Inseguire il sole con un progetto embedded

SOLARE –

I sistemi intelligenti di inseguimento solare realizzati utilizzando un’architettura system-on-a-chip basata su processori embedded ed Fpga consentono di ottenere sistemi solari ad elevata efficienza energetica.

I cambiamenti climatici stanno facendo dell’energia solare una fonte sempre più competitiva. L’energia solare è gratuita, non inquina ed è inesauribile, ma i pannelli solari utilizzati per catturarla non permettono di sfruttarne al massimo le potenzialità. I pannelli infatti sono organizzati di solito in installazioni fisse che non tengono conto delle variazioni delle condizioni di illuminazione, meteorologiche e stagionali. Questo articolo descrive l’implementazione SoC - basata su Fpga e processore embedded - di un prototipo di inseguitore solare che migliora l’efficienza dei pannelli, garantendone il constante allineamento con i movimenti del sole.

Un progetto integrato flessibile e rapido

Per un’efficienza ottimale, i pannelli dovrebbero essere sempre perpendicolari alla luce solare, soprattutto quando l’illuminazione è massima. Poiché la direzione della luce solare cambia nel corso della giornata e della stagione, per massimizzare l’uso dei pannelli è necessario ricorrere a un sistema di inseguimento ad alte prestazioni.
Un team di studenti della Yuan Ze University di Taiwan ha applicato delle tecniche di progettazione embedded e un’architettura SoC per dare vita a un sistema di inseguimento solare basato su Fpga. Questo sistema sfrutta come forza motrice due motori, responsabili di una rotazione quasi emisferoidale 3D dell’array solare. Tale rotazione consente al sistema di seguire lo spostamento del sole in tempo reale, rendendo più efficiente la conversione e la produzione fotoelettrica. Per ridurre i problemi controllo, i due motori sono disaccoppiati: ciò significa che l’angolo di rotazione di un motore non influenza quello dell’altro motore. Similmente, un motore non influenza il carico dell’altro motore. Questa implementazione minimizza i consumi durante il funzionamento, incrementando ulteriormente l’efficienza e la quantità totale di elettricità generata.
L’applicazione di inseguimento solare sfrutta il processore embedded configurabile Nios II di Altera. Il progetto integra all’interno di un Fpga Cyclone II un processore, un controller di inseguimento a due assi, una memoria e delle opportune interfacce di I/O. L’integrazione ha permesso di accelerare lo sviluppo pur mantenendo la flessibilità, riducendo i costi a livello di circuito stampato (grazie all’implementazione single-chip) e semplificando gli oneri di test del prodotto. Il progetto prevede tre modalità operative:

- Posizionamento in equilibrio – un commutatore di inclinazione impedisce al pannello solare di colpire la piattaforma che ospita dei meccanismi, evitando danni alla piattaforma stessa e al motore.

- Modalità automatica – il sistema riceve la luce solare nelle celle fotovoltaiche in solfuro di cadmio (CdS), le quali operano anche come sensore di inseguimento solare. Il sensore alimenta il controller Fpga attraverso un convertitore analogico-digitale (A/D). Il processore opera come punto di controllo principale e regola il motore a due assi in modo che la piattaforma si posizioni in modo ottimale per la massima efficienza di generazione di elettricità.

- Modalità manuale – questa modalità è utilizzata quanto il sistema è in manutenzione o in riparazione. Il flusso logico del sistema è implementato con un circuito di controllo basato su processore embedded. Quando il circuito di controllo di inseguimento è attivo, il sistema si occupa del tracciamento, della conservazione dell’energia e della protezione, oltre che del controllo e delle misure per contrastare le interferenze esterne. Le interferenze esterne sono legate a cause atmosferiche quali vento, sabbia, pioggia, neve, grandine e salsedine (che comporta per esempio l’erosione dei meccanismi).

Il processore embedded nel controllo

Il processore embedded opera come centro di controllo e integra il chip di controllo per i due assi. Il sistema stabilisce quale dato è necessario inviare all’Fpga utilizzando un sensore fotografico. Esso esegue le funzioni di controllo del tracciamento per calcolare l’angolo richiesto, regolando di conseguenza il motore. Questo permette di spostare il pannello per ottenere una potenza ottimale.
Sul fronte hardware sono da segnalare due sensori chiave:

•    Sensore di equilibrio: la posizione iniziale di reset utilizza uno switch di inclinazione. Il meccanismo integra quattro switch (est, ovest, sud, nord) attivati ungere la posizione di equilibrio in fase di reset iniziale del sistema.

