnen we er ook voor zorgen dat dit circuit geen statisch stroomverbruik heeft. Het probleem treedt echter pas op wanneer we deze schakelaar testen in de testbank: uit de eerste simulaties bleek dat de spanning op de gate oorspronkelijk een gelijkaardige vorm aannam als de spanning van de lokale data, een PWM signaal met variabele duty-cycle. Dit is uiteraard niet de bedoeling en daarom plaatsen we nog een 2e LPF na de 2e invertor. Dit circuit geeft de simulatieresultaten van figuur A.4 waaruit blijkt dat de signalen nog steeds niet stabiliseren. Data input

Vdata (V)

4 3 2 1 0

0

50

100

200

250

300

350

400

300

350

400

300

350

400

Spanning op de gate

4 Vgate (V)

150

3 2 1 0

0

50

100

150

200

250


5

V

switch

(V)

10

0

0

50

100

150

200 Tijd [µs]

250

Figuur A.4: Simulatie van een aanstuurcircuit met laagdoorlaatfilter in testbank

De oorzaak van dit probleem ligt waarschijnlijk aan een feedback-mechanisme tussen het veranderen van de schakelaar-toestand en het veranderen van de source-spanning. Wanneer we de schakelaar willen sluiten zal er stroom door de schakelaar beginnen vloeien en dus ook door de weerstand van de testbank stromen. Dit zorgt ervoor dat de spanning op de source plots zal stijgen. De condesator van het LPF zal ervoor zorgen dat de inputspanning van de 2e invertor mee stijgt maar de lokale data (Vdata) zal tijdelijk corrupt worden, toch zal

67


dit de spanning voor het LPF tijdelijk doen omslaan waardoor de gate weer zal beginnen ontladen. Het omgekeerde gebeurt wanneer we de schakelaar proberen te deactiveren. Uit de simulaties blijkt dat de schakelaar in de aan-toestand geraakt maar dat we de gate niet volledig kunnen ontladen waardoor ook de spanning over de schakelaar ongewenste fluctuaties vertoont. Verwoede pogingen om dit systeem te stabiliseren door de LPF’s aan te passen of de feedback-kring door te onderbreken, draaiden op niets uit. Ook dit circuit is dus niet geschikt voor deze toepassing.

A.3

Sample en Hold aanstuurcircuit

Een ander idee is een circuit dat de data-input eenmalig samplet en daarna vast houdt onafhankelijk van verdere aanpassingen aan de sourcespanning of het data-signaal. Voor het ontwerp van een sample and hold circuit baseren we ons op de flip-flops voorgesteld in [28] en komen zo tot het circuit van figuur A.5.

Q Clk Q

Data Figuur A.5: Positive edge triggered flip-flop bestaande uit NAND poorten

Deze flip-flop bestaat uit 2 trappen ge¨ımplementeerd met SR-latches. De eerste trap behandelt het kloksignaal en zal de data enkel doorlaten op een positive flank naar de 2e trap. De tweede trap is een enkele SR-latch die de data vasthoudt tijdens de overige fases van de klok. Met dit circuit kunnen we dus de input eenmalig samplen. Hiermee kunnen we nu verder het aanstuurcircuit opbouwen: zie figuur A.6, alle componentwaarden zijn hier gelijkwaardig als in vorige circuits. Rechts in het circuit stelt G1 opnieuw de DMOS schakelaar voor in de gekende testbank. V2 dient als lokale voedingsbron voor het aanstuurcircuit. We laten deze voedingsbron enkel hoog komen op de momenten dat we de schakelaar van toestand wensen te veranderen. Blok G2 is opnieuw de bistabiele gatebuffer terwijl blok G4 dezelfde galvanische scheiding voorziet voor het data-inputsignaal. Tenslotte bestaat G3 uit de positieve-flank-sample-flip-flop die


68

Figuur A.6: Aanstuurcircuit met sample-en-hold-flip-flop

aangestuurd wordt door een delay-circuit. Dit delay-circuit zorgt ervoor dat het triggersignaal ongeveer 20 µs later hoog komt dan het aanschakelen van de lokale voeding. Het intern circuit van dit delay-blok kwam al eerder aan bod in blok G2 van figuur 4.11. Alleen de tijdsconstante is anders, met formule 4.3 berekenen we nu een nieuwe waarde voor C3 gelet op het feit dat R1 = 1 MΩ gekozen werd: C3 =

−20 µs = 13 pF ln (1 − 2, 7 V/3, 4 V) · 1 MΩ

(A.2)

