SVEUILITE U ZAGREBUFAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAUNARSTVA

DIPLOMSKI RAD br.1338

ISTOSMJERNI PRETVARA SERVISNE STANICE ZA BICIKLBono Zraki

Zagreb, srpanj 2016.

Zahvala:Veliku zahvalnost, dugujem svom mentoru prof.dr.sc.Viktoru undeu koji mi je omoguio svu potrebnu opremu i pomagao brojnim savjetima pri izradi ovog diplomskog rada.Takoer, zahvaljujem se i asistentu Marinku Kovaiu koji je svojim znanstvenim i strunim savjetima uvelike pomogao pri izradi praktinog dijela ovog diplomskog rada.Hvala svim kolegama koji su bili uz mene, a najvea hvala mojoj obitelji, prijateljima i svim onima koji su mi tokom studija na bilo koji nain pomogli i bili velika podrka.

SadrajUvod11Postojea rjeenja22Mogua rjeenja strukture stanice82.1Sustav s istosmjernim motorom kompresora102.2Sustav s izmjeninim motorom113Osnovni strukturni elementi stanice133.1Fotonaponski modul133.1.1Princip rada sunane elije133.1.2Vrste sunanih elija173.1.3Povezivanje fotonaponskih elija i modula193.1.4Utjecaj zasjenjenja, temperature i ozraenosti na fotonaponski panel213.2Kompresor233.2.1Princip rada idealnog kompresora243.3Spremnik zraka i popratne komponente263.4Akumulatorska baterija263.4.1Pohrana energije u bateriji273.4.2Olovne akumulatorske baterije303.4.3Litij ionske akumulatorske baterije333.5Uzlazni pretvara353.5.1Praenje toke maksimalne snage (MPPT)384Vrste i karakteristike zranica za bicikle454.1Vrste zranica i tlak454.2Ventili464.3Tlak u zranicama475Energetska bilanca servisne stanice486Simulacijski model pretvaraa506.1Shema simulacijskog modela i parametri506.2Rezultati simulacije526.3Proraun gubitaka pretvaraa607Eksperimentalni model sustava637.1Fotonaponski panel647.2Kompresor657.3Spremnik zraka667.4Senzori tlaka i elektroventil667.5Akumulatorska baterija677.6Uzlazni pretvara677.6.1Izbor komponenata i projektiranje tiskane ploice pretvaraa u programu Eagle687.6.2Izraena tiskana ploica757.7Rezultati mjerenja76Zakljuak81Literatura82Saetak84Summary85

Popis slikaSlika 1.1 Stanice za odravanje bicikla tvrtke Bikefixtation, (a) DELUXE PUBLIC WORK STATION , (b) AIR CONTROL PANEL , (c) WASH AND FILL STATION2Slika 1.2 Stanica za pumpanje zranica u Zrichu3Slika 1.3 (a) Servisna stanica u Novom Sadu, (b) Servisna stanica u Kriovecu3Slika 1.4 SOLAR REM tvrtke DGSI4Slika 1.5 Oprema stanice tvrtke Burns Controls5Slika 1.6 Izgled stanice tvrtke Burns Controls5Slika 1.7 Stanice za popravak bicikla i pumpanje zranica u Chicagu6Slika 2.1 Mogua rjeenja sustava8Slika 2.2 Shema sustava bez spremnika zraka10Slika 2.3 Shema sustava sa spremnikom zraka i automatskim pupanjem zranica10Slika 2.4 Shema sustava bez spremnika zraka11Slika 2.5 Shema sustava sa spremnikom zraka i automatskim pumpanjem zranica12Slika 3.1 Fotonaponski efekt na poluvodiu. (a) apsorpcija energije fotona u elektronu i prelazak sa razine energije na energiju , (b) jednostavni model sunane elije [9]13Slika 3.2 Elektrini model sunane elije14Slika 3.3 U-I karakteristika i osnovni parametri sunane elije [9]15Slika 3.4 Osnovni parametri suneve elije16Slika 3.5 Razredi sunanih elija obzirom na generacije17Slika 3.6 Prikaz (a) sunane elije, (b) fotonaponskog modula, (c) fotonaponskog panela, (d) fotonaponskog polja [9]20Slika 3.7 Prikaz (a) serijsko povezivanje sunanih elija, (b) paralelno povezivanje elija i (c) U-I karakteristika paralelnog i serijskog spoja [9]20Slika 3.8 Dva naina spajanja modula u polje. (a) serijski pa paralelno, (b) paralelno pa serijski [12]21Slika 3.9 (a) est elija od kojih je jedna zasjenjena, (b) utjecaj zasjenjene elije na U-I karakteristiku modula, (c) modul sa premosnim diodama [9]22Slika 3.10 Uinak poveanja temperatura i ozraenosti na U-I krivulju [9]23Slika 3.11 Podjela kompresora po nainu rada [15]24Slika 3.12 Princip rada klipnog kompresora i proces u p-V dijagramu [15]25Slika 3.13 Ovisnost struje o naponu za tipine 50 Ah olovne baterije [16]29Slika 3.14 Faze punjenja baterije32Slika 3.15 (a) Shema uzlaznog pretvaraa. (b) Ekvivalentna shema za zatvorenu sklopku. (c) Ekvivalentna shema za otvorenu sklopku.36Slika 3.16 (a) Napon zavojnice. (b) Struja zavojnice. (c) Struja diode. (d) Struja kondenzatora37Slika 3.17 Ovisnost snage i napona o: (a) ozraenosti, (b) temperaturi39Slika 3.18 Toka maksimalne snage na U-I i U-P grafu [9]40Slika 3.19 Problem P&O algoritma prilikom nagle promjene ozraenosti panela [9]42Slika 3.20 Dijagram toka algoritma inkrementalne vodljivosti43Slika 4.1 Volumen gume ovisno o vrsti i irini gume46Slika 4.2 Vrste ventila za bicikl46Slika 6.1 Shema simulacijskog modela u Matlab-u50Slika 6.2 Profil Sunevog zraenja i temperature51Slika 6.3 Model kompresora u Simulink-u51Slika 6.4 Ovisnost otpora o faktoru voenja53Slika 6.5 Valni oblik napona i struje zavojnice za otpor 1000 53Slika 6.6 Valni oblik struje, snage, napona i faktora voenja fotonaponskog panela pri troilu od 1000 54Slika 6.7 Valni oblik snage fotonaponskog panela i snage na otporu 1000 54Slika 6.8 Valni oblik napona i struje zavojnice za otpor 10 55Slika 6.9 Valni oblik struje, snage, napona i faktora voenja fotonaponskog panela pri teretu od 10 56Slika 6.10 Valni oblik snage fotonaponskog panela i snage na otporu 10 56Slika 6.11 Valni oblik napona i struje zavojnice za bateriju (1)57Slika 6.12 Valni oblik struje, snage, napona i faktora voenja fotonaponskog panela pri spojenoj bateriji (1)57Slika 6.13 Valni oblik snage fotonaponskog panela i snage baterije (1)58Slika 6.14 Valni oblik napona i struje zavojnice za bateriju (2)59Slika 6.15 Valni oblik struje, snage, napona i faktora voenja fotonaponskog panela pri spojenoj bateriji (2)59Slika 6.16 Valni oblik snage fotonaponskog panela i snage baterije (2)60Slika 6.17 Simulacijski model pretvaraa u LTSpice-u61Slika 6.18 Parametri generatora impulsa za oba MOSFET-a61Slika 6.19 Gubici zavojnice dobiveni pomou programa LTSpice62Slika 6.20 Gubici MOSFET-a U1 dobiveni pomou programa LTSpice62Slika 6.21 Gubici MOSFET-a U2 dobiveni pomou programa LTSpice62Slika 7.1 Shema eksperimentalnog sustava63Slika 7.2 Eksperimentalni model sustava63Slika 7.3 Fotonaponski modul64Slika 7.4 Shema uzlaznog pretvaraa u programu Eagle72Slika 7.5 Shema mikroprocesora ATMEGA2560 u programu Eagle73Slika 7.6 Shema tiskane ploice u programu Eagle74Slika 7.7 Prednja strana tiskane ploice sa ugraenim komponentama75Slika 7.8 Struja kompresora i tlak u spremniku zraka76Slika 7.9 U-I karakteristika izvora78Slika 7.10 Valni oblik napona baterije i ulaznog napona pretvaraa78Slika 7.11 Valni oblik faktora voenja79Slika 7.12 Valni oblici struje baterije i izvora79Slika 7.13 Valni oblik snage na ulazu pretvaraa80

Popis tablicaTablica 3.1 Osnovni parametri sunanih elija [14]19Tablica 3.2 Promjena napona o temperaturi za neke materijale za izradu sunanih elija23Tablica 3.3 Napon na bateriji za faze punjenja32Tablica 3.4 Pregled moguih sluajeva u P&O algoritmu41Tablica 4.1 Tlak u zranicama ovisno o iri zranica47Tablica 6.1 Parametri simulacijskog modela51Tablica 7.1 Specifikacije Solvisovog modela SV60-22564Tablica 7.2 Natpisna ploica 330-IC kompresora65Tablica 7.3 Vrijeme punjenja spremnika od 10L65Tablica 7.4 Tehniki podaci spremnika zraka66Tablica 7.5 Tehniki podaci senzora tlaka MBS 3000 10bar [16 bar]66Tablica 7.6 Tehniki podaci elektroventila EV220B66Tablica 7.7 Tehniki podaci NP38-12 akumulatorske baterije67Tablica 7.8 Popis komponenti naruenih sa Farnell-a70Tablica 7.9 Podaci o struji i vremenu rada kompresora prilikom tlaenja spremnika sa 8,0 na 10,5 bara76Tablica 7.10 Rezultati pumpanja zranice76Tablica 7.11 Promjena napona izvora78

UvodBicikl je najjeftinije prometno pomagalo, jer osim to nema utroka goriva nema niti troka parkiranja. Iako je u Europi, naroito u zemljama Beneluksa (30% ljudi koristi bicikl kao dnevno prijevozno sredstvo [1]), kultura biciklizma razvijena ve godinama te imaju ak i autoceste za bicikle, u Hrvatskoj se takav trend tek poeo razvijati, te strategija razvoja turizma u Hrvatskoj 2020. godine prepoznaje cikloturizam kao jedan od turistikih proizvoda s najveom perspektivom razvoja [2]. 2013. godine je tvrtka Nextbike na 12 lokacija diljem grada Zagreba implementirala postaje sa javnim biciklima te Zagreb danas broji preko 4000 korisnika javnih bicikala, a Zagreb kao grad broji oko 220 km biciklistikih staza [3]. Osim gradskih staza, postoje i izvangradske rute kojih je u Hrvatskoj oko 420 s ukupno 13000 km [4]. Uz takav trend i zbog nepristupanog terena na izvangradskim rutama, javlja se potreba za servisnom stanicom za bicikl, koja bi bila neovisna o elektroenergetskoj mrei. Stanica bi uz alata za servis bicikla sadravala i mogunost pumpanja zranica sa kompresorom koji je napajan iz fotonaponskog modula. Postoji nekoliko dvojbi prilikom projektiranja stanice: koristiti istosmjerni ili izmjenini kompresor, ako se koristi istosmjerni, bazirati stanicu na 12 V ili 24 V sustavu, javlja li se potreba za spremnikom, treba li omoguiti automatizirano ili runo pumpanje zranica. Prilikom samog prihvata snage nije dovoljno prikljuiti fotonaponski modul na akumulatorsku bateriju jer se, zbog strujno-naponske karakteristike, ne iskoritava maksimalna snaga Sunevog zraenja. Zbog toga je potrebno implementirati algoritam koji prati toku maksimalne snage, odnosno MPPT (eng. maximum power point tracking) algoritam. Osim iskoristivosti snage, direktnim prikljuivanjem panela na bateriju poveava se rizik od ozbiljnog oteenja baterije, te je uz MPPT algoritam, potrebno implementirati i algoritam punjenja baterije.

Postojea rjeenjaBikefixtation servisne stanice [5] Amerika tvrtka Bikefixtation nudi iroku paletu stanica i ureaja za odravanje bicikla, od kojih vrijedi izdvojiti tri prikazana na slici 1.1. Stanica (a) sadri alat za popravak bicikla, stalak za bicikl te obinu pumpu sa manometrom. Istovremeno je mogue servisirati 2 bicikla. Drugi proizvod koji tvrtka nudi je stanica za pumpanje gume pomou kompresora napajanog iz mree (b). Sadri nastavak za ventile, manometar, rezervne nastavke, upute za pumpanje. Stanica (c) je stanica za pranje bicikla. Ima alat zatien sajlom protiv krae, mogue pranje uz naplatu, sadri i etkice za pranje bicikla. Nedostatak je to nema alat za popravak bicikla te pumpu.

