La mia MICRO ISOLA

[PierGSi]

Finalmente, dopo mesi dall'iscrizione, apro un post ed inizio a descrivere il mio micro impianto fotovoltaico le cui caratteristiche iniziano pian piano a delinearsi :

il tutto è nato dal desiderio di veder funzionare in maniera il più possibile autonoma i "servizi di base" (router con connessione dati 3G, switch ethernet, mini pc windows che serve una rete simil domotica RS485 di mia ideazione, ecc) però, avendo in corso d'opera incrementato la potenza fotovoltaica installata rispetto all'idea iniziale, sto valutando altre possibilità di sfruttamento dell'energia prodotta.

Sul fronte pannelli abbiamo :

1 da 60 celle 225Wp
1 da 60 celle 190Wp*
1 da 36 celle 80 Wp*

*potenze stimate in quanto non nuovi

Accumulo :

2 batterie da 12V 155Ah a piastre piane cadauna ed in parallelo (avendo molti anni di servizio sulle spalle la capacità risulta essere una frazione della nominale, ma a a caval donato...).

Connessioni e gestione ricarica/energia :

tutto il sistema è di mia progettazione e completamente in fase di sviluppo pertanto, al momento, provo a fare una descrizione molto sommaria di quelle che sono le funzioni attualmente implementate per non scendere troppo sul tecnico (lo farei volentieri, ma non so se sia la sezione adatta per discutere di cosa faccia e quali strategie segua il convertitore/caricatore, che si basa su di un microcontrollore ATMEGA ad 8 bit).


il pannello a 36 celle risulta connesso direttamente alla batteria mediante diodo

I 60 celle sono in parallelo, con ciascuno il proprio diodo in serie, e fanno capo ad un convertitore buck con funzione MPPT

Esiste un alimentatore 230V tampone da 100W regolato a 12.4V che interviene nel caso in cui la tensione dovesse scendere al di sotto di 12V per 1h consecutivamente*, o 11.5V per 1/10 di secondo

*questo per evitare che forti assorbimenti transitori provochino interventi non voluti da parte dell'alimentatore tampone.

E' altresì presente un'uscita di potenza "diversion load" configurabile nella soglia realizzata mediante uscita PWM modulabile 0-100% a 750Hz che serve un N-MOS da 100A, attualmente non utilizzata in quanto non dispongo di alcun carico a bassa tensione su cui dissipare la potenza in eccesso.

Router, pc, qualche punto luce a LED, ... sono connessi in modo permanente alle batterie (esiste un relè di sicurezza che sgancia gli accumulatori nel caso la tensione dovesse scendere al di sotto di una soglia di sicurezza per mancanza tensione di rete).
Con dei relè, se la tensione batteria supera una soglia definita in 13V, connetto caricatore notebook (12 -> 19V) ed una serie di alimentatori 5V per ricaricare tablet, telefoni, power bank.
Un vecchio inverter ad onda modificata da 300W mi permette di far funzionare TV, saldatore, alimentatori ed altri strumenti del mio piccolo laboratorio.

Dal 6/3/18 ad oggi i pannelli 60 celle 225+190Wp (il 190 Wp dal 1 Luglio 2018) hanno prodotto 107 kWh, in questo periodo molta energia va sprecata in quanto le batterie già alle 13:00 passano in float

Dal 31/10/17 l'80 Wp ha prodotto 54 kWh

In considerazione del fatto che, negli ultimi 3 mesi con un consumo fisso di fondo pari a 0.8kWh/24h dovuto ai router, serverino, switch, programmatori irrigazione, che non include la ricarica di notebook/tablet, qlc ora la sera monitor-tv con inverter/luce scrivania/laboratorio, l'impianto è QUASI sempre rimasto in isola (10 kWh prelevati dalla rete circa, a fronte di almeno 100 consumati ), posso ritenermi soddisfatto. Anche perchè, l'investimento totale è inferiore a 200 euro (le innumerevoli ore di lavoro per progettare e costruire elettronica, contenitore, staffaggi e cablare ovviamente non le conteggiamo) !