•    Sensore di tracciamento: il sensore di tracciamento è costituito da quattro sensori CdS similari, posizionati a est, ovest, sud e nord. I sensori rilevano l’intensità luminosa proveniente da ciascuna direzione. Il sensore CdS forma un angolo a 45° con la fonte luminosa. In corrispondenza di ciascun sensore, delle paratie isolano la luce proveniente dalle altre direzioni consentendo di determinare l’esatta posizione del sole. I quattro sensori sono divisi in due gruppi, est/ovest e nord/sud: ciò consente di confrontare l’intensità della luce ricevuta in base all’orientamento di ciascun gruppo.
Il feedback dai sensori di tracciamento costituiscono l’ingresso del controller. L’uscita gestisce il motore passo-passo dei due assi e il sistema di controllo del tracciamento. Se l’intensità della luce ricevuta dal sensore varia, il sistema ottiene i segnali relativi ai due orientamenti direttamente dalla tensione di uscita dei sensori. Il sistema determina quale sensore ha ricevuto la luce più intensa in base al valore di uscita opportunamente interpretato da un converter di tensione A/D e da un converter A/D a 8-bit compatibile col microprocessore. Il sistema pilota il motore passo passo verso l’orientamento dettato dal sensore. Quando il valore di tensione dei due sensori è uguale, sia la differenza in uscita sia la tensione di pilotaggio del motore vanno a zero, il che significa che il sistema ha tracciato la corretta posizione del sole.

Controllo delle operazioni del motore con la logica fuzzy

Benché i due motori del sistema di inseguimento solare possano ruotare indipendentemente senza problemi di accoppiamento, essi mostrano inevitabilmente dei comportamenti non lineari soprattutto nel momento di inerzia. Un controllo closed-loop dei motori permette di risolvere il problema. Data la velocità di spostamento del sole, il sistema di inseguimento non deve ruotare troppo rapidamente. Per controllare il funzionamento del motore e per garantire sia la regolabilità e sia un veloce tempo di risposta dei meccanismi del sistema di controllo è possibile utilizzare delle regole fuzzy. Per implementare un controllo fuzzy è stato scritto in Vhdl e integrato nel sistema SoC un apposito componente hardware. Il componente carica il programma di controllo nel processore embedded, il quale rappresenta il centro di controllo. Il sensore, il decoder e gli altri dispositivi formano un loop di controllo completo, assicurando al sistema la massima efficienza. Il progetto del controller prende come feedback il valore misurato dell’intensità luminosa ricevuta dal sensore e implementa il controllo utilizzando vari loop di modifica. La resistenza del sensore CdS cambia con l’intensità luminosa. Il controllo Fuzzy gestisce in ingresso gli errori dei due gruppi sugli assi verticale (meridionale e settentrionale) e orizzontale (orientale e occidentale). Per implementare il controller fuzzy con un progetto basato su processore discreto sarebbero stati necessari dei circuiti di logica esterni che avrebbero comportato complessità e costi aggiuntivi.

Il progetto SoC

Dopo avere definito il sistema e le sue componenti, il team di sviluppo ha generato il sistema stesso con il tool Sopc Builder del software di progettazione Quartus II. Per il progetto hardware, il team ha utilizzato il software per compilare il circuito logico dei programmi Hdl e i file Edif. Per generare ed editare il codice applicativo del progetto software, il team ha utilizzato il tool di sviluppo GNUPro unitamente a varie risorse software quali librerie, monitor e driver per periferiche. Per garantire la correttezza del progetto hardware e software il team ha utilizzato il software di simulazione ModelSim. In presenza di errori, i progettisti sono ritornati alla fase di generazione del sistema, utilizzando Sopc Builder per modificare e rigenerare il tutto fino ad ottenere il risultato desiderato. Una volta pronti, i progetti hardware e software sono stati scaricati sulla scheda di sviluppo e nel kit di prototipazione per la verifica circuitale.

La superiorità del sistema solare intelligente

Il sistema di inseguimento solare è stato verificato sia all’interno e sia all’esterno. All’esterno la piattaforma solare è stata montata sul tetto di un edificio così da permettere il confronto tra i risultati ottenuti dal sistema intelligente e i risultati di un sistema di tipo fisso. Nelle 24 ore, per mantenere un adeguato allineamento con il sole, il sistema intelligente ha dovuto operare per circa 30 secondi all’ora. Durante questo periodo, il pannello solare ha caricato per circa 8 ore, consumando una quantità di energia nulla per il tempo rimanente. Confrontando la generazione netta di elettricità del sistema con angolo di elevazione fisso e del sistema con controllo a inseguimento solare, si ha un’efficienza superiore del 22%. Nei test al coperto, per generare una luce solare fissa e distribuita su un’orbita simulata è stato utilizzato un proiettore. I risultati hanno dimostrato che la corrente generata dal sistema solare fisso è nettamente inferiore a quella generata dal sistema solare intelligente.

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