Slika 1.1 Stanice za odravanje bicikla tvrtke Bikefixtation, (a) DELUXE PUBLIC WORK STATION , (b) AIR CONTROL PANEL , (c) WASH AND FILL STATION

Stanica za pumpanje zranica u ZrichuU Zrichu su instalirane stanice za pumpanje zranica kao na slici 1.2. Prema slici se zakljuuje da je kompresor napajan iz mree te da ima runo pumpanje gume. Stanica nema alat za servis niti stalak za bicikl.

Slika 1.2 Stanica za pumpanje zranica u ZrichuServisna stanica u Novom SaduU susjednim dravama takoer postoje neke instalirane servisne stanice. U Novom Sadu je postavljena stanica koju su radili mladi volonteri, slika 1.3a, jedina takva u Srbiji.

Slika 1.3 (a) Servisna stanica u Novom Sadu, (b) Servisna stanica u KriovecuServisna stanica u KriovecuTakoer i u Hrvatskoj ve postoje neke stanice za popravak bicikla, tonije u mjestu Kriovec. Stanica, slika 1.3b, je vrlo slina ovim prethodno prikazanim. Sastoji se od stalka, alata za popravak bicikala i rune pumpe za bicikle. Nalazi se u neposrednoj blizini biciklistike staze Mura-Drava Bike.Sustavi tvrtki Burns Controls i DGSINajblie ideji projekta ovog diplomskog rada je stanica za komprimirani zrak tvrtki DGSI [6] i Burns Controls [7]. Slika 1.4 prikazuje stanicu tvrtke DGSI. Tvrtka se bavi geotehnikom instrumentacijom pa je i ovaj proizvod tog tipa. Koristi se za prozraivanje, dobavu plinskih kondenzata, crpljenje podzemnih voda itd. Sustav se sastoji od fotonaponskog panela, kompresora, baterije i spremnika zraka.

Slika 1.4 SOLAR REM tvrtke DGSISlike 1.5 i 1.6 prikazuju sustav tvrtke Burns Controls. Sastoji se od kompresora, fotonaponskog panela, baterije i moe se prilagoavati potrebama (snaga motora, panela, baterije itd). Snaga panela moe biti i do 300 W, veliina spremnika i do 150 litara. Maksimalan tlak kompresora je 6.5 bara. Za punjenje baterije se koristi PWM regulator. Sadri jo i LED ekran sa prikazom stanja baterije, povijesti alarma i greaka.

Slika 1.5 Oprema stanice tvrtke Burns Controls

Slika 1.6 Izgled stanice tvrtke Burns Controlsto se tie dodatne infrastrukture, razvijena je aplikacija na podruju SAD-a, koja prikazuje mjesta u dravi gdje se nalaze stanice za popravak bicikala i pumpanje zranica. Slika 1.7 prikazuje stanice u gradi Chicagu.

Slika 1.7 Stanice za popravak bicikla i pumpanje zranica u ChicaguKao preliminarni zakljuak, trenutna rjeenja servisnih stanica za bicikle su vrlo slina. Stanice sadre osnovni alat za popravak i eventualno runu pumpu za bicikl, ili u nekim sluajevima samo pumpu. Cilj ovog diplomskog rada je projektiranje servisne stanice za bicikl napajane iz fotonaponskog panela, koja bi bila u potpunosti neovisna o mrei, i koju bi bilo mogue instalirati na izolirana podruja, tj. podruja gdje je oteana dobava elektrine energije. Stanica osim fotonaponskog panela treba jo sadravati kompresor, akumulatorsku bateriju, stalak za bicikl, automatizirano pumpanje zranica, alat za popravak i eventualno postolje za centriranje gume. Pokraj osnovnih komponenata sustava, stanica moe sadravati i dodatne komponente kao to su kamera za nadgledanje stanice, kamera koja bi biljeila korisnike i spremala ih u bazu podataka, ita kartica kojim bi se omoguilo koritenje alata ili pak cijele stanice, dijagnostiku stanja baterije (slanje podataka na server sa kojeg je onda mogue itati podatke na bilo kojem ureaju (mobitel, raunalo, tablet).Stanica moe biti u nekoliko verzija. Osnovna verzija ukljuuje fotonaponski panel, istosmjerni uinski pretvara (solarni kontroler), bateriju i kompresor. Mogua verzija je sa spremnikom zraka, te sustavom za automatizirano pumpanje zranica. Zbog dvije razliite vrste ventila, na kraju crijeva za pumpanje gume bi se nalazio adapter ili dva crijeva za pumpanje zranica ovisno o ventilu koji se koristi. Prije projekta svih eljenih ureaja na stanici, potrebno je na osnovu postojeeg fotonaponskog panela proraunati energetsku bilancu (veliinu baterije i potreban kompresor, spremnik zraka) kako bi se dobila najvea mogua autonomnost sustava.

Mogua rjeenja strukture staniceOvisno o mjestu postavljanja stanice, postoji nekoliko moguih rjeenja sustava. Meutim, svako rjeenje mora sadravati bateriju kako bi se omoguilo koritenje stanice tijekom noi/oblanog vremena. Na najprometnijim trasama, tj. biciklistikim stazama gdje bi upotreba pumpe bila najvea, potreban je najautonomniji sustav kako bi mogao posluiti to vei broj korisnika u vremenu odsustva suneve energije. Na takvim lokacijama bilo bi korisno i opravdano da stanica sadri spremnik sa zrakom. Na manje prometnim trasama mogue su stanice samo s kompresorom, jer se rjee koristi usluga pumpanja zranica. Ovo rjeenje je ekonomski isplativije jer osim spremnika zraka nema i dodatnih ureaja koji idu uz njega (tlana sklopka, filtar zraka, jo jedan manometar itd.). Na odabir potrebne strukture, dakle, svakako utjeu i ekonomski parametri, tj. cijena komponenata sustava.Slika 2.1 prikazuje mogua rjeenja sustava koja e se u nastavku detaljnije analizirati.

Slika 2.1 Mogua rjeenja sustavaKompresor se koristi u svakom od prijedloga. Mogui su kompresori s izmjeninim i istosmjernim napajanjem. Kod kompresora s istosmjernim napajanjem kompresor se direktno spaja na bateriju stanice. U sluaju kompresora s izmjeninim napajanjem dodatno je potreban izmjenjiva. Izmjenjiva u svakom sluaju poskupljuje sustav, i vei su gubitci jer postoji jo jedan dodatni element u sustavu. Baterija se takoer koristi u svakom od prijedloga. Sustav bez baterije nije autonoman, izrazito ovisi o dostupnosti suneve energije, dakle pumpa moe raditi samo kada ima izvora suneve svjetlosti, to je veliki nedostatak. Sustav s baterijom je autonoman. U vremenu kada ima suneve energije, a kompresor ne radi, suneva energija se sprema u bateriju iz kojih se kasnije, u odsustvu izvora, napaja kompresor.U sustavu bez spremnika zraka, kompresor se ukljuuje na svako pumpanje gume, time se smanjuje kapacitet sustava. eim ukljuivanjem kompresora moe doi i do eih oteenja na istom.Tlani spremnik je uobiajen u sustavima gdje potronja komprimiranog zraka nije jednolina i gdje kompresor ne radi cijelo vrijeme sa maksimalnim kapacitetom. Glavna funkcija tlanog spremnika zraka je da djeluje kao meuspremnik izmeu kompresora i gume pohranjujui relativno veliki volumen komprimiranog zraka.Odabir sustava sa ili bez spremnika ovisi o rezultatima energetske bilance, odnosno o lokaciji na kojoj bi bila postavljena servisna stanica. Uz prometnije trase je potreban kompresor jer dolazi do uestalijeg koritenja kompresora.Automatskim pumpanjem zranica bi korisnik na prikladnom panelu odabrao iznos tlaka koji eli u zranicama i nakon potvrde odabranog tlaka sustav sam tlai zrak u zranicu do zadanog iznosa. Time se omoguava korisniku preciznije i jednostavnije pumpanje. Dakako, pitanje kod automatskog pumpanja je cijena, te kako mjeriti tlak u zranicama sa presta ventilom. Takoer i sustav za automatsko pumpanje zahtijeva i napajanje, ime se smanjuje autonomija cjelokupnog sustava i sustav je skloniji kvarovima.Runo pumpanje je ekonomski isplativije, manja potronja energije, manja je vjerojatnost kvara ali zahtjeva od korisnika rukovanje sa opremom.

Sustav s istosmjernim motorom kompresoraBez spremnika zrakaSlika 2.2 prikazuje rjeenje sustava bez spremnika zraka i sa istosmjernim motorom kompresora.

Slika 2.2 Shema sustava bez spremnika zrakaU ovoj izvedbi u sustavu su sljedei elementi:(1) Fotonaponski panel(4) Kompresor s istosmjernim motorom

(2) Kontroler (5) Pitolj s manometrom

(3) Baterija

Ovo je najjeftinija izvedba stanice, sastoji se od osnovnih elemenata, ima prosjenu autonomiju, te je pogodna za neke manje zahtjevne lokacije. Ne postoji regulacija izlaznog tlaka nego korisnik na osnovu manometra na pitolju sam tlai gumu.Sa spremnikom zrakaSlika 2.3 prikazuje sustav sa spremnikom zraka i dva naina pumpanja zranica, automatsko i runo.

Slika 2.3 Shema sustava sa spremnikom zraka i automatskim pupanjem zranicaU ovoj izvedbi u sustavu su sljedei elementi:(1) Fotonaponski panel(7) Regulator protoka

(2) Kontroler(8) T-spoj

(3) baterija(9) Elektroventil

(4) Kompresor s istosmjernim motorom(10) Senzor izlaznog tlaka

(5) Spremnik zraka(11) Pitolj

(6) Senzor tlaka u spremniku(12) Pitolj s manometrom

Ovakav sustav sadri sve elemente, najautonomniji je sustav jer ima i bateriju i spremnik. Pomou regulatora protoka se regulira dozvoljeni protok sustava, na T-spoju se spajaju prikljuci za runo pumpanje i automatizirano pumpanje zranica. Uz pomo elektroventila se kod automatiziranog pumpanja gume periodino proputa zrak dok senzor tlaka (11) ne izmjeri eljeni tlak u zranici.Sustav s izmjeninim motoromBez spremnika zraka

Slika 2.4 Shema sustava bez spremnika zrakaU ovoj izvedbi u sustavu su sljedei elementi:(1) Fotonaponski panel(4) Izmjenjiva

(2) Kontroler (5) Kompresor s istosmjernim motorom

(3) Baterija(6) Pitolj s manometrom

Slino kao i kod sustava na slici 2.2 ovo je najjednostavniji oblik sustava sa izmjeninim napajanjem kompresora. Sa spremnikom zraka

Slika 2.5 Shema sustava sa spremnikom zraka i automatskim pumpanjem zranicaU ovoj izvedbi u sustavu su sljedei elementi:(1) Fotonaponski panel(8) Regulator protoka

(2) Kontroler(9) T-spoj

(3) Baterija(10) Elektroventil

(4) Izmjenjiva(11) Senzor izlaznog tlaka

(5) Kompresor s istosmjernim motorom(12) Pitolj

(6) Spremnik zraka(13) Pitolj s manometrom

(7) Senzor tlaka u spremniku

Ovakva verzija stanice je najskuplja. Potreban je i dodatni element u sustavu, izmjenjiva. Prednost je ta to je lake dobavljiv kompresor.

Osnovni strukturni elementi staniceOsnovni elementi stanice su fotonaponski modul, pretvaraka i upravljaka jedinica, akumulatorska baterija te kompresor sa spremnikom zraka, ventilima i ostalim spojnim dijelovima.Fotonaponski modulPrincip rada sunane elijePrincip rada fotonaponske elije je baziran na fotonaponskom efektu, odnosno na stvaranju razlike potencijala izmeu dva razliita materijala zbog djelovanja elektromagnetskog zraenja. Fotonaponski efekt je usko povezan sa fotoelektrinim efektom kojeg je prvi primijetio H. Hertz 1889. godine [8]. Hertz je primijetio izbijanje elektrona iz obasjanog materijala djelovanjem elektromagnetskog zraenja dovoljno male valne duljine. Godine 1905. je fotoelektrini efekt objasnio Einstein pretpostavljajui da se svjetlost sastoji od kvantnih estica nazvanih fotoni [8]. Energija fotona je dana jednadbom:(3.1)

gdje je Planckova konstanta, a frekvencija svjetlosti. Fotonaponski efekt se moe podijeliti u tri osnovna koraka. Prvi korak je stvaranje nosioca naboja zbog apsorpcije fotona na materijalu koji tvori pn spoj, slika3.1a.