Qualche foto :

contenitore definitivo dell'alimentatore MPPT in fase di costruzione (ora è un groviglio di cavi, mi astengo per decenza dal pubblicare foto) con fusibili di protezione, sensori HALL per le correnti, ecc ecc


Board di potenza del convertitore buck a rettificazione sincrona, quindi abbiamo non 1 ma 2 mosfet N channel, con l'high side pilotato mediante driver bootstrap. Induttore da 220uH con 2 fili da 2mm (se la memoria non mi tradisce)
Hall sensor per corrente in ed out da 20A, l'out è stato in seguito rimpiazzato con uno da 50A



pannelli, con l'ultimo arrivato appoggiato provvisoriamente a terra in attesa di staffaggio ( inseguitore azimutale ? )


batterie




powerbank, tablet, ecc in attesa di ricarica


screenshot della pagina web relativa all'alimentatore dell'impianto solare

[PierGSi]

Ciao a tutti
sto realizzando l'inseguitore monoassiale (azimutale) per il secondo pannello.
Anteprima :



Link con foto.
http://www.piergm.com/faidate/fotovolta ... tore1asse/

Parte meccanica praticamente completata, rotazione realizzata con motore di tergicristallo che muove una barra filettata M 12 x 1.75. La spinta assiale è supportata da un lato mediante rasamento originale, dall'altro con boccola reggispinta SKF PCMF. Uno snodo cardanico impedisce la rotazione del motoriduttore ma compensa inevitabili non parallelismi tra vite e madrevite.
Prossimamente monto finecorsa, sensore per contare le rotazioni sull'albero di uscita e metto giù due righe di firmware. Pensavo ad una cosa semplice : inserisco in una lookup table la corrispondenza giri barra / angolo, un orologio interno al microprocessore e, ogni 15 min, se il pannello sta fornendo tensione (quindi non è notte) ruoto di 3.75 gradi.
La sera, nel momento in cui la tensione scende sotto a soglia, ritorno all'inizio per ripartire il giorno dopo.

Gradite opinioni e commenti

[Ferrobattuto]

Che dire, bel lavoretto! Anche come realizzazione meccanica. Facci sapere poi come funziona il tutto, e sarebbe bello sapere che differenza di rendimento c'è tra un pannello fermo tutto l'anno, anche se con inclinazione ottimale, e uno con inseguitore solare.
Occhio che i consumi degli accessori non sorpassino i vantaggi energetici.

[PierGSi]

Grazie !
Appena riesco completo la parte elettronica di comando e faccio sapere. Suppongo che il vantaggio ci sia più che altro nel periodo estivo, a livello consumo secondo me è irrilevante se rapportato all'incremento di produzione : il motore, senza pannello, impiega circa 3 minuti per far ruotare di ~130° la struttura assorbendo circa 2A a 12V. Ipotizzando una decina di minuti totali di funzionamento, nelle 24h si parla di nemmeno 10 Wh...ok, ci sono tanti spunti da fermo (da valutare quale sia l'intervallo ottimale di "aggiornamento della posizione"), però a mio modo di vedere il "trade off" è a favore.

[jpquattro]

A dire il vero dovrebbe bastare un motoriduttore che faccia un giro completo in 24 ore... Quello fa la terra...
L'unico problema è mettere un cinematismo di qualche tipo che sfrutti la metà di rotazione notturna per portare indietro il pannello...

Paolo

[Ferrobattuto]

Vite senza fine? Fa un giro completo e al mattino è al posto del giorno prima.
Problemino per i terminali della corrente, però.....

[unimatrixzero]

bah io la farei decisamente piu semplice, un motorino abbinato a motoriduttore che giri piano piano (forse potrebbe anche andare quello del tergicristallo se ce la fa a girare piu lento senza bloccarsi) , insomma che parta da A e vada a B in X ore , ossia quelle approsimativamente di luce, minuto piu o minuto meno nn credo influenzi, e comunque lo si potrebbe regolare manualmente aumentando o diminuendo velocità del motorino stesso, un paio di bei fine corsa che invertano tensione al motore quando il pannello arriva da A a B e viceversa , STOP... senza tanti altri complessi casini
seconda soluzione volendo fare proprio i fighi magari un temporizzatore ciclico che dia un impulso quindi crei una micro rotazione ogni X minuti.. tutto qua

[PierGSi]