Wanneer dit delay-circuit het triggersignaal hoog maakt, zal de flipflop de lokale data samplen en vasthouden voor de rest van de tijd, onafhankelijk van wat er daarna nog met het datasignaal gebeurt. Voor de goede werking van dit circuit is het dus noodzakelijk dat de data vlak voor het triggersignaal wordt gegeven. Om de schakelaar te activeren is een positieve dataflank nodig exact tussen het aanschakelen van de lokale voeding en het triggersignaal. Dit zal ervoor zorgen dat ook het lokale data-signaal hoog komt wat kort daarna gesampled zal worden. Om de schakelaar de deactiveren is er geen data-input nodig: bij het aanschakelen van de lokale voeding is de lokale data steeds laag. We bekijken enkele simulatieresultaten in figuur A.7. Het data-signaal (bovenste grafiek) wordt dus mooi tussen het aanschakelen van de lokale voeding (2e grafiek) en het triggersignaal (3e grafiek) gegeven. Als gevolg zien we dat de gate (5e grafiek) op de gewenste momenten opgeladen of terug ontladen wordt en dat de spanning over de schakelaar (laatste grafiek) respectievelijk 100 mV of 16 V bedraagt. De 4e grafiek toont het lokale data-signaal gemeten ten opzichte van de lokale referentie Vs: als gevolg van de eerste stijgende dataflank zal ook dit signaal hoog komen. Na het trigger signaal wordt deze hoge status gesampled en omgezet in de juiste toestand: een geleidende schakelaar. Aangezien er nu stroom door de schakelaar en dus ook door de weerstand R1 vloeit, zal de spanning op de source omhoog schieten. Als gevolg zal de lokale data terug laag worden zoals uitgelegd in figuur 4.8. Dit zorgt hier echter niet meer voor problemen omdat de flip-flop de data nu vasthoudt na de sample-fase.

69


Data input

Vinput (V)

4

2

0

0

Vbron (V)

4

100

200

300

500

600

700

800

400

500

600

700

800

400

500

600

700

800

400

500

600

700

800

600

700

800

600

700

800

20 µs

2

0

0

100

200

300

0

100

200

300

0

100

200

300

4 Vtrig (V)

400


Trigger signaal

2

0

Lokale data

Vdata (V)

4 2 0

Spanning op de gate

Vgate (V)

4 2 0

0

100

200

400

500


20 Vswitch (V)

300

10 0

0

100

200

300

400 Tijd [µs]

500

Figuur A.7: Simulatieresultaten van een aanstuurcircuit met sample-en-hold-flip-flop

70


Opnieuw lijkt dit circuit dus op het eerste zicht goed te werken. Er treden echter problemen op wanneer we de ideale spanningsbron V2 vervangen door een lokale opslagcapaciteit die opgeladen wordt via een blokgenerator. Opnieuw krijgen we het probleem dat de lokale referentie Vs nu een oscillatie bevat als gevolg van de blokgenerator. We voegen dus ook hier een extra stabilisatiecondensator toe zoals in figuur 4.13. Figuur A.8 toont echter aan dat dit de signalen nog niet voldoende kan stabiliseren voor een correcte werking. Data input

2

V

input

(V)

4

0

0

100

200

(V) bron

400

500

600

700

800

500

600

700

800

500

600

700

800

600

700

800


6

V

300

4 2 0

0

100

200

300

400

V

trig

(V)

Trigger signaal 4 2 0

0

100

200

(V)

400

Spanning op de gate

4 2

V

gate

300

0

0

100

200

300

400 Tijd [µs]

500

Figuur A.8: Simulatieresultaten van een het volledig aanstuurcircuit met FF

Bij het ontladen van de gate zien we dat het triggersignaal plots terugvalt naar 0 V. Een mogelijke oorzaak hiervoor is de spanningssprong die optreedt op de source als gevolg van het deactiveren van de schakelaar. Niet veel later komt het triggersignaal opnieuw hoog waardoor de flip-flop een 2e maal de (ondertussen corrupte) input zal samplen. Hierdoor wordt gate opnieuw opgeladen totdat de lokale voedingsbron stopt. Dit veroorzaakt de ongewenste vorm van de gatespanning die te zien is in de laatste grafiek.