Slika 3.1 Fotonaponski efekt na poluvodiu. (a) apsorpcija energije fotona u elektronu i prelazak sa razine energije na energiju , (b) jednostavni model sunane elije [9]Slika 3.1a prikazuje apsorpciju fotona na poluvodiu sa zabranjenim pojasom . Apsorbirana energija fotona se koristi za pobuivanje elektrona sa poetnom energijom na vei nivo energije , gdje energija fotona mora biti vea od energije zabranjenog pojasa . Kada elektron pree iz na , na mjestu nastaje praznina koja se ponaa kao pozitivni naboj i naziva se upljina. Stoga to vodi do stvaranja para elektron-upljina, kako je prikazano na slici 3.1b.Drugi korak je naknadno odvajanje nosioca naboja u spoju to je prikazano na slici 3.1b. Apsorpcijom fotona dolazi do generiranja para elektron-upljina (1). Obino se elektroni i upljine nanovo spajaju (2), odnosno elektron se vraa na poetnu energiju . Dodavanjem polupropusnih membrana mogu se odvojiti elektroni i upljine (3). Spajanjem membrana u strujni krug elektroni se mogu nanovo spojiti sa upljinama, ali ovoga puta kroz strujni krug (4,5), gdje predaju svoju energiju vanjskom krugu gdje se kemijska energija para pretvara u elektrinu, to je ujedno i trei korak stvaranja elektrine energije iz fotonaponskog efekta.

Slika 3.2 Elektrini model sunane elijeSlika 3.2 prikazuje elektrini model sunane elije. je serijski otpor elije koji ovisi o materijalu i izradi sunane elije, a je otpor shunta, odnosno ovisi o osobinama elije. Kada sunana elija nije osvijetljena kroz nju protjee struja koja je definirana Schokleyjevom jednadbom:(3.2)

gdje je: reverzna struja zasienja naboj elektrona

napon na sunanoj eliji Bolzmannova konstanta

faktor idealnosti diode temperatura

Kada se sunana elija osvijetli, zbog fotonaponskog efekta nastaje struja , te se elija ponaa kao strujni izvor. Ako je na izlazu spojeno troilo, tada je struja kroz troilo jednaka:(3.3)

Iz jednadbe (3.3) se moe iscrtati U-I karateristika sunane elije, koja je prikazana na slici 3.3. Neosvjetljena karakteristika se nalazi u prvom kvadrantu, dok osvjetljavanjem elije karakteristika prelazi u 4. kvadrant, jer se elija ponaa kao strujni izvor.

Slika 3.3 U-I karakteristika i osnovni parametri sunane elije [9]Karakteristine toke sunane elije su: struja kratkog spoja napon praznog hoda toka u kojoj sunana elija daje najveu moguu snagu, koja odgovara najveoj moguoj povrini koja se moe upisati u U-I karakteristiku.Prema dogovoru fotostruja ima pozitivan smjer te jednadba (3.3) glasi:(3.4)

Tada U-I karakteristika osvijetljene sueve elije prelazi u prvi kvadrant, slika 3.4.

Slika 3.4 Osnovni parametri suneve elijePomou jednadbe (3.4) i slike 3.1 se moe dobiti jednadba za napon praznog hoda:(3.5)

Iz jednadbe (3.5) se vidi ovisnost napona praznog hoda o struji zasienja diode i fotostruji . Budui da fotostruja vrlo malo oscilira, za napon praznog hoda je kljuna struja zasienja diode. Ona ovisi o rekombinaciji u sunevoj eliji, stoga je napon praznog hoda zapravo mjera broja rekombinacija u eliji. Omjer napona praznog hoda i struje kratkog spoja se naziva karakteristini opor i oznaava se sa :(3.6)

Snaga koju daje sunana elija je jednaka:(3.7)

dok je maksimalna snaga koju elija moe dati jednaka:(3.8)

gdje je faktor punjenja (eng. fill factor). Faktor punjenja je omjer povrine maksimalne snage i povrine koju zatvaraju i , prikazano na slici 3.4. Djelotvornost sunane elije je omjer maksimalne generirane snage sunane elije i snage suneva zraenja koja upada na eliju , koja je jednaka umnoku ozraenosti i povrine panela : (3.9)

Tipini vanjski parametri kristalne silicijeve sunane elije su: , do , i izmeu i [9]. Djelotvornost silicijeve elije je izmeu i %.Vrste sunanih elijaSunane elije imaju znatno ubrzan tehnoloki napredak glede materijala za izradu sunanih elija i pronalasku novih koncepata i procesa njihove proizvodnje. Silicij, kao osnovni materijal za izradu sunanih elija, apsolutno dominira, s udjelom od oko 98 % i to preteno u tehnologiji kristalnog silicija, tj. monokristalnog i polikristalnog silicija [10]. Uz silicij kao materijal se koristi i kadmij-telurid (CdTe), bakar-indij-galij-selenid (CIGS) o bakar-indij-galij-sulfid (CIGS2). Na bazi ovih materijala se kategoriziraju razliiti razredi sunanih elija koje su podijeljene u tri generacije kako je prikazano na slici 3.5.

Slika 3.5 Razredi sunanih elija obzirom na generacijePrva generacijaKako je ve spomenuto gore, prva generacija sunanih elija je najstarija i najpopularnija tehnologija zbog njene pouzdanosti i relativno visoke djelotvornosti. Monokristalne elije (c-Si) se, kako samo ime kae, proizvode od pojedinanih kristala silicija procesom koji se naziva Czochralski process. Tokom procesa proizvodnje, kristali silicija se reu na tanke ploice iz velikih ipki. Takvi veliki pojedinani kristali zahtijevaju dodatnu obradu i od kojih se na kraju izrauje sunana elija. Djelotvornost monokristalnih elija je izmeu 22 i 26% [11].Polikristalne elije (poly-Si) se izrauju od mnogo razliitih kristala, piljenjem lijevanih poluga silicija icom u vrlo tanke (180 do 350 m) ploice, koji se spajaju u jednu eliju. Iako su neto jeftinije za izradu u odnosu na monokristalne elije, manje su djelotvornije, izmeu 20 i 22% [12].Najvei tehnoloki nedostatak kristalnog silicija je svojstvo da je poluvodi s tzv. neizravnim zabranjenim pojasom, zbog ega su potrebne razmjerno velike debljine aktivnog sloja kako bi se u najveoj mjeri iskoristila energije suneva zraenja.Druga generacijaSunane elije tankog filma pripadaju drugoj generaciji fotonaponskih elija, a postoji nekoliko eksperimentalnih poluvodikih materijala poput bakar-indij-galij-selenida (CIGSS), bakar-indij-diselenida (CIS) ili kadmijeva telurida (CdTe), no u masovnu su proizvodnju ule sunane elije izraene od tankog filma silicija (TFSi). Izvode se postavljanjem tankih slojeva (filmova) poluvodikih materijala na podlogu (tzv. supstrat). Takva izvedba sunanih elija je vrlo zahvalna jer omoguava njihovu fleksibilnost u odnosu na klasine, krute, sunane elije, a to omoguava njihovu iru primjenu. Meutim, njihova je dosadanja uinkovitost 16 do 19 % [13], to je znatno manje od klasinih silicijevih sunanih elija.Amorfni silicij (a-Si) je najrazvijenija tehnologija tankog filma. elije se izrauju od amorfnog ili mikrokristalnog silicija. Amorfni silicij ima vei zabranjeni pojas (1,7 eV) u odnosu na c-Si (1,1 eV) to znai da moe apsorbirati vei sunev spektar. Kadmij-telurid (CdTe) je jedini materijal koji konkurira kristalnom siliciju u omjeru cijene i djelotvornosti. Meutim je kadmij vrlo toksian element, iako je njegovo isputanje nemogue tijekom normalnog pogona elije, i zalihe telurija su ogranieneUdio tehnologije tankog filma (amorfni silicij, CdTe, CIS, CIGSS), unato znatnim naporima uloenim u istraivanja ostao je vrlo skroman, svega oko 6 %. Meutim, snaan rast proizvodnje sunanih elija s kristalnim silicijem moe prouzroiti porast cijene i nestaicu sirovog silicija, pa je mogu i vei proboj tehnologije tankog filma u budunosti.Trea generacijaU treu generaciju elija ulaze tehnologije koje imaju prosperitet u budunosti ali nisu jo komercijalno dostupne. Ukljuuju tehnologije koje ne koriste poluvodie kao to su nanokristalne elije, polimerske elije, elije sa fotoosjetljivim pigmentima te elije bazirane na pervoskitu.U tablici 3.1. dani su osnovni parametri sunanih elija, kao napon otvorenog kruga gustoa struje kratkog spoja i djelotvornost elije, za materijale koji se danas uglavnom koriste za izradu elija. Tablica 3.1 Osnovni parametri sunanih elija [14]Vrste elijaUph, VIks, mA/cm2

monokristalna-Si elija0,74410,25

polikristalna-Si elija0,67400,21

amorfna-Si elija0,89160,10

CdS/Cu2S0,50200,10

CdS/CdTe0,87300,19

GaAlAs/GaAs1,00230,18

GaAs1,12300,28

Povezivanje fotonaponskih elija i modulaSlika 3.6 prikazuje (a) kristalnu sunanu eliju, vie takvih elija povezanih koje tvore fotonaponski modul (b), fotonaponski panel (c) koji se sastoji od nekoliko fotonaponskI modula koji su elektrino povezani i konano fotonaponsko polje (d) koje se sastoji od nekoliko fotonaponskih panela.

Slika 3.6 Prikaz (a) sunane elije, (b) fotonaponskog modula, (c) fotonaponskog panela, (d) fotonaponskog polja [9]Sunane elije se mogu povezati na dva naina, serijski i paralelno, slika 3.7. Serijskim povezivanjem (a) se poveava napon, a struja ostaje ista, dok se paralelnim povezivanjem (b) poveava struja, a napon ostaje isti. Na slici 3.7c je prikazana U-I karakteristika tri sunane elije povezane u seriju i paralelu.

Slika 3.7 Prikaz (a) serijsko povezivanje sunanih elija, (b) paralelno povezivanje elija i (c) U-I karakteristika paralelnog i serijskog spoja [9]Fotonaponski se moduli kao i fotonaponske elije mogu spajati u seriju kako bi se poveao napon ili u paralelu kako bi se poveala struja i utjeu na U-I karakteristiku slino kao i elije. Povezivanjem vie fotonaponskih modula dobiva se fotonaponsko polje. Fotonaponska polja obino su sastavljena od kombinacije serijski i paralelno spojenih modula kako bi se poveala snaga. Postoje dva naina povezivanja modula:1. povezivanje modula u seriju, pa zatim u paralelu, slika 3.8a2. povezivanjem modula u paralelu, pa zatim u seriju, slika 3.8bSpajanjem modula prvo u seriju, pa zatim u paralelu mogue je tehniko odravanje sustava, jer iskljuivanjem jedne serije modula zbog popravka, fotonaponsko polje je i dalje u mogunosti osigurati potreban napon troila, ali uz manju struju, to u drugom sluaju nije mogue.

Slika 3.8 Dva naina spajanja modula u polje. (a) serijski pa paralelno, (b) paralelno pa serijski [12]Utjecaj zasjenjenja, temperature i ozraenosti na fotonaponski panelZbog mogueg parcijalnog zasjenjenja fotonaponskog modula u njega se integriraju premosne diode (eng. bypass). Parcijalno zasjenjenje se moe dogoditi zbog nekog oblinjeg objekta, npr. zgrade ili drva i sl., prikazano na slici 3.9. Parcijalno zasjenjenje ima znaajne posljedice na izlaz fotonaponskog modula. Na slici 3.9 su prikazane elije povezane u seriju gdje je jedna elija zasjenjena, to znai da je struja generirana na toj eliji znatno smanjena. Struja u serijskom spoju je ograniena sa najmanjom generiranom strujom u krugu, dakle zasjenjena elija diktira struju kroz modul. Slika 3.9b prikazuje U-I karakteristiku pet nezasjenjenih elija i jedne zasjenjene elije. Ako se modul optereti konstantnim teretom , napon na modulu opada zbog male generirane struje. Stoga, kako pet nezasjenjenih elija generira veliki napon, one se ponaaju kao reverzni izvor za sunanu eliju, odnosno zasjenjena elija umjesto da generira energiju, ona ju poinje rasipati i poinje se zagrijavati.

Slika 3.9 (a) est elija od kojih je jedna zasjenjena, (b) utjecaj zasjenjene elije na U-I karakteristiku modula, (c) modul sa premosnim diodama [9]Zagrijavanje moe doi do kritine razine, nakon koje dolazi do pucanja i oteivanja materijala. Ova pojava se moe sprijeiti dodavanjem premosne diode, prikazano na slici 3.9c. Dioda ne vodi struju kada je na njoj negativan napon, a vodi struju kada je na njoj pozitivan napon. Kada na jednu eliju padne sjena, premosna dioda poinje voditi zbog polarizacije ostalih elija, to rezultira da struja tee okolo zasjenjene elije i modul moe dati struju jednaku nezasjenjenim elijama.Dodavanje premosne diode na svaku eliju je nepraktino, no proizvoai dodaju barem jednu diodu na jedan panel kako bi se zatitilo fotonaponsko polje.U-I karakteristika fotonaponskog panela se mijenja sa promjenom temperature i ozraenosti kako je prikazano na slici 3.10. Ozraenost fotonaponskog panela ovisi o mnogo faktora, kao to su kut upada, doba dana, doba godine, atmosferske prilike. Iznos upadnog zraenja odreuje iznos struje kratkog spoja jer vee zraenje stvara vie parova nosilaca. Ovisnost napona praznog hoda o ozraenosti je logaritamska pa e njegova promjena biti puno manje izraena. Poveanje ozraenosti utjee i na porast temperature panela. Sa slike je vidljivo da promjena temperature utjee samo na iznos napona praznog hoda, dok je promjena fotostruje zanemariva. Ovisnost promjene napona praznog hoda o temperaturi moe se izraziti iz izraza za reverznu struju zasienja:(3.10)

gdje je konstanta za odreenu sunanu eliju, a irina zabranjenog pojasa. Uvrtavanjem u jednadbu (3.4) i uvrtavanjem uvjeta za praznih i deriviranjem po temperaturi, uz zanemarivanje promjene struje kratkog spoja:(3.11)

Slika 3.10 Uinak poveanja temperatura i ozraenosti na U-I krivulju [9]Tablica 3.2 prikazuje vrijednosti promjene napona o temperaturi za uobiajene materijale koji se koriste za izradu sunanih elija. Tablica 3.2 Promjena napona o temperaturi za neke materijale za izradu sunanih elijaMaterijalEg [eV]Uph [V], T=273 KdUph/dT [mV/K]

Si1,120,65-1,98

Si1,120,55-2,35

GaAs1,41,05-1,54

GaAs1,40,85-2,27

KompresorKompresori su ureaji koji tlae plin ili paru na vii tlak poveavajui im energetsku razinu. Mogu se podijeliti po nainu rada, izvedbi kuita, po dobavi, po radnim tlakovima ili po granicama primjene. Po nainu rada postoje dvije vrste kompresora: kompresori sa sukcesivnim ponavljanjem svoga radnog mehanikog ciklusa (direktno sabijanje plina smanjivanjem njegovog volumena), tzv. volumni kompresori i kompresori s kontinuiranim radnim procesom (poveanje kinetike energije plina ubrzavanjem strujanja, a zatim pretvaranje te kinetike energije u tlak usporavanjem u difuzoru), tzv. strujni kompresori. Volumni kompresori se kasnije dijele na oscilatorne i rotacijske. Od rotacijskih kompresora su najpoznatiji klipni, stapni i membranski. Detaljnija podjela dana je na slici 3.11.

Slika 3.11 Podjela kompresora po nainu rada [15]Princip rada idealnog kompresoraPrincip rada kompresora prikazan je na slici 3.12. Poevi od krajnjeg lijevog poloaja, klip se pomie u desno i time otvara ventil ''a'', a zatvara ventil ''b'' i puni cilindar sa zrakom iz spremnika 1. Na grafu je ovaj proces A-1 i naziva se usisavanje. Kako se rotira motor, tako i klip dosegne svoj maksimum usisa u toki 1 i poinje se kretati sa desna na lijevo. Ventil ''a'' se odmah zatvara, a ventil ''b'' se otvara tek kada se izjednae tlakovi u spremniku 2 i cilindru, to se naziva adijabatska kompresija i na grafu je prikazana izmeu duljinom 1-2. Nakon toga kree potiskivanje plina u spremnik 2 prikazano na grafu sa 2-B. Nakon to je potisnut sav zrak, klip ponovno dolazi u toku A i cijeli proces kree ispoetka.

Slika 3.12 Princip rada klipnog kompresora i proces u p-V dijagramu [15]Prema p-V dijagramu se rad koji je kompresor obavio moe opisati kao:(3.12)

Kapacitet ili dobava klipnog kompresora predstavlja koliinu plina u ili kojeg kompresor usisava, a zatim komprimira i potiskuje u neki spremnik. Za idealni kompresor radni volumen je , a specifini volumen usisavanog plina, pa je teoretski kapacitet klipnog kompresora:(3.13)

Ovdje je izraeno u , to se dobiva mnoenjem radnog volumena cilindra s brojem cilindara i brzinom vrtnje kompresora. (3.14)

gdje je:promjer cilindra, mhod klipa, mbroj cilindara prvog stupnjabrzina vrtnje (broj okretaja) pogonskog vratila, min-1

Za stvarni klipni kompresor, radni kapacitet je manji od teorijskog i njihova razlika se prema tradiciji naziva volumetrijski gubitak kompresora. Omjer stvarne dobave prema teorijski moguoj dobavi nazivamo po tradiciji volumetrijska efikasnost kompresora :(3.15)

Odnosno, moe se napisati da je volumetrijska efikasnost jednaka:(3.16)

gdje su: volumetrijska efikasnost zbog tetnog prostoravolumetrijska efikasnost zbog priguenja na ventilima (faktor tlaka)volumetrijska efikasnost zbog izmjene topline (temperaturni faktor)volumetrijska efikasnost zbog proputanja (faktor propusnosti)Spremnik zraka i popratne komponenteSpremnik zraka (tlana posuda) je, kako samo ime kae, ureaj (obino cilindrina posuda izraena od elika) za pohranu komprimiranog zraka. Svrha spremnika zraka je smirivanje tlanih udara klipnog kompresora (ujednaavanjetlaka), kvalitetnija usklaivanje rada kompresora i potronje i preuzimanje vrne potronje. Tlane posude su opasne i mogue su ozbiljne posljedice u sluaju neispravnosti rada spremnika, stoga za volumen vei od 10 L spremnici podlijeu propisima za posude pod tlakom i moraju imati atest.Svaki spremnik mora imati: prikljuak za dovod stlaenog zraka, prikljuak za odvod stlaenog zraka, prikljuak za regulator kompresora, ventil za ograniavanje tlaka(sigurnosni ventil) koji se otvara pri tlaku 10% veem od radnog tlaka,manometar, slavinu za isputanje kondenzata ili automatski odvaja kondenzata.Akumulatorska baterijaBaterija se sastoji od jednog ili vie lanaka meusobno povezanih paralelno i /ili serijski. lanak je zatvoren sustav koji kemijsku energiju pretvara u elektrinu energiju putem elektrokemijskih reakcija. lanak sadri dvije elektrode, anodu (negativna) i katodu (pozitivna), izmeu kojih se nalazi elektrolit. U procesu pranjenja baterije anoda oksidira pri emu nastali ioni putuju prema katodi kroz elektrolit koji je ujedno elektriki izolator, a elektroni putuju prema katodi kroz vanjski krug pri emu obavljaju rad. Na katodi se odvija proces redukcije, ime katoda prihvaa elektrone i ione. Pri punjenju baterije na elektrodama se odvijaju suprotne reakcije, katoda oksidira, a anoda reducira.Nainom spajanja pojedinih baterijskih lanaka moe se ostvariti baterija eljenog kapaciteta i napona. Spajanjem baterijskih lanaka u seriju ukupni napon jednak je zbroju pojedinih napona na lancima, a ukupni kapacitet je jednak kapacitetu pojedinog lanka. Paralelnim spajanjem lanaka ukupni kapacitet jednak je zbroju pojedinih kapaciteta lanaka, a ukupni napon jednak je naponu na jednom lanku. Mjeovitim spajanjem lanaka dobivamo bateriju potrebnih iznosa kapaciteta i napona. Kapacitet je mjera za koliinu energije koju baterija moe pohraniti prilikom punjenja, te koju moe dati tijekom pranjenja. Uobiajena mjerna jedinica je . Pored napona i kapaciteta ostali pojmovi kod razmatranja baterija su gustoa energije, djelotvornost, ciklus i ivotni vijek baterije. Gustoa energije je omjer sadrane elektrine energije i mase baterije. Obino se navodi u . Vea gustoa energije znai laku bateriju uz isti kapacitet i nazivni napon. Djelotvornost baterije obino se izraava u postocima i pokazuje koliko energije dovedene bateriji prilikom punjenja je mogue iskoristiti prilikom pranjenja. Jedan ciklus baterije predstavlja jedno punjenje i pranjenje baterije. Baterija se uobiajeno napuni do kraja, a prema tome koliko se isprazni razlikujemo plitke i duboke cikluse. ivotni vijek baterije je broj ciklusa nakon kojeg kapacitet baterije nepovratno padne ispod 80% poetnog kapaciteta.Pohrana energije u baterijiNain pohrane energije u bateriji je od iznimnog znaaja za sustav. Kako bi se moglo ispitati brzina i koliina pohranjene energije, potrebno je napraviti matematiki model baterije. U [16] dan je Shepardov model baterije.Model za svaku eliju sadri dvije jednadbe, jednu za punjenje baterije, drugu za pranjenje. Kada se baterija puni vrijedi ():(3.17)

Kada se baterija prazni vrijedi ():(3.18)

gdje su: i - punjenje (eng. charging) i pranjenje (eng. discharging)- otvoreni krug (eng. open circuit) korekcije za male struje djelomina dubina pranjenja, jednaka djelomino stanje punjenja, jednako kapacitet baterije (pri F=1, vrijednost kod proizvoaa) stvarni kapacitet baterije i unutarnji otpor baterijeZa olovne baterije postoje poznate relacije i izrazi te se tako reducira potreban broj parametara:(3.19)

(3.20)

(3.21)

(3.22)

(3.23)

(3.24)

(3.25)

(3.26)

(3.27)

(3.28)

Uvoenjem navedenih izraza u jednadbe (3.17) i (3.18) dobiju se sljedei izrazi:(3.29)

(3.30)

Jednadbe (3.31) i (3.32) vrijede za jednu eliju baterije. Za broj elija u seriji i broj elija u paraleli za napon i struju baterije vrijede slijedei izrazi:(3.31)

(3.32)

Kapacitet baterije u bilo kojem trenutku t, sa zadanim poetnim kapacitetom dobije se integriranjem po vremenu, tj.:(3.33)

Djelotvornost punjenja ovisi o razliitim gubicima tijekom punjenja, a uobiajena vrijednost je . Tokom praenjanja je jedak 1.Slika 3.13 prikazuje ovisnost struje o naponu za tipine olovne baterije. Krivulja je generirana za i . Takoer, na slici su prikazani i granice maksimalne i minimalne vrijednosti struje i napona prilikom punjenja i pranjenja kako bi se ouvao ivotni vijek baterije. Za prikazanu bateriju maksimalna vrijednost struje u oba sluaja je . Baterija se ne bi smjela puniti preko ili prazniti ispod . Limiti napona su i .

Slika 3.13 Ovisnost struje o naponu za tipine 50 Ah olovne baterije [16]Olovne akumulatorske baterijeOlovne baterije bile su prve sekundarne (punjive) baterije. Anodu i katodu ine olovne ploice, a kao elektrolit koristi se kombinacija sumporne kiseline () i destilirane vode. Takav lanak je stabilan, te izmeu anode i katode ne vlada razlika potencijala. Pri inicijalnom punjenju olovne baterije dolazi do elektrolize vode u elektrolitu pri emu se osloboeni kisik vee na katodu i stvara olovni (IV) oksid. Zbog manjka elektrona na katodi nastaje razlika potencijala izmeu anode i katode. Pranjenjem baterije anoda i katoda se izjednaavaju, ime postaju olovni sulfat. Ponovno punjenje baterije vraa anodu i katodu u olovo i olovni dioksid, te je opet postignuto stanje kada meu elektrodama vlada razlika potencijala. Zbog takvog naina rada olovne baterije zahtijevaju povremeno dolijevanje destilirane vode. Osim nedostataka olovnih baterija, primjerice curenje elektrolita i otputanje plinova, olovne baterije predstavljaju opasnost za ovjekovo zdravlje i okolinu. Zbog velike atomske mase olova, olovne baterije su teke i imaju malu gustou energije. Unato nedostacima olovne baterije imaju nazivan napon u iznosu do , mogu osigurati veliku struju, imaju dobre temperaturne karakteristike i nisku cijenu. ivotni vijek baterija iznosi od nekoliko stotina ciklusa do 1000 ciklusa. Naprednija verzija olovnih baterija su VRLA (eng. valve regulated lead acid battery) baterije, tj. olovne baterije upravljane ventilom. Takve baterije umjesto tekue mjeavine sumporne kiseline i vode za elektrolit imaju gel. Zbog toga mogu raditi u bilo kojem poloaju i ne zahtijevaju odravanje kao klasine olovne baterije.Punjenje olovne baterijePoznavanjem uzroka i posljedica te prevencijom glavnih uzronika prijevremenog kvara baterije, mogue je produljiti radni vijek baterije. Glavni uzroci gubitka kapaciteta i kvarova baterije su sulfatizacija i prekomjerno curenje plina. Glavni uzrok kvara baterije je sulfatizacija. Sulfatizacija je taloenje olovnog sulfata na ploama za punjenje zbog ega baterija oteano prihvaa naboj. Tokom normalnog punjenja taloenje se dogaa u neznatnim koliinama, ali se znatne koliine pojavljuju ako je baterija nedovoljno napunjena (eng. undercharged) ili prepunjena (eng. overcharged), to dovodi do usporavanja i prestanka elektrokemijske reakcije. Ako reakcija stane, sulfatizacija se ubrzava i sulfat curi izvan elektrolita i prijanja uz ploe. to je vie taloga na ploama, smanjuje se potpuno prihvaanje naboja na bateriji. Ako nakon pranjenja ubrzo nastupi punjenje, taj se materijal se razgradi. Meutim ako se baterija ostavi nenapunjena, sulfat ostaje na ploama i s vremenom ovrsne (kristalizira). Nakon nekog vremena vie nee biti mogue razgraditi sulfat punjenjem baterije i baterija e nepovratno izgubiti dio kapaciteta i na kraju propasti.Glavni uzrok sulfatizacije je nenapunjenost baterije.Jednako kao i nenapunjenost, i prepunjenost smanjuje ivotni vijek baterije, ali i moe doi do opasnih situacija. Jedna od opasnosti prepunjenosti je prekomjerno curenje plina. Curenje plina je normalna pojava prilikom punjenja baterije, ali kada je olovna baterija prepunjena, elektrolitska otopina se moe pregrijati, stvaraju se plinovi vodika i kisika i raste tlak unutar baterije. Nezabrtvljene olovne baterije koriste odzraivanje za oslobaanje tlaka i recirkulaciju tlaka u bateriji. Zbog nastanka vie plina nego to je kapacitet odzraivanja, moe doi do kljuanja vode iz baterije to rezultira gubitkom vode i u konanici unitenje baterije.Najsigurniji i najdjelotvorniji nain spreavanja gore navedenih pojava je pametno punjenje baterije. Elektrolitska otopina ima faze prihvaanja punog naboja. Viefazno punjenje se prilagoava tim fazama i pomae prevenciji sulfatizacije i curenja plina. Tri faze punjenja baterije su tzv. bulk, apsorpcija i tzv. float.Faza bulk. Naziva se jo i uzlazna faza, u ovoj fazi je struja punjenja konstanta i napon se poveava sve do razine najveeg napona na bateriji, 2,46 V po eliji. U ovoj fazi se dogaa najvei prihvat naboja na bateriji. Ako baterije ostane na ovome naponu, odlazi do prepunjenosti baterije.Faza apsorpcija. Naziva se jo i faza upijanja (eng. soak). U ovoj fazi napon punjenja je konstantan (2,36V po eliji) i traje sve dok struja ne padne na 10% vrijednosti struje kojom se punila u bulk fazi (kako bi elektrolitska otopina imala mogunost potpuno apsorbirati naboj). Jednako kao i za bulk fazu, ako baterija ostane na ovome naponu, dolazi do prepunjenosti baterije.Faza float. U ovoj fazi dolazi do dopunjavanja, odnosno odravanja kapaciteta baterije. Napon punjenja baterije se smanjuje na 2,26V po eliji i tako ostaje odreeni period.Faze punjenja baterije su prikazane na slici 3.14.

Slika 3.14 Faze punjenja baterijeNaponi baterije pojedinih faza su dani u tablici 3.3.Tablica 3.3 Napon na bateriji za faze punjenjaFaza punjenjaNapon

Bulk14,8 V

Apsorption14,2 V

Float 13,6 V

Prednosti i nedostaci olovnih akumulatorskih baterijaOsnovne prednosti olovnih baterija su: jeftine i jednostavna proizvodnja u pogledu cijenu u odnosu na Wh, zatvorene olovne baterije su najjeftinije poznata, pouzdana i lako razumljiva tehnologija kad se ispravno koriste olovne baterije su pouzdane i pruaju pouzdanu uslugu nisko samopranjenje brzina samopranjenja je meu najmanjima u odnosu na druge punjive baterije zahtijevaju jako malo odravanja, nemaju memorijskog efekta mogunost velikog broja pranjenja

Osnovni nedostatci olovnih baterija su: ne smiju se skladititi u ispranjenom stanju mala gustoa energije lo omjer teine baterije u odnosu na gustou energije ime je ograniena upotreba u stacionarnim i pokretnim primjenama omoguavaju ogranien broj punih pranjenja dobre su u sluaju da su potrebna samo povremena pranjenja tetne su po okoli sadraj elektrolita (sumporna kiselina razrjeena destiliranom vodom) i olova moe uzrokovati zagaenje okolia mogunost prolijevanja sumporne kiseline u sluaju nesrea nepravilnim punjenjem moe doi do jakog zagrijavanja baterijePored olovnih baterija danas su sve vie u upotrebi i litij ionske baterije. U nastavku su dane i osnovne karakteristike ovog tipa baterija.Litij ionske akumulatorske baterijeStruktura litij ionskog akumulatora sastoji se od tri glavna dijela. To su anoda (negativna elektroda), katoda (pozitivna elektroda) te elektrolit koji se nalazi izmeu njih. Elektrolit je materijal koji omoguuje kretanje litijevih iona izmeu elektroda te ne posjeduje svojstvo elektrine vodljivosti. Izmeu elektroda unutar elektrolita nalazi se jo jedan sloj koji se naziva separator. Prilikom procesa pranjenja dolazi do oksidacije anode zbog ega litijevi atomi koji se nalaze uz granicu s elektrolitom isputaju elektron koji se nalazi u valentnom pojasu. Osloboeni elektroni odlaze u vanjski krug (ureaj koji se napaja baterijom) dok se pozitivni litijevi ioni kreu kroz elektrolit prema katodi. Istovremeno na katodu dolaze litijevi ioni i elektroni iz vanjskog kruga. Izmeu anode i katode nalazi se tanki sloj koji se naziva separator. Separator slui za sprjeavanje kratkih spojeva izmeu anode i katode te je u potpunosti propustan za litijeve ione (mikroporoznost). Proces punjenja je suprotan od procesa pranjenja. Litijevi ioni putuju od katode prema anodi dok istovremeno elektroni pod utjecajem vanjskog izvora napona koji je barem jednak naponu izmjerenom prilikom pranjenja (i suprotnog predznaka) kreu isto od katode prema anodi.

Prednosti i nedostaci li-ion akumulatorske baterijeOsnovne prednosti Li-ionskih baterija su: velika gustoa energije i snage poto se tei da elektroniki ureaji rade dulje vrijeme izmeu punjenja dok se istovremeno troi sve vie energije postoji potreba za baterijama koje imaju veliku gustou energije moe podnijeti duboke cikluse pranjenja elija zadrava konstantni napon kroz 80% krivulje pranjenja. To znai da se u praksi moe upotrijebiti vie uskladitene energije za dani kapacitet. niska razina samopranjenja to znai ako se akumulator ne upotrebljava on se nee samostalno isprazniti zbog nekih unutarnjih reakcija. odnos kapaciteta punjenja i kapaciteta pranjenja vrlo malo energije se izgubi tokom ciklusa punjenja/pranjenja nema memorijskog efekta Akumulator ne moramo isprazniti do kraja prije punjenja, nee doi do smanjenja kapaciteta. veliki broj ciklusa punjenja i pranjenja mogunost funkcioniranja unutar irokog temperaturnog podruja mogunost brzog punjenjaOsnovni nedostatci li-ionskih baterija su: velika unutarnja impedancija degradiranje na visokim temperaturama gubitak kapaciteta ili temperaturni bjegovi zbog prepunjenja ako previe nabijemo bateriju postoji mogunost pojave nuspojava koje mogu uzrokovati poveanje temperature i dovesti do unitenja akumulatora potrebni su zatitni krugovi kao bismo sprijeili curenje plinova u sluaju prenabijanja posebni propisi kod transporta cijena

Uzlazni pretvaraDa bi se elektrina energija, dobivena iz fotonaponskog modula, mogla koristiti te pri tome ostvariti najvee iskoritenje, modul se spaja na bateriju ili troilo preko istosmjernog uzlaznog pretvaraa. Osnovna uloga istosmjernog pretvaraa je prilagodba napona na iznose koji odgovaraju prikljuenim ureajima. Maksimalno iskoritenje energije Sunca vanije je od same djelotvornosti sustava, zbog prirode suneva zraenja, jer esto veim iskoritenjem energije Sunca i manjom efikasnosti moemo dobiti vie elektrine energije nego uz manje iskoritenje Sunca i veu efikasnost. Raspoloivost energije suneva zraenja nije pouzdana, pa je zbog toga bitno iskoristiti svu moguu energiju kada je ona raspoloiva. Nain kojim se to ostvaruje osigurava primjena tzv. MPPT algoritma (eng. Maximum Power Point Tracking) i pripadnog sklopovlja i sastavni su dio istosmjernog pretvaraa. MPPT na temelju strujno-naponskih odnosa fotonaponskog modula odreuje toku maksimalne snage, te dovoenjem fotonaponskog modula u tu toku ostvaruje najvee iskoritenje sunevog zraenja.Istosmjerna pretvorbaIstosmjerna pretvorba je pretvorba jednog istosmjernog napona u drugi istosmjerni napon. Jedna podvrsta istosmjernih pretvaraa koji omoguavaju istosmjernu pretvorbu su istosmjerni pretvarai bez galvanskog odvajanja. Na slici 3.15 prikazana je shema uzlaznog istosmjernog pretvaraa bez galvanskog odvajanja.Kada je sklopka uklopljena struja tee kroz zavojnicu i vrijedi:(3.34)

(3.35)

Promjena struje zavojnice je linearna, iz toga slijedi:(3.36)

(3.37)

Slika 3.15 (a) Shema uzlaznog pretvaraa. (b) Ekvivalentna shema za zatvorenu sklopku. (c) Ekvivalentna shema za otvorenu sklopku.Za vrijeme dok je sklopka isklopljena struja kroz zavojnicu ne moe trenutno promijeniti smjer, to vodi do toga da se struja zatvara kroz troilo i kondenzator.(3.38)

(3.39)

Uzimajui u obzir konstantnu promjenu struje zavojnice vrijedi:(3.40)

(3.41)

U stacionarnom stanju, promjena struje zavojnice mora biti nula. Iz toga slijedi:(3.42)

Uvrtavajui jednadbe (3.37) i (3.41) u (3.42) i izjednaavajui za U0 slijedi naponska transformatorska jednadba:(3.43)

Iz jednadbe (3.43) slijedi, ako je sklopka stalno isklopljena, faktor voenja je nula i napon na izlazu je jednak naponu na ulazu. Rastom faktora voenja raste i izlazni napon.

Slika 3.16 (a) Napon zavojnice. (b) Struja zavojnice. (c) Struja diode. (d) Struja kondenzatoraMinimalna vrijednost induktiviteta zavojnice se odreuje iz izjednaavanja snaga ulaza i izlaza pretvaraa. Izlazna snaga pretvaraa je jednaka:(3.44)

Ulazna snaga je jednaka , izjednaavanjem snaga i uvrtavanjem jednadbe (3.43), dobije se:(3.45)

odnosno:(3.46)

Za neisprekidani nain rada pretvaraa, potrebno je da struja kroz zavojnicu cijelo vrijeme bude pozitivna, dakle razlika izmeu isprekidanog i neisprekidanog naina rada se odreuje iz vrijednosti minimalne struje. Ukljuujui da je promjena struje kroz zavojnicu odreena iz jednadbe (3.37) slijedi:(3.47)

(3.48)

Za kontinuirani nain rada je potrebna minimalna vrijednost umnoka frekvencije sklapanja i induktiviteta, odnosno:(3.49)

ili(3.50)

U dosadanjim jednadbama se pretpostavlja da je izlazni napon konstantan, odnosno da je kapacitet beskonaan. U stvarnosti, vrijednost kapaciteta odreuje valovitost napona. Valovitost napona se moe izraunati iz valnog oblika struje kondenzatora. Promjena naboja u kondenzatoru je:(3.51)

odnosno, omjer promjene napona i izlaznog napona jednak je:(3.52)

Praenje toke maksimalne snage (MPPT)Kako je reeno u poglavlju 3.1 ozraenost sunane elije se moe opisati U-I krivuljom, a serijskim ili paralelnim povezivanjem se poveava napon i/ili struja, ali se ne mijenja oblik krivulje. Slika 3.17 prikazuje ovisnost snage i napona o ozraenosti i temperaturi. Sa slike je vidljivo da se toka maksimalne snage mijenja ovisno o ozraenosti i temperaturi, odnosno za razliitu ozraenost/temperaturu razliit je i napon na kojem sunana elija daje maksimalnu snagu. Svaka radna toka sunane elije je definirana sa naponom i strujom za svaki trenutak.

Slika 3.17 Ovisnost snage i napona o: (a) ozraenosti, (b) temperaturiZa odreenu temperaturu i ozraenost radna toka elije lei na U-I krivulji, prikazano na slici 3.18. Za najveu izlaznu snagu za danu ozraenost i temperaturu, radna toka se nalazi na maksimumu P-U krivulje, ta toka se naziva toka maksimalne snage (eng. Maximum Power Point, MPP). Povezivanjem fotonaponskog panela izravno na troilo, radna toka je odreena troilom, to znai da nee uvijek dati maksimalnu moguu snagu. Najjednostavniji nain postavljanja panela da radi u MPP-u je ili mijenjanjem napona panela da bude u toki MPP-a () ili mijenjanjem struje u toku MPP-a (). Promjenom vremenskih uvjeta mijenja se i toka maksimalne snage, stoga je potrebno mijenjati iznos napona kako bi u svakom trenutku radna toka bila u toki maksimalne snage. To se naziva praenje toke maksimalne snage (eng. Maximum Power Point Tracking), u daljnjem tekstu MPPT.Dvije su najee vrste MPPT algoritma: neizravno praenje MPP-a, npr. metoda Parcijalnog napona praznog hoda (eng. Fractional Open Circuit Voltage) izravno praenje MPP-a, npr. metoda Inkrementalna vodljivost (eng. Incremental Conductance) ili metoda Promijeni i posmatraj (eng. Perturb and Observe, P&O)

Slika 3.18 Toka maksimalne snage na U-I i U-P grafu [9]Neizravne metodeNeizravne metode nemaju povratnu vezu o toki maksimalne snage, nego se na osnovu nekoliko poznatih mjerenja ona odreuje.Metoda stalnog naponaMetoda stalnog napona (eng. fixed voltage method) je metoda u kojoj je napon radne toke konstantan i prilagoava se samo sezonski. Temeljena je na pretpostavci da je za istu koliinu ozraenosti napon MPP-a vei tokom zime nego tokom ljeta, to nije vrlo precizno. Metoda je najtonija na lokacijama sa vrlo malom promjenom ozraenosti izmeu dana.Metoda parcijalnog napona praznog hodaOva metoda je jedna od najpoznatiji neizravnih MPPT metoda. Ova metoda iskoritava injenicu da se napon u toki maksimalne snage moe opisati kao:(3.53)

gdje je konstanta. Za kristalni silicij iznosi izmeu 0,7 i 0,8. Obzirom da se promjene napona praznog hoda mogu vrlo lako pratiti, napon se moe estimirati mnoenjem s . Iako je ova metoda vrlo laka za implementaciju, postoje nedostaci. Koritenjem konstante moe se samo u grubo estimirati pozicija MPP-a. Dakle, radna toka uglavnom nije na tonom mjestu MPP-a, nego u podruju MPP-a. Drugi, promjenom ozraenosti, potrebno je mjeriti napon praznog hoda , to znai da se teret treba odvojiti od panela i tada nema predavanja snage teretu. to se ee mora raunati, vei su gubici sustava.Izravne metode Izravne metode su bre i uinkovitije od neizravnih metoda, samim time se i vie koriste. Sve su zasnovane na mjerenju struje, napona ili snage.Metoda promijeni i posmatraj Promijeni i posmatraj (P&O) algoritam, jo se naziva i algoritam ''uspona na brdo'' (eng. hill climbing) je najuestaliji algoritam zbog svoje jednostavne implementacije. U ovom algoritmu se mijenja iznos napona panela i posmatra se utjecaj promjene na iznos snage panela. Ako se poveanjem napona poveava i snaga panela, trenutna radna toka se nalazi lijevo od toke maksimalne snage i u iduem koraku je potrebno poveati napon. Ako se poveavanjem napona smanjuje snaga panela, znai da je radna toka desno od toke maksimalne snage i u iduem koraku je potrebno smanjiti napon. Ovo naelo je prikazano u tablici 3.4.Tablica 3.4 Pregled moguih sluajeva u P&O algoritmuProla perturbacijaPromjena snageIdua perturbacija

PozitivnaPozitivnaPozitivna

PozitivnaNegativnaNegativna

NegativnaPozitivnaNegativna

NegativnaNegativnaPozitivna

Problem ovakvog algoritma je to radna toka nikad nije mirna u toki maksimalne snage, nego oscilira u njenoj okolini. Promjenom koraka perturbacija u okolini MPP-a, se moe ovaj problem minimalizirati. Osim toga, problem se javlja i kod nagle promjene ozraenosti izmeu dva koraka uzorkovanja, kao to je prikazano na slici 3.19. Nova radna toka je toka B, algoritam je odredio da snaga raste i nastavlja se kretati prema desno, u toku C. U tom trenutku dolazi do nagle promjene ozraenosti i nova krivulja snage je sada oznaena plave boje. U iduoj perturbaciji radna toka prelazi u toku C' umjesto u C i u toj toci je snaga manja nego u toki B. Iako se radna toka nalazi lijevo od MPP-a, algoritam ''zakljuuje'' da se nalazi desno jer je dolo do smanjenja snage i u iduoj perturbaciji smanjuje napon.

Slika 3.19 Problem P&O algoritma prilikom nagle promjene ozraenosti panela [9]Metoda inkrementalne vodljivostiPrethodno opisani problem se moe rijeiti primjenom druge metode, metode inkrementalne vodljivosti. Vodljivost elektrine komponente je definirana kao:(3.54)

U toki maksimalne snage, promjena snage je 0 odnosno:(3.55)

Onda se moe pisati:(3.56)

Obzirom da je korak uzorkovanja dovoljno mali, vrijedi aproksimacija:(3.57)

se naziva inkrementalna vodljivost, a konstantna vodljivost. Iz toga slijedi:ako jeslijedi (3.58)

ako jeslijedi(3.59)

ako jeslijedi(3.60)

Algoritam inkrementalne vodljivosti se moe prikazati pomou dijagrama toka prikazanog na slici 3.20.

Slika 3.20 Dijagram toka algoritma inkrementalne vodljivostiZa svaku promjenu radne toke, algoritam usporeuje trenutnu vodljivost sa inkrementalnom vodljivosti. Ako je inkrementalna vodljivost vea od negativne trenutne vodljivosti, trenutna radna toke je lijevo od MPP-a, dakle potrebno je smanjiti faktor voenja kako bi se poveao napon panela. Suprotno tome, ako je inkrementalna vodljivost manja od negativne trenutne vodljivosti, trenutna radna toka je desno od MPP-a, to znai da je potrebno poveati faktor vodljivosti kako bi se smanji napon panela. Iteracije se odvijaju sve dok inkrementalna vodljivost nije jednaka negativnoj trenutnoj vodljivosti, odnosno radna toka se nalazi u toki maksimalne snage.Algoritam inkrementalne vodljivosti je uinkovitiji od P&O algoritma utoliko to ne oscilira uokolo toke maksimalne snage. Meutim, najvei problem ovog algoritma je kompleksnost hardverske implementacije. Jer je osim senzora struje i napona potrebno i izraunati i usporediti trenutnu i inkrementalnu vodljivost.Metoda parazitnog kapacitetaAlgoritam parazitnog kapaciteta je vrlo slian inkrementalnoj vodljivosti, ali jo ukljuuje i efekt parazitnog kapaciteta sunane elije, koji oznaava pohranu naboja u p-n spoju sunane elije. Dodavanjem kapaciteta u jednadbu sunane diode (3.5), ako se struja kroz kapacitet jednaka , slijedi jednadba:(3.61)

Jednadba (3.61) je skraena na dvije varijable , funkciju strujne ovisnosti o naponu, i struju kroz parazitni kapacitet. Uz ovakav opis, inkrementalna vodljivost se moe pisati kao , a trenutna vodljivost se moe pisati kao . U toki maksimalne snage vrijedi da je derivacija snage po naponu jednaka nuli, odnosno . Mnoenjem jednadbe (3.61) sa naponom elije kako bi se dobila snaga elije, deriviranjem funkcije po naponu elije i izjednaavanjem s nulom, dobije se jednadba za toku maksimalne snage:(3.62)

Tri lana u jednadbi (3.62) predstavljaju trenutnu inkrementalnu vodljivost, inkrementalnu vodljivost i induciranu valovitost zbog parazitnog kapaciteta. Prva i druga derivacija napona elije uzimaju u obzir izmjeninu valovitost komponenti stvorenih od strane pretvaraa. U sluaju da je jednak nuli, jednadba je jednaka jednadbi za inkrementalnu vodljivost. Budui da je parazitni kapacitet modeliran kao kondenzator spojen u paralelu sa sunanom elijom, spajanjem elija u paralelu poveava efektivni kapacitet koji vidi MPPT. Najvea razlika izmeu algoritma inkrementalne vodljivosti i algoritma parazitnog kapaciteta bi trebala biti kod sunanih polja sa velikom snagom sa puno paralelnih modula.

Vrste i karakteristike zranica za bicikleBiciklizam i bicikl, kao sport i prijevozno sredstvo, sve su raireniji u svijetu. Bicikli se dijele na dvije osnovne skupine: bicikli za brdski biciklizam, popularno znani kao MountainBike (MTB), i bicikli za cestovni biciklizam (TouringBike). U dananje vrijeme se vrste biciklistikih zranica rade prema ETRTO (European Tire and Rim TechnicalOrganization) standardu. Uz njih, koriste se jo i starije engleske i francuske dimenzije zranica. Osnovna karakteristika svih brdskih bicikala jest da su namijenjeni terenskoj, odnosno off-road vonji. Imaju iroke 26" kotae, vrlo vrste i izdrljive konstrukcije rame.Opa odlika cestovnih bicikala njihova mala teina, razmjerno veliki kotai (26''-29'') sa uskim zranicama, te im je, naravno, namjena ista cestovna vonja.Vrste zranica i tlakTlak u zranicama je vrlo bitan za vonju biciklom. Samo gume sa dovoljnim tlakom mogu podnijeti teret na biciklu. Vei tlak u zranicama znai manji otpor gume i povrine po kojoj se bicikl kree, ali i manju prilagodljivost gume zahtjevima terena (oteenja kolnika, staklo, sitno kamenje itd.) te lake moe doi do pucanja iste. Takoer, zbog konstantno niskog tlaka u gumi smanjuje joj se ivotni vijek, te tipino rezultira pucanjem gume sa bone strane i abrazijom (uklanjanje povrinskog sloja).S druge strane, guma sa slabije napumpanom zranicom lake apsorbira udare na cesti. Zbog toga su zranice na brdskim biciklima pod manjim tlakom od onih za cestovni bicikl. Na taj nain omoguavaju vozau da lake podnosi rupe, neravnine i grbav teren, ali ima vee trenje prilikom vonje ravnim terenom.Uz dvije osnovne vrste guma ima i jo nekoliko varijacija, a odnos volumena, vrste i irine guma prikazan je na slici 4.1.1. Gume za brdski biciklizam (MTB tires) gume su promjera 660 mm (26'') i irine, ovisno o biciklu, 46mm 76 mm (1,8'' 3,0'').1. Gume za cestovni biciklizam (Tourningtires) promjera 700mm (27,5'') i irine, ovisno o biciklu, 18 mm 35 mm.

Slika 4.1 Volumen gume ovisno o vrsti i irini gumeVentiliPostoje dvije vrste ventila za bicikl, prikazane na slici 4.2.

Slika 4.2 Vrste ventila za biciklPresta ventil naziva se i Dunlop ventil ili klasini ventil za bicikl, najuestali je ventil kod bicikala. Ui je (6 mm) te je zbog toga pogodan za uske gume. Presta ventil ima i mali vijak i kapicu na vrhu koji se mogu zategnuti i time osigurati da ventil ostane vrsto zatvoren. Kapica se mora odviti kako bi se omoguio protok zraka u bilo kojem smjeru. Vijak ostaje na ventilu ak i kada se potpuno odvije. Kapica ventila titi mehanizam ventila od praine i blata. Takoer, sprjeava da ventil oteuje zranicu prilikom motanja. Presta ventil se najee nalazi na zranicama za trkae bicikl (vei tlak). Ne moe se koristiti zranica sa presta ventilom na naplatku sa Schrader rupom jer je rupa preiroka i moe zbog pomaka doi do odvajanja ventila od zranice.Problem Presta ventila je to se ne moe izmjeriti tlak u gumi sa obinim manometrom za Schrader ventil i adapterom za presta ventil, ve je potreban poseban manometar.Schrader ventil nazva se jo i auto ili ameriki ventil, jer je jednak ventilu koji se nalazi na zranicama za automobil. iri (8 mm) od Presta ventila. Sastoji se od uplje cilindrine metalne cijevi, tipino od mjedi, sa navojima. U sreditu vanjskog dijela ventila se nalazi metalna igla du cijevi. Obino svi Schrader ventili imaju vanjski dio standardiziran tako da su kapice i dodatni pribor primjenjiv na sve ventile. Kapica za ventil je vrlo bitna, jer prljavtina i voda ulaze u vanjski dio ventila, to moe dovesti do kontaminacije brtvene povrine i istjecanja zraka. Neke kapice imaju gumene brtve kako bi se to bolje zabrtvio ventil i sprijeilo i najmanje istjecanje zraka. Zbog svoje irine, ovakva vrsta ventila se koristi kod irih zranica.Tlak u zranicamaTlak u zranicama ovisi o vrsti gume (irina). Prema podacima proizvoaa zranica Schwalbe tlak se kree od 2 bar do 9 bar kao to je prikazano u tablici 4.1. Uz predloeni tlak potrebno je uzeti u obzir i ukupnu masu na biciklu (voza + dodatan teret).Tablica 4.1 Tlak u zranicama ovisno o iri zranicairina gumePreporueni tlak

20 mm9,0 bar130 psi

25 mm7,0 bar100 psi

30 mm5,5 bar80 psi

35 mm4,5 bar65 psi

37 mm4,5 bar65 psi

40 mm4,0 bar55 psi

42 mm4,0 bar55 psi

44 mm3,5 bar50 psi

47 mm3,5 bar50 psi

50 mm3,0 bar45 psi

54 mm2,5 bar35 psi

57 mm2,2 bar32 psi

60 mm2,0 bar30 psi

Gume za brdske bicikle se tlae od 2 bar do 3,5 bar, dok se gume za cestovne bicikle tlae od 4,5 bar do 9 bar. Iako se prema tablici gume tlae i do 9 bar, pri obinoj vonji, cestovni bicikli se ne tlae preko 5-6 bar, ponajvie zbog kvalitete same gume i zranice.Energetska bilanca servisne stanicePretpostavke: volumen zranice: 5 dm3 (28'' gume, irina 35 mm) prosjek promjene tlaka zranice, odnosno tlaenja zranice je p= 1 bar prosjeno vrijeme potrebno da se zranica stlai za jedan bar je 10 sekundi. spremnik zraka ima radni tlak od 10 bar do 7,5 bar (2,5 bar). spremnik energije je olovna baterija pretvara radi 12 sati.Pri raunanju energetske bilance polazi se od fotonaponskog modula vrne snage 135 W. Snaga koju daje fotonaponski modul izraunata je pomou [19] za grad Zagreb i tokom ljetnih mjeseci iznosi 600 Wh na dan. Djelotvornost MPPT algoritma je oko 95% to znai da je na ulazu pretvaraa 570 Wh. Gubici pretvaraa su 3 W, odnosno 36 Wh, to znai da baterija prima 524 Wh. Djelotvornost prihvata energije olovne baterije je 75%, dakle baterija dnevno pohrani 393 400 Wh koje koristi kompresor za rad. Snaga kompresora iznosi 824200 W. Dakle kompresor dnevno moe raditi 2 sata i potrebno mu je 90 sekundi da stlai spremnik sa 7,5 na 10 bar. Iz toga slijedi da je broj tlaenja spremnika jednak :(5.1)

Ako je: promjena tlaka u spremniku volumen spremnika (10 L) promjena tlaka u gumi (1 bar) - volumen gume (5 L)Slijedi:(5.2)

(5.3)

(5.4)

Za vrijeme pumpanja jedne gume, tlak u spremniku padne za 0,5 bar. Iz toga slijedi da je ukupan broj zranica koji je mogue napumpati za radno podruje spremnika jednako:(5.5)

Odnosno, ukupan broj zranica napumpanih za 1 bar iznosi:(5.6)

Ukupan broj napumpanih zranica za 1 bar je 400. Dakle ako prema [20], u Zagrebu u Vukovarskoj ulici dnevno proe 1400 bicikala, stanica moe usluiti skoro treinu biciklista na dan.

Simulacijski model pretvaraaPomou programskog alata Matlab/Simulink najprije je projektiran simulacijski model pretvaraa sa sunanim modulom i baterijom. Pomou danog modela je simuliran rad pretvaraa sa odgovarajuim MPPT algoritmom i teretom na izlazu za odreenu sekvencu Sunevog zraenja.Shema simulacijskog modela i parametriShema koritena za simulaciju sustava prikazana je na slici 6.1. Model se sastoji od signala za simuliranje Sunevog zraenja i temperature, fotonaponskog panela, funkcije koja sadri algoritam praenja toke maksimalne snage, pretvaraa, baterije, otpornika i modela kompresora. Blok ''MEASURMENT'' sadri na jednom mjestu sva mjerenja u sustavu.

Slika 6.1 Shema simulacijskog modela u Matlab-uNa ulaz fotonaponskog panela je spojen profil Sunevog zraenja i temperature, slika 6.2. Na osnovu tog profila, fotonaponski panel rauna iznos struje i napona koje daje pretvarau. Blok ''MPPT algorithm'' prima signale struje i napona fotonaponskog panela i na osnovu njih odreuje iduu vrijednost faktora voenja, koja se onda prosljeuje do bloka ''PWM Generator'' koji generira faktor voenja sa frekvencijom od 50kHz. Po potrebi se moe ukljuiti kompresor pomou bloka ''Pulse Generator''. Ovisno o vrsti troila, na izlaz se prikljuuje otpor ili baterija.

Slika 6.2 Profil Sunevog zraenja i temperatureStruktura bloka ''DC Motor'' prikazana je na slici 6.3. Kompresor je modeliran na jednostavan nain. Budui da je kompresoru u normalnom radu potrebna struja od , a napajanje je , vrijednost otpora kompresora onda iznosi: , u seriju je jo dodana i zavojnica induktiviteta zbog induktivnih svojstava motora. Naponski izvor ''E'' predstavlja elektromotornu silu motora, odnosno unosom neke vrijednosti napona, smanjuje se struja kroz motor.

Slika 6.3 Model kompresora u Simulink-uSvi parametri sustava su stvarne kataloke vrijednosti komponenti, navedene u poglavlju 7.6, a navedeni su u tablici 6.1.Tablica 6.1 Parametri simulacijskog modelaBlokParametarMjerna jedinicaVrijednost

PV ArrayParallel strings1

Series-connected modules per string1

Cells per module20

Open circuit voltage V21,8

Short-circuit current IscA8,17

Voltage at maximum power point VmpV17,7

Current at maximum power point ImpA7,63

Temperature coefficient. of Voc%/C-0,29

Temperature coefficient of Isc%/C0,05

C_in, C1-4Resistance0,0052

CapacitanceF470e-6

LResistance0,0015

InductanceH47e-6

MOSFET, DiodeResistance Ron0,002

BatteryBattery typeLead-acid

Nominal VoltageV24

Rated CapacityAh76

Initial State-Of-Charge%60

PWM GeneratorSwitching frequencyHz50000

Sample times1e-6

mppt enableStep time0,01

Initial value0

Final value1

Mosfet1FET resistance Ron0,0017

R_compResistance3

L_compInductanceH30e-3

Rezultati simulacijeRezultati obuhvaeni u simulacijama obuhvaaju pet sluaja. Prva simulacija je provedena s otporom kao troilom, dok su ostale simulacije raene sa baterijom kao troilom, ali uz modificirane MPPT algoritme. Vano je napomenuti kako ovisno o izlaznom otporu, pretvara moe ui u isprekidani nain rada. Prema jednadbi (3.50) slijedi da, uz prethodno zadani iznos induktiviteta zavojnice i frekvencije sklapanja, za neisprekidani nain rada mora vrijediti:(6.1)

Jednadba (6.1) je prikazana na slici 6.4. Sa slike je vidljivo da pretvara radi u neisprekidanom nainu rada za vrijednosti otpora manje od 12 , dok za vee vrijednosti otpora, ovisno o faktoru voenja, ulazi u isprekidani nain rada. Ve pri vrijednostima otpor od 25 pretvara je u isprekidanom nainu rada ako je faktor voenja unutar intervala 0,2 do 0,88.

Slika 6.4 Ovisnost otpora o faktoru voenjaIz odnosa ulazne i izlazne snage mogue je dobiti vrijednost faktora voenja za odreeni izlazni otpor, na kojoj fotonaponski panel moe dati maksimalnu snagu. Odnosno, ako se u jednadbi (3.46) uvrsti otpor panela koji je jedak: , slijedi:(6.2)

Iz jednadbe je vidljivo da izlazni otpor mora biti vei od otpora panela.Prva simulacija je provedena sa teretnim troilom od 1000 . Iz valnih oblika napona i struje zavojnice se vidi da pretvara radi u isprekidanom nainu rada, slika 6.5.

Slika 6.5 Valni oblik napona i struje zavojnice za otpor 1000 Da je pretvara u isprekidanom nainu rada vidi se i na slici 6.6 i slici 6.7. Razlog tomu je jer je jednak 0,96, a u kodu je faktor voenja ogranien na 0,9. Javljaju se veliki propadi struje i napona panela. Takoer, zbog velikog izlaznog otpora i ogranienog iznosa struje panela, izlazni napon je velikog iznosa, oko 200 V, to se vidi na naponu zavojnice. Budui da je izlazni kapacitet takoer velikog iznosa, potrebno je vie vremena da bi se izlazni napon ustabilio, a samim time i izlazna snaga dostigla vrijednost ulazne snage.

Slika 6.6 Valni oblik struje, snage, napona i faktora voenja fotonaponskog panela pri troilu od 1000

Slika 6.7 Valni oblik snage fotonaponskog panela i snage na otporu 1000 Zbog zadovoljavanja kriterija neisprekidanog naina rada odabran je izlazni otpor od 10 . Slika 6.8 prikazuje valni oblik napona i struje na zavojnici. Sa slike je vidljivo da se pretvara nalazi u neisprekidanom nainu rada.