Sono senz'altro ottime idee ma, all'atto pratico, non le vedo proprio semplici da attuare. Voglio dire, motorino e motoriduttore devono girare a velocità rigorosamente costante pertanto, o si utilizza un qualcosa di sincrono alimentato da rete (con tutti i problemi annessi nel gestire il ritorno la notte, facendo girare h24 servono contatti striscianti), oppure va retroazionato. Bisogna anche capire se c'è convenienza a tenere alimentato un motore, seppur piccolo, costantemente. Inoltre, l'interfacciamento con l'albero rotante ? Ci vogliono una coppia vite senza fine/ingranaggio, o due ingranaggi...con la barra il tutto si semplifica secondo me, per il posizionamento è semplice in quanto il cinematismo si può assimilare ad un triangolo e basta una formula trigonometrica per risalire all'angolo conoscendo la distanza tra leva e fulcro di rotazione del riduttore.
Un mosfet per comandare il motore, relè DPDT che realizza l'inversione di marcia, microcontroller per orchestrare il tutto. Il programma, non volendo compensare la posizione a seconda del periodo dell'anno (accettando un errore di qualche grado) ed essendo lo spostamento lentissimo, si può limitare ad un qualcosa che ad intervalli di tempo regolari alimenta il motore fintantochè i giri della vite non equivalgono a quelli calcolati e, la sera, quando il pannello non produce più, lo riporta al finecorsa iniziale che viene utilizzato come zero relativo per il posizionamento il giorno dopo.

[Ferrobattuto]

Tutto sommato non so quanto valga la pena, in difficoltà e costi, la realizzazione di un inseguitore solare...... Probabilmente con lo stesso costo puoi acquistare un secondo pannello e connetterlo in parallelo e tenerli fissi. Puoi metterli entrambi fissi a sud, o uno verso S.E. e l'altro verso S.O.

[PierGSi]

Convengo che non ne valga la pena, ho speso una cifra importante solo di elettrodi per saldare l'inox

[PierGSi]

Finalmente l'inseguitore in posizione



Le barre filettate di fissaggio sono passanti, dietro ci sono contropiastre e funi di acciaio con tirante.
Dovrò limitare l'angolo di rotazione per non sconfinare verso altrui proprietà . Cmq il tutto pare sufficientemente robusto, a livello fw mancano dettagli quali strategie fail safe, limitazione angolo se si desidera un angolo max inferiore a quello imposto dalla meccanica e cose di contorno. Prox giorni lo metterò in funzione, ah, devo anche proteggere la barra filettata con grasso per applicazioni nautiche non dilavabile dall'acqua.

[PierGSi]

Sto finalmente realizzando il quadro principale, definendo i vari sistemi e la struttura dell'impianto :


Quadro principale :



Una rete RS485 gira un po' ovunque e fa dialogare tra loro nodi che sto pian piano predisponendo per domotica (luci, apriporte, ecc), le batterie sono tutte in parallelo e pertanto la tensione nominale è definita in 12V.
Per evitare di dover tenere sempre attivo un inverter che, per quanto poco, ha un certo consumo in idle, la linea illuminazione principale è affiancata da una in corrente continua, servita da un convertitore DC DC che alza da 12V a 110V con <1W a vuoto. Consiste in una coppia di cavi che passano in (quasi) tutte le scatole di derivazioni principali, sezione 2.5 mmq su 40 metri totali di linea circa, per una caduta di tensione pressochè irrisoria anche quando il sistema viaggia a pieno carico (200W).
Parallelamente a questa, è stata predisposta una linea a 12V, da 10 mmq, per alimentazioni ausiliarie varie (caricatori PC, telefoni, alimentazioni dei nodi RS485).



L'avere 12 e 110VDC permette di comandare, e dimmerare, con semplicità qualsiasi lampada led solo con un mosfet, riducendo ulteriormente le dissipazioni in quanto viene fatta una singola trasformazione da 12->110V.
Ciascuna stanza dispone di 1 "nodo" con 4 relè programmabili (tapparelle ecc), 4 uscite PWM 0-100% a circa 2 kHz (luci), 2 ingressi analogici ed uno digitale, I2C per future espansioni varie.
Le prese GX16 visibili qui sotto, un paio per stanza quando tutto sarà completo, permettono il collegamento delle piantane di illuminazione, i punti di ricarica ecc.
Su ciascuna di esse sono presenti GND / +12VDC / +110VDC , BUS RS485, PWM1 e PWM2. Per questioni legate all'induttanza di linea, la parzializzazione di potenza avviene dentro al corpo illuminante, su PWM1 e PWM2 sono presenti i segnali di comando, 0/12V optoisolati. PWM1 e PWM2 possono anche essere programmati ON/OFF per pilotare relè.
Sto realizzando le plafoniere con led idonei a funzionare a 110VDC ma, in emergenza, basterebbe metterci una lampada 90-240VAC e programmare l'uscita non proporzionale ma on/off