71

Bij de zoektocht naar de stabilisatie van dit circuit is dit probleem deels verholpen, maar we stuitten dan op andere problemen. Het is waarschijnlijk mogelijk om ook dit aanstuurcircuit volledig werkend en stabiel te krijgen, maar hier is verder geen tijd meer aan besteed. Het circuit zoals voorgesteld in sectie 4.3 werkt wel volledig en is bovendien makkelijker te integreren in een switchmatrix. Bij het circuit met flip-flop moet de data exact tussen het aanschakelen van de bron en het aflopen van het triggersignaal gegeven worden. In het circuit van sectie 4.3 is de enige vereiste dat het data-signaal voor het aanschakelen van de bron gegeven wordt. Zowel het data-signaal als het aanschakelen van de bron worden gecontroleerd door de microcontroller terwijl dit niet het geval is voor het triggersignaal.

Bibliografie [1] J. Dolan, R. Lee, Y.-H. Yeh, C. Yeh, D. Nguyen, S. Ben-Menahem, and A. Ishihara, “Neural network estimation of photovoltaic iv curves under partially shaded conditions,” in Neural Networks (IJCNN), The 2011 International Joint Conference on, 31 2011-aug. 5 2011, pp. 1358 –1365. [2] Z. Cheng, Z. Pang, Y. Liu, and P. Xue, “An adaptive solar photovoltaic array reconfiguration method based on fuzzy control,” in Intelligent Control and Automation (WCICA), 2010 8th World Congress on, july 2010, pp. 176 –181. [3] F. Strubbe, Photovoltaic Energy Conversion and Sustainable Energy, Ugent, february 2012. [4] H. Patel and V. Agarwal, “Matlab-based modeling to study the effects of partial shading on pv array characteristics,” Energy Conversion, IEEE Transactions on, vol. 23, no. 1, pp. 302 –310, march 2008. [5] A. Ma¨ andki and S. Valkealahti, “Power losses in long string and parallel-connected short strings of series-connected silicon-based photovoltaic modules due to partial shading conditions,” Energy Conversion, IEEE Transactions on, vol. 27, no. 1, pp. 173 –183, march 2012. [6] C. Deline, “Partially shaded operation of multi-string photovoltaic systems,” in Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 2010 35th IEEE, june 2010, pp. 000 394 –000 399. [7] L. Gao, R. Dougal, S. Liu, and A. Iotova, “Parallel-connected solar pv system to address partial and rapidly fluctuating shadow conditions,” Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol. 56, no. 5, pp. 1548 –1556, may 2009. [8] H. Ziar, S. Mansourpour, E. Afjei, and M. Kazemi, “Bypass diode characteristic effect on the behavior of solar pv array at shadow condition,” in Power Electronics and Drive Systems Technology (PEDSTC), 2012 3rd, feb. 2012, pp. 229 –233. [9] P. Bauwens and J. Doutreloigne, “Smart bypass for pv cells,” Not yet published, 2012. [10] S. Silvestre, A. Boronat, and A. Chouder, “Study of bypass diodes configuration on pv modules,” Applied Energy, vol. 86, no. 9, pp. 1632 – 1640, 2009. [Online]. Available: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261909000269

72

Bibliografie

73

[11] E. Di´ andaz Dorado, A. Sua´ andrez Garci´ anda, C. Carrillo, and J. Cidra´ ands, “Influence of the shadows in photovoltaic systems with different configurations of bypass diodes,” in Power Electronics Electrical Drives Automation and Motion (SPEEDAM), 2010 International Symposium on, june 2010, pp. 134 –139. [12] G. Petrone and C. Ramos-Paja, “Modeling of photovoltaic fields in mismatched conditions for energy yield evaluations,” Electric Power Systems Research, vol. 81, no. 4, pp. 1003 – 1013, 2011. [Online]. Available: http://www.sciencedirect.com/science/ article/pii/S0378779610003317 [13] H. Patel and V. Agarwal, “Maximum power point tracking scheme for pv systems operating under partially shaded conditions,” Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol. 55, no. 4, pp. 1689 –1698, april 2008. [14] Syafaruddin, T. Hiyama, and E. Karatepe, “Investigation of ann performance for tracking the optimum points of pv module under partially shaded conditions,” in IPEC, 2010 Conference Proceedings, oct. 2010, pp. 1186 –1191. [15] G. Velasco, F. Guinjoan, and R. Pique, “Grid-connected pv systems energy extraction improvement by means of an electric array reconfiguration (ear) strategy: Operating principle and experimental results,” in Power Electronics Specialists Conference, 2008. PESC 2008. IEEE, june 2008, pp. 1983 –1988. [16] R. Candela, V. Di Dio, E. Riva Sanseverino, and P. Romano, “Reconfiguration techniques of partial shaded pv systems for the maximization of electrical energy production,” in Clean Electrical Power, 2007. ICCEP ’07. International Conference on, may 2007, pp. 716 –719. [17] L. Villa, D. Picault, B. Raison, S. Bacha, and A. Labonne, “Maximizing the power output of partially shaded photovoltaic plants through optimization of the interconnections among its modules,” Photovoltaics, IEEE Journal of, vol. 2, no. 2, pp. 154 –163, april 2012. [18] Y.-J. Wang and P.-C. Hsu, “An investigation on partial shading of pv modules with different connection configurations of pv cells,” Energy, vol. 36, no. 5, pp. 3069 – 3078, 2011. [Online]. Available: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/ S0360544211001484 [19] D. Picault, B. Raison, S. Bacha, J. Aguilera, and J. De La Casa, “Changing photovoltaic array interconnections to reduce mismatch losses: a case study,” in Environment and Electrical Engineering (EEEIC), 2010 9th International Conference on, may 2010, pp. 37 –40. [20] Y. Liu, Z. Pang, and Z. Cheng, “Research on an adaptive solar photovoltaic array using shading degree model-based reconfiguration algorithm,” in Control and Decision Conference (CCDC), 2010 Chinese, may 2010, pp. 2356 –2360.