Slika 6.8 Valni oblik napona i struje zavojnice za otpor 10 Slika 6.9 prikazuje valne oblike struje, snage, napona i faktora voenja fotonaponskog panela za troilo od 10 . Prema jednadbi (6.2) uz struju od 4 A, otpor panela iznosi 18/4=4,5 . Slijedi da faktor voenja uz koju panel daje maksimalnu snagu iznosi 0,32. Faktor voenja se nakon poetne prijelazne pojave kree oko te vrijednosti. Porastom ozraenja na 1000W/m2, raste i struja panela, promjenom struje mijenja se i otpor panela, uz takvu promjenu iznosi 0,52 to se i postie. Napon tokom cijele simulacije oscilira oko vrijednosti nazivnog napona panela, dok valni oblik snage prati valni oblik struje. Na slici 6.10 su prikazani valni oblici ulazne i izlazne snage. Izlazna snaga manje oscilira zbog veeg iznosa izlaznog kapaciteta. Sa slike je vidljivo da su gubici pretvaraa vrlo malog iznosa, odnosno da je djelotvornost pretvaraa oko 95%.

Slika 6.9 Valni oblik struje, snage, napona i faktora voenja fotonaponskog panela pri teretu od 10

Slika 6.10 Valni oblik snage fotonaponskog panela i snage na otporu 10 Drugi dio simulacija je napravljen sa baterijom kao troilom. Implementiran je P&O MPPT algoritam opisan u poglavlju 3.5. Napravljene su dvije simulacije, sa konstantnom promjenom faktora voenja , koja iznosi 1% i sa promjenjivom promjenom faktora voenja koji ovisi o promjeni snage panela. Slika 6.11 prikazuje valni oblik struje i napona zavojnice za nepromjenjivu . Pretvara radi u neisprekidanom nainu rada, ozraenost panela je maksimalna i faktor voenja iznosi oko 0,25. Zbog relativno velike , javljaju se oscilacije u naponu i struji panela prikazane na slici 6.12. Napon je relativno konstantan, snaga prati valni oblik struje, a budui da se za promjenu ozraenosti napon mijenja, ali dovoljno malo tako da se za promjenu faktora voenja od 1% postigne maksimalna radna toka, faktor voenja tokom cijele simulacije oscilira oko jedne vrijednosti.

Slika 6.11 Valni oblik napona i struje zavojnice za bateriju (1)

Slika 6.12 Valni oblik struje, snage, napona i faktora voenja fotonaponskog panela pri spojenoj bateriji (1)Slika 6.13 prikazuje valne oblike snage panela i baterije. U trenutku t=2,7s se ukljuuje kompresor i tada baterija predaje snagu kompresoru, zbog toga je u grafu snaga baterije negativna.

Slika 6.13 Valni oblik snage fotonaponskog panela i snage baterije (1)U drugom sluaju je promjena faktora voenja jednaka razlici dvije susjedne toke snage. Odnosno:(6.3)

Delta se mijenja ovisno o tome koliko se promijenila snaga na ulazu, ako doe do promjene ozraenosti panela, raste struja panela samim time raste i snaga na panelu i razlika snaga raste. Time se ubrzava dolazak u toku maksimalne snage i jednom kada je radna toka stigne u MMP, zbog male promjene snage, mala je i promjena , ostaje u njenoj okolini.Prema valnim oblicima napona i struje zavojnice je vidljivo da se pretvara nalazi u neisprekidanom nainu rada, slika 6.14.

Slika 6.14 Valni oblik napona i struje zavojnice za bateriju (2)Usporeivanjem slike 6.15 sa slikom 6.12 je vidljivo da su uz manju promjenu , manje i oscilacije napona, struje, samim time i snage.

Slika 6.15 Valni oblik struje, snage, napona i faktora voenja fotonaponskog panela pri spojenoj bateriji (2)

Slika 6.16 Valni oblik snage fotonaponskog panela i snage baterije (2)Proraun gubitaka pretvaraaProraun gubitaka je napravljen pomou programskog alata LTSpice sa simulacijskim modelom prikazanim na slici 6.17. Gubici pretvaraa gotovo u potpunosti doprinose gubici sklapanja i voenja MOSFET-a i gubici zavojnice. Parametri zavojnice (induktivitet, unutarnji otpor i struja zasienja) su preuzeti iz podatkovne tablice (eng. datasheet), a jednaki su podacima iz tablice 6.1. Veina tvrtki nudi simulacijske modele svojih komponenata, pa su modeli MOSFET-a preuzeti sa [21] i ukljueni u model pomou ''.inc'' SPICE naredbe. Oba MOSFET-a su upravljana s generatorom impulsa prikazanim na slici 6.18. Zbog eljenog izlaznog napona od , faktor voenja mora biti , uz period i obzirom da MOSFET U1 vodi vremena, a MOSFET U2 vremena, dobiju se vremena voenja pojedinog MOSFET-a. Otpor od zajedno sa konstantnim izlaznim naponom , daju ulaznu struju od , to je vrijednost koju daje fotonaponski panel pri maksimalnom ozraenju.

Slika 6.17 Simulacijski model pretvaraa u LTSpice-u

Slika 6.18 Parametri generatora impulsa za oba MOSFET-aGubici zavojnice se mogu izraunati i umnokom kvadrata efektivne struje zavojnice i unutarnjeg otpora zavojnice, odnosno:

(6.4)

Mogu se prikazati kao napon zavojnice pomnoen sa strujom zavojnice, za to program daje srednju vrijednost prikazanu na slici 6.19.

Slika 6.19 Gubici zavojnice dobiveni pomou programa LTSpiceGubici MOSFETA U1 se dobiju kao umnoak napona i struje MOSFET-a, iznose oko , a prikazani su na slici 6.20.

Slika 6.20 Gubici MOSFET-a U1 dobiveni pomou programa LTSpiceGubici MOSFETA U2 se dobiju kao umnoak napona i struje MOSFET-a, iznose oko , a prikazani su na slici 6.21.

Slika 6.21 Gubici MOSFET-a U2 dobiveni pomou programa LTSpiceZbrajanjem triju navedenih snaga, dobiju se ukupni gubici pretvaraa i oni iznose:

Eksperimentalni model sustavaShema eksperimentalnog modela sustava je dana na slici 7.1. Dok je na slici 7.2 prikazan stvaran eksperimentalni model. Sustav se sastoji od fotonaponskog panela (1), tiskane ploice (2) koja sadri uzlazni pretvara i mikroprocesor za kontrolu sustava, akumulatorske baterije (3), kompresor (4), spremnik zraka (5) na kojem se nalazi senzor tlaka kojim se kontrolira tlak u spremniku (6), regulator protoka zraka (7), T-Spoj (8) na kojem se dijeli isporuka zraka na runu (12) i automatsku (11). Automatska isporuka zraka jo sadri i elektroventil (9) kojim se proputa zrak i senzor tlaka (10) kojim se mjeri tlak u gumi.

Slika 7.1 Shema eksperimentalnog sustava

Slika 7.2 Eksperimentalni model sustava

Fotonaponski panelFotonaponski modul koriten za eksperimentalni dio diplomskog rada je panel serije SV36-135 tvrtke Solvis, prikazan je na slici 7.3. Modul je od polikristalnog silicija, a detaljne specifikacije modela kao i mehaniki podaci dani su u tablici 7.1. Bitno je napomenuti da su podaci u tablici 7.1 dobiveni mjerenjem pod nominalnim ispitnim uvjetima (STC). Ti uvjeti podrazumijevaju ozraenost povrine modula od 1000 W/, temperaturu od 25C te optiku masu zraka od 1,5.

Slika 7.3 Fotonaponski modulTablica 7.1 Specifikacije Solvisovog modela SV60-225ModelSV36-135

Vrna snaga[W]135

Dozvoljeno odstupanje snage[W]-0/+4,9

Struja kratkog spoja [A]8,16

Napon praznog hoda [V]21,8

Nazivna struja [A]7,63

Nazivni napon[U]17,7

Dozvoljeno odstupanje napona i struje[%]10

Temperaturni koeficijenti

Nominalna radna temperatura elije (NOCT)[C]48,22

Temperaturni koeficijent snage PMPP[%/K]-0,41

Temperaturni koeficijent struje ISC[%/K]0,05

Temperaturni koeficijent napona UDC[%/K]-0,29

Mehaniki podaci

Dimenzije (V x x D)[mm]1030 x 998 x 35

Masa[kg]14

Broj i vrsta elija36, p-Si, 156 x 156 mm

Enkapsulacija elijaEtilen-vinil acetat (EVA)

Staklo4 mm kaljeno sunano staklo

PozadinaVieslojna poliesterska folija

OkvirOkvir od anodiziranog aluminija sa dvostrukom stjenkom i otvorima za drenau

Prikljuna kutijaTyco SOLARLOK sa 3 zatitne diode, IP65

Prikljuni kabloviKabel 4 mm2, duine 1000 mm, SOLARLOK prikljunice

Radni uvjeti

Temperaturno podruje[C]-40 do +85

Maksimalni napon sustava[V]1000

Maksimalno optereenje[Pa]Ispitano do 5400 Pa (optereenje snijegom)

Otpornost na udarTua promjera 25 mm pri brzini 23 m/ s

KompresorKompresor koriten u eksperimentalnom dijelu rada je model 330-IC tvrtke VIAIR. Karakteristike kompresora su dane u tablici 7.2.Tablica 7.2 Natpisna ploica 330-IC kompresoraNazivna snaga180 W

Nazivni napon24 V

Nazivna struja7 A

Maksimalna struja9 A

Maksimalan tlak10,5 bar

Maksimalni protok pri (6.9bar)100%

Protok pri 0 bar32,8 L/min

ZatitaIP67

Tablica 7.3 prikazuje vrijeme koje je potrebno da kompresor stlai zrak u spremniku od 10L.Tablica 7.3 Vrijeme punjenja spremnika od 10LTlakVrijeme

0,0 7,4 bar190 s (10 s)

5,9 7,4 bar45 s (5 s)

0,0 10,0 bar300 s (10 s)

7,6 10,0 bar 90 s (5 s)

Spremnik zrakaSpremnik zraka je volumena 2,5 galona, odnosno 9,5 litara. Proizvoa je tvrtka VIAIR. Podaci su dani u tablici 7.4.Tablica 7.4 Tehniki podaci spremnika zrakaMaksimalni dozvoljeni tlak13,78 bar (200 PSI)

Ulazi1/4''

Radna temperatura-40C - +80C

Dimenzije59,7 x 15,2 x 19,1

Masa6.37 kg

Senzori tlaka i elektroventilSenzori tlaka i elektroventil (proizvoa tvrtka Danfoss) su donirani fakultetu od tvrtke IN AUTOMATIKA d.o.o. Senzori tlaka su serije ''MBS 3000'', opsega do 10 odnosno 16 bara, a elektroventil je iz serije ''EV220B''. Tehniki podaci senzora su dani u tablici 7.5 (u uglatoj zagradi navedene vrijednosti za 16 bar-ni senzor)Tablica 7.5 Tehniki podaci senzora tlaka MBS 3000 10bar [16 bar]Raspon tlaka0,00 10,00 [16,00] bar

Izlazni signal4 20 mA

Procesni prikljuakG Muki

Napon napajanja10,00 30,00 V

Teina0,200 [0,206] kg

Maksimalna tonost, +/- FS [%]1,00 %

Raspon temperature okoline-40 85C

Maksimalni tlak60,0 [96,0] bar

Vrijeme odziva4 ms

ZatitaIP65

Tehniki podaci elektroventila su dani u tablici 7.6.Tablica 7.6 Tehniki podaci elektroventila EV220BNapajanje24,00 V

Snaga18,00 W

Teina0,972 kg

Dimenzije armature13,5 mm

Maksimalna temperatura okoline80 C

Materijal kuitaMjed

Procesni prikljuakG

Diferencijalni tlak0,3 16 bar

Maksimalni radni tlak16 bar

ZatitaIP65

Akumulatorska baterijaU eksperimentalnom modelu sustava su koritene dvije akumulatorske baterije serije ''NP'' tvrtke Yuasa, naziva NP38-12. Tehniki podaci su dani u tablici 7.7.Tablica 7.7 Tehniki podaci NP38-12 akumulatorske baterijeNazivni napon12 V

Specifina gustoa energije32 Wh/kg

Gustoa energije83 Wh/L

Unutarnji otpor7,5 m

Maksimalna struja pranjenja300 A

Struja kratkog spoja500A

dimenzije D