La linea prese 230V 10A ed i punti luce condividono la linea originaria rimasta a 230V; quando si attiva l'inverter, tramite un semplice relè, vengono sganciate da enel ed alimentate da esso (le due fonti non vengono sincronizzate all'atto della commutazione, ci sono solo delle NTC inrush limiter per migliorare la vita dell'H bridge dell'inverter ).



Nel caso in cui il livello degli accumulatori scendesse sotto al livello minimo le linee verrebbero alimentate direttamente da dei convertitori 230 AC to 110 DC, e 230 AC to 12V DC da 200W massimo ciascuno.
Quest'ultimo, erogando tensione direttamente nel bus 12V, terrebbe anche in tampone gli accumulatori ( a 12.6V ).
Il converter 230 to 110DC è un alimentatore commerciale 230 to 12V 200W modificato, con opportuni accorgimenti, per portare l'uscita a 110VDC: avvolgimenti di uscita del trasformatore in serie, adeguato l'anello di retroazione che tramite opto regola la VOUT, regolatore supplementare per alimentare l'IC che gestisce il convertitore, ecc.
Il boost 12 to 110 prende spunto da quello di piccola potenza postato in elettronica/circuiti tempo addietro, con induttore adeguato ed IC di controllo più raffinato nel feedback per un funzionamento più stabile e con meno emissione di spurie.




Batterie 90+80+60 Ah miste AGM/Acido messe in parallelo a 2x140Ah GEL mediante due diodi schottky "contropolarizzati".
In questo modo, il bus principale vede le acido, ed il disaccoppiamento realizzato tramite i diodi in scarica mantiene le GEL 0.3V sopra, ed in carica 0.3V sotto. Sicuramente non efficientissimo, ma di facile realizzazione.
Ho altresì implementato le varie fasi di carica (absorb a 14.4 AGM / 14.1 GEL, float a 13.6 AGM / 13.3 GEL con compensazione di 1 decimo di volt ogni 4 gradi sopra/sotto i 25°C) con passaggio a tempo/corrente ecc ecc, l'on/off inverter, ecc

Tramite BUS posso accendere le prese di ricarica facenti capo ai nodi in giro per la casa in base alla tensione (quindi, solo a batterie cariche ed a blocchi, in modo da creare una gestione delle priorità se non è disponibile tutta l'energia).
In questo modo posso privilegiare il notebook ed i tablet piuttosto che l'aspirapolvere a batteria, ecc.
Sto prevedendo delle uscite crepuscolari per l'illuminazione esterna, con sensori di presenza, ecc ecc
IL tutto orchestrato dal Raspberry più C#.
Eccolo !



Qui sotto la junction box con fusibile in serie ai diodi di parallelo dei banchi, con i cavi che vanno all'alimentatore da 25 mmq (il rosso e nero a sx, del bus dc) e 20 mmq (2x10 mmq ciascun polo) dalle barre ai morsetti batteria.



L'alimentatore/caricatore è costituito da una parte logica di comando (interfaccia RS485, display, pulsanti, ingressi analogici per sonda temperatura, tensioni varie, hall sensor la cui funzione è misurare le correnti nei vari punti, relè per inverter/alimentatori), e sezioni di potenza per gestire gli ingressi fotovoltaici. Al momento ho una linea PWM collegata al pannello 80W che, in caso di parzializzazione apre/chiude dei mosfet P channel a bassa frequenza , ed una MPPT a 30 kHz con algoritmo perturb & observe costruita attorno ad un convertitore BUCK con rettificazione sincrona che con la ventilazione forzata dell'induttore regge 30A a 12V.
La parte di comando prevede già una seconda uscita gemella per un secondo input MPPT di potenza analoga, utile per future espansioni.
In questo video un po' di scansioni dell'MPPT, che cerca il punto di max efficienza variando il duty cycle
(traccia gialla gate High Side, rosa gate del low side tutto riferito a massa).







Alcuni dei sensori di corrente