Bibliografie

74

[21] Y. Kanai and S. Matsumoto, “A novel photovoltaic module for severe shade conditions,” in Photovoltaic Energy Conversion, Conference Record of the 2006 IEEE 4th World Conference on, vol. 2, may 2006, pp. 2174 –2176. [22] S. Busquets-Monge, J. Rocabert, P. Rodriguez, S. Alepuz, and J. Bordonau, “Multilevel diode-clamped converter for photovoltaic generators with independent voltage control of each solar array,” Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol. 55, no. 7, pp. 2713 –2723, july 2008. [23] D. Dellaert, “Ontwerp van een bistabiele microswitch in een mems technologie,” Afstudeerwerk, UGent: Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur, 2010-2011. [24] C. Glaize, F. Forest, and F. Charef, “Study of power bidirectional switches using mostransistors,” in Power Electronics and Variable-Speed Drives, Third International Conference on, jul 1988, pp. 51 –53. [25] R. Williams, R. Blattner, M. Shekar, A. Butani, and M. Darwish, “The bidirectional power nmos-a new concept in battery disconnect switching,” in Power Semiconductor Devices and ICs, 1995. ISPSD ’95. Proceedings of the 7th International Symposium on, may 1995, pp. 480 –485. [26] H. D. Smet, Sensoren en Microsysteemelektronica, Ugent, februari 2011. [27] J. Doutreloigne, Microsystem disign, Ugent, october 2010. [28] C. Lageweg, S. Cotofana, and S. Vassiliadis, “Single electron encoded latches and flipflops,” Nanotechnology, IEEE Transactions on, vol. 3, no. 2, pp. 237 – 248, june 2004. [29] T. Takashima, J. Yamaguchi, K. Otani, K. Kato, and M. Ishida, “Experimental studies of failure detection methods in pv module strings,” in Photovoltaic Energy Conversion, Conference Record of the 2006 IEEE 4th World Conference on, vol. 2, may 2006, pp. 2227 –2230.

Lijst van figuren 1.1 1.2

Gebruik van zonne-energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mogelijke oorzaken van partiële beschaduwing . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 3

2.1 2.2 2.3

5 6

2.4 2.5 2.6 2.7 2.8

Vervangschema van een photovolta¨ısche cel . . . . . . . . . . . . . . . . . Karakterisatie van een zonnecel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Afhankelijkheid van (a) open-klem spanning en (b) kortsluitstroom van de lichting. Bron [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulatie van een PV cel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Karakteristiek van een PVcell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Interconnectiemogelijkheden PVcellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mismatch tussen PVcellen met verschillende belichting . . . . . . . . . . . Simulatie van serie en parallelconnectie van PV cellen . . . . . . . . . . .

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14

String van PV cellen met bypass-diodes: 10 beschaduwde cellen van de 100 . . String van PV cellen met bypass-switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mogelijke implementatie van bypass-switch. Bron [9] . . . . . . . . . . . . . . . Simulatie van seriestring PV cellen met bypass-diodes . . . . . . . . . . . . . . Reconfiguratie van PV cellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vermogen karakteristiek: herconfiguratie van PV cellen . . . . . . . . . . . . . Willekeurige interconnectie van 3 × 3 PV matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . Verschillende topologiën met variabele dwarsconnecties . . . . . . . . . . . . . . Meest efficiënte topologie per schaduwtype. Bron [17] . . . . . . . . . . . . . . Beste topologie voor een gegeven vorm van partiële schaduw. Bron [17] . . . . Simulatie van SP, BL, TCT, HC en SBC onder partiële schaduw . . . . . . . . Schematische voorstelling van de compensatietechniek. Bron [2] . . . . . . . . . Dynamische reconfiguratie van door middel van een switching matrix. Bron [20] Simulatie van compensatietechniek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14 15 16 17 18 19 19 20 21 21 22 24 25 25

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7

Een bistabiele schakelaar ontwikkeld in MEMS technologie . . . . Beweging-sequentie voor MEMS schakelaar. Bron [23] . . . . . . Intern circuit van een solid-state schakelaar o.b.v. opto-coupling Mogelijke implementaties van een bidirectionele switch . . . . . . Bidirectionele switch in testbank voor simulatie . . . . . . . . . . Simulatieresultaten van een bidirectionele schakelaar . . . . . . . Aanstuurcircuit voor de bistabiele schakelaar . . . . . . . . . . .

28 28 29 30 31 32 33

75

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . be. . . . . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. .

. 7 . 7 . 8 . 9 . 9 . 12

. . . . . . .

76

Lijst van figuren 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16

Probleem met simpele galvanische scheiding . . . . . . . . . . . . . Simulatieresultaten van de switch met het aanstuurcircuit . . . . . Simulatieresultaten van de switch met een refreshrate van 1 Hz . . Vervangschema voor de lokale voeding van het aanstuurcircuit . . . Simulatie van de lokale voeding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Blokschema van een schakelaar met aanstuurlogica en testbank . . Simulatieresultaten van de switch met het volledige aanstuurcircuit Matrix van schakelaars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulatieresultaten van een 3 × 3 switch matrix . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

35 38 39 40 41 42 43 45 46

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8

Zonnepaneel Helios Solar Works 6T 240 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Uitbreiding van het bestaand zonnepaneel met herconfiguratiesysteem . . . . . Schematische voorstelling van het gisumeleerde systeem . . . . . . . . . . . . . Boog van de zon op 7 augustus 2012 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 assenstelsels op het systeem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schaduwvormen van de schouw op het zonnepaneel op verschillende tijdstippen Simulatie van outputvermogen doorheen de dag bij schaduw door schoorsteen . Simulatie van outputvermogen doorheen de dag bij schaduw door vuil . . . . .

49 50 51 52 53 54 55 57

A.1 A.2 A.3 A.4 A.5 A.6 A.7 A.8

Dynamische level shifter met pDMOS switch . . . . . . . . . . . . . . . Aanstuurcircuit met laagdoorlaat filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulatie van een aanstuurcircuit met laagdoorlaatfilter . . . . . . . . . Simulatie van een aanstuurcircuit met laagdoorlaatfilter in testbank . . Positive edge triggered flip-flop bestaande uit NAND poorten . . . . . . Aanstuurcircuit met sample-en-hold-flip-flop . . . . . . . . . . . . . . . . Simulatieresultaten van een aanstuurcircuit met sample-en-hold-flip-flop Simulatieresultaten van een het volledig aanstuurcircuit met FF . . . . .

62 64 65 66 67 68 69 70

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

Lijst van tabellen 2.1

Vergelijking tussen theoretische waarden en simulatie van serie- en parallelschakeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.1 3.2 3.3 3.4

Vergelijking tussen theoretische waarden en simulatie van PV array met bypasstechniek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulatie van SP, BL, TCT, HC en SBC onder partiële schaduw . . . . . . . Simulatie van 5 × 7 matrix onder partiële schaduw . . . . . . . . . . . . . . . Simulatie van de compensatietechniek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1 4.2 4.3

Tabel met componentwaarden van het circuit in figuur 4.7 . . . . . . . . . . . . 33 Tabel met componentwaarden van het circuit in figuur 4.11 . . . . . . . . . . . 40 Schatting van de oppervlakte van een schakelaar . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

5.1 5.2 5.3 5.4

Parameters van het gesimuleerde systeem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ontvangen vermogen van de zon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Perfomantie vergelijking tussen beide systemen bij schaduw door schoorsteen Perfomantie vergelijking tussen beide systemen bij schaduw door vuil . . . . .

. . . .

. . . .

18 22 23 26

51 53 56 57

A.1 Tabel met componentwaarden van het circuit in figuur A.2 . . . . . . . . . . . 63

77

Optimalisatie van de energie-omzetting in zonnepanelen door actieve cel-reconfiguratie

Recommend Documents