Tesina sul Monitoraggio Fotovoltaico

Monitoraggio pannello fotovoltaico attraverso il Web

A.S. 2012/2013

Classe 5 B/E

Alunni:

Giacomo Focante

Artem Mikushov

sito web:

www.monitoraggiofotovoltaico.altervista.org

Indice

1 L'idea

1.1 Introduzione

1.2 Il progetto

1.3 Quali dati analizzare

1.4 La raccolta dei dati

1.5 La trasmissione dei dati

1.6 L'elaborazione/archiviazione dei dati

2 La realizzazione

2.1 Progetto circuito elettrico

2.2 Reperimento dei materiali

2.3 Montaggio e collaudo circuito elettrico

2.4 Rilevazione dei dati

2.5 Realizzazione Database

2.6 Comunicazione dati

2.7 Realizzazione sito web

3 Gli utilizzi

3.1 Introduzione

3.2 Utilizzi

4 Schemi e codice

4.1 Schema generale

4.2 Schema elettrico

4.3 Codice Arduino

4.3.1 Lo sketch

4.3.2 Le funzioni

5 Conoscenze

5.1 Elettronica

5.1.1 Circuito di condizionamento

5.2 Sistemi

5.2.1 Arduino

5.2.2 Router

5.2.3 TCP

5.2.4 HTTP

5.2.5 DHCP

5.2.6 DNS

5.2.7 FTP

5.2.8 TELNET

5.2.9 SSH

5.3 Informatica

5.3.1 HTML

5.3.2 SQL

5.3.3 PHP

5.3.4 Javascript

5.4 Calcolo

5.4.1 Perequazione

1. L'idea

1.1 Introduzione

L'idea è quella di realizzare un impianto composto da vari blocchi (circuito di condizionamento, Arduino) in grado di monitorare un pannello fotovoltaico inviando i valori rilevati, in termini di tensioni e correnti, in un database online tramite un router.

Con questa tecnologia è possibile verificare in tempo reale, consultando l'apposita pagina web, la produzione, l'efficienza e il rendimento del pannello fotovoltaico.

1.2 Il progetto

Dopo una prima analisi il progetto è stato suddiviso in quattro macro-aree:

• Dati da analizzare;
• Raccolta dei dati;
• Trasmissione dei dati;
• Archiviazione/elaborazione dei dati.

1.3 Quali dati analizzare

Per quanto riguarda i dati da analizzare sono stati considerati importanti:

• La tensione generata dal pannello;
• La corrente assorbita da un carico.

Altro dato importante è la potenza [ W ], che viene calcolata al momento dell'inserimento sul database moltiplicando la corrente per la tensione.

1.4 La raccolta dei dati

La raccolta dei dati viene effettuata da una scheda Arduino Uno Rev3.

Le misure, per essere il più veritiere possibili, vengono effettuate più volte nell'arco di tempo che intercorre tra un invio e l'altro al database, per poi inviare una media mobile delle stesse.

Viene infatti utilizzato il metodo della perequazione per ridurre al minimo eventuali errori.

1.5 La trasmissione dei dati

La trasmissione dei dati raccolti da Arduino verso il database viene effettuata attraverso l'Ethernet Shield ufficiale di Arduino connesso ad un router e ad una pennetta 3G. In questo modo è possibile sfruttare questo dispositivo ovunque ci sia una sufficiente ricezione telefonica ed un'alimentazione sufficiente.

L'Arduino utilizza il protocollo HTTP, che interrogando pagine PHP permette l'elaborazione ed il caricamento dei dati nel database.

1.6 L'elaborazione/archiviazione dei dati

Su un servizio di hosting come quello di Altervista, che utilizza la accoppiata MySQL/PHP, è stato attivato un servizio di database.

I dati raccolti sono immagazzinati in un database MySQL, che viene poi interrogato per la costruzione delle varie statistiche e per la creazione dei grafici.

Proprio per i grafici vengono utilizzate le API Google, che permettono in maniera abbastanza semplice di disegnarne degli ottimi.

2. La realizzazione

2.1 Progetto circuito elettrico

Considerando che l'Arduino accetta in ingresso solamente tensioni comprese tra 0 e 5V, il circuito di condizionamento è stato progettato affinché la tensione massima che il pannello è in grado di generare in uscita corrisponda a 5V.

Per poter verificare quanta corrente scorre su di un carico e quindi, successivamente, calcolare la potenza assorbita è stato necessario aggiungere al progetto un blocco composto da una serie di resistori che, commutati uno alla volta, vengono applicati in parallelo al pannello.

Il circuito è stato realizzato attraverso opportune reti resistive ed un integrato contenente amplificatori operazionali.

2.2 Reperimento dei materiali

Sono stati utilizzati comuni materiali facilmente reperibili in commercio, quali resistori, trimmer, resistori di potenza, diodi led e l'integrato LM324.

Part list:

• n.1 integrato LM324
• n.5 morsetti bipolari
• n.1 trimmer da 10k
• n.1 trimmer da 220k
• n.1 trimmer da 470k
• n.1 diodo led
• n.1 potenziometro a scatti 11 posizioni
• n.1 condensatore elettrolitico da 100uF
• n.1 condensatore da 100nF
• n.4 resistori da 1/4 di watt
• n.9 resistori di potenza
• n.1 Arduino Uno
• n.1 Arduino Ethernet Shield
• n.1 router
• n.1 pennetta 3G
• n.1 display LCD 48x84

2.3 Montaggio e collaudo circuito elettrico

Il circuito di condizionamento è stato prima creato e simulato su software Multisim della National Instruments e successivamente riportato e cablato su una basetta breadboard.

Per una corretta amplificazione degli operazionali, abbiamo utilizzato dei trimmer da calibrare in modo che l'uscita dall'amplificatore si trovasse nell'intervallo desiderato.

Il circuito è stato montato seguendo lo schema elettrico.

2.4 Rilevazione dei dati

La rilevazione dei dati avviene attraverso le porte analogiche dell'Arduino.

Esse leggono un valore compreso tra 0 e 1023 (intervallo corrispondente a 0÷5V).

Attraverso una proporzione è stato quindi possibile calcolare il valore reale della corrente ed inviarlo al database.

Nella lettura dall'Arduino avviene la perequazione, ovvero l'Arduino effettua 11 letture al secondo, e attraverso il metodo statistico arriva ad ottenere un unico valore che invierà al database. Questa operazione è necessaria affinché eventuali errori casuali nella lettura vengano limitati.

2.5 Realizzazione Database

Considerando che il progetto prevede la misurazione di Tensione e Corrente il database creato è così strutturato:

Il database è formato da due tabelle: una contenente il valore della tensione misurato la data e l'ora della misurazione, ed un'altra tabella dove vengono memorizzate la corrente e la tensione misurate.

La seconda tabella ha una foreign key collegata alla chiave primaria della tabella delle tensioni, cosicché, con le necessarie accortezze, alla modifica o alla cancellazione di una riga nella tabella delle tensioni la riga collegata nella tabella della corrente farà la stessa operazione a cascata.

2.6 Comunicazione dati

Per la comunicazione dei dati è stato scelto il protocollo HTTP, dato che l'Arduino deve collegarsi con un webserver per l'invio dei dati ad un database remoto.

La comunicazione avviene attraverso la shield Ethernet dell'Arduino ed il router a cui è collegato.

2.7 Realizzazione sito web

Nella realizzazione del sito web è stato necessario utilizzare più linguaggi. In HTML sono state create le pagine statiche, ad esempio tutte quelle contenenti le spiegazioni teoriche o gli schemi.

In PHP sono invece state create le pagine dinamiche o quelle che devono interagire con il database.

Una delle pagine dinamiche è ad esempio quella dei download, che controlla con che browser viene aperto il sito prima di impostare gli indirizzi dei file di download.

Le pagine che invece devono interagire con il database sono per lo più collegate alla pagina "Produzione elettrica", tutti i dati mostrati in quella pagina vengono infatti estratti dal database.

Con questo linguaggio è stata creata anche la pagina contatti, cioè quella adibita ad inviare mail con le richieste degli utenti al proprietario del sito.

Per alcune pagine, come quella "Produzione elettrica", che necessita di aggiornare frequentemente gli indicatori della tensione e della corrente, è stato utilizzato il Javascript che ad intervalli di tempo regolari, aggiorna la posizione della lancetta sul misuratore, il grafico a spezzate della tensione, o i vari valori mostrati.

3. Gli utilizzi

3.1 Introduzione

Il nostro progetto è un sistema che permette di monitorare un pannello fotovoltaico rendendo noti i dati relativi alla produzione elettrica del pannello in tempo reale.

Quest'esperienza, sebbene si tratti di un progetto di contenuta complessità, nonché in scala, potrebbe simulare un impianto su scala più ampia che svolge le stesse funzioni.

Un sistema analogo di opportune proporzioni potrebbe monitorare, infatti, la produzione di piccoli impianti autonomi (stand-alone).

3.2 Utilizzi

Questa figura rappresenta un piccolo impianto fotovoltaico autonomo in cui è possibile utilizzare una serie di pannelli, regolati tramite un opportuno regolatore di carica, per alimentare ad esempio elettrodomestici.

Lo stesso sistema può essere adoperato per alimentare altri tipi di dispositivi, quali lampade a led, lampade a risparmio energetico, caricabatterie ed altri utilizzatori che richiedono una modesta potenza elettrica.

Il nostro progetto è assolutamente applicabile a questo genere di apparati, permettendo la visualizzazione della produttività del fotovoltaico.

4. Schemi e codice

4.1 Schema generale

4.2 Schema elettrico

4.3 Codice Arduino

4.3.1 Lo sketch

#include <SPI.h>

#include <Ethernet.h>

#include <stdio.h>

byte mac[] = { 0x90, 0xA2, 0xDA, 0x0D, 0xD5, 0x37 };

//byte server[] = { 178,63,11,147 }; // Altervista

char server[] = "www.monitoraggiofotovoltaico.altervista.org";

EthernetClient client;

const float VMax = 20.00; // tensione massima prodotta dal pannello

const float IMax = 300.00; // corrente massima prodotta dal pannello

int led_con_1 = 1;

int led_con_2 = 2;

int sensorPinV = A0;

int sensorPinI = A2;

//LCD

#define PIN_SCE 8 // SCE

#define PIN_RESET 7 // RST

#define PIN_DC 6 // D/C

#define PIN_SDIN 5 // DN(MOSI)

#define PIN_SCLK 4 // SCLK

int led = 3; // LED = Retroilluminazione LCD

int lagnd = 9;

int alim = 10;

#define LCD_C LOW

#define LCD_D HIGH

#define LCD_X 84

#define LCD_Y 48.

void setup()

{ Serial.begin(9600);

pinMode(led, OUTPUT); //LED Retroilluminazione

pinMode(lagnd, OUTPUT);

pinMode(alim, OUTPUT);

digitalWrite(lagnd, LOW);

digitalWrite(alim, HIGH);

digitalWrite(led, HIGH);

LcdInitialise();

LcdClear();

LcdString("connessione");

Serial.println("Connessione...");

pinMode(led_con_1, OUTPUT);

pinMode(led_con_2, OUTPUT);

pinMode(sensorPinV, INPUT);

pinMode(sensorPinI, INPUT);

if(Ethernet.begin(mac) == 0)

{ LcdClear();

gotoXY(1,1);

LcdString("Failed to");

gotoXY(1,10);

LcdString("configure");

gotoXY(1,20);

LcdString("Ethernet");

Serial.println("Failed to configure Ethernet using DHCP");

}

delay(1000); // give the Ethernet shield a second to initialize

LcdClear();

gotoXY(1,1);

LcdString("Ethernet");

gotoXY(1,10);

LcdString("initialized");

Serial.print("This IP address: ");

IPAddress myIPAddress = Ethernet.localIP();

Serial.print(myIPAddress);

delay(500);

LcdClear();

gotoXY(0,10);

LcdString("connessione");

LcdString(" in corso...");

delay(1500);

LcdClear();

}

void loop()

{ if (client.available())

{ char c = client.read();

Serial.print(c);

}

if (!client.connected())

{ Serial.println();

digitalWrite(led_con_1, HIGH);

digitalWrite(led_con_2, LOW);

LcdClear();

Serial.println("Connessione in corso...");

client.stop();

delay(1000);

LcdClear();

}

if (!client.connected()){

httpRequest();

}

}

4.3.2 Le funzioni

Sono inoltre presenti alcune funzioni; per vedere quelle necessarie per il funzionamento del display vai nella pagina download e scarica il file zip contenete il codice completo caricato su Arduino.

Le altre funzioni presenti sono:

httpRequest(), necessaria in quanto è quella che effettua le letture ed invia i risultati al database.

void httpRequest() {

// if there's a successful connection:

if (client.connect(server, 80))

{ gotoXY(0,0);

LcdString("Connesso");

Serial.println("Connesso");

digitalWrite(led_con_1, LOW);

digitalWrite(led_con_2, HIGH);

float ValTen[10] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};

float ValCor[10] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};

for (int i=0; i <= 10; i++)

{ int ten_In = analogRead(sensorPinV);

ValTen[i] = ((5/1024)*(float)ten_In);

int cor_In = analogRead(sensorPinI);

ValCor[i] = ((5/1024)*(float)cor_In);

delay(80);

}

float ten = PEREQ(ValTen);

float cor = PEREQ(ValCor);

float tenV = (ten*(VMax/5));

float corV = (cor*(IMax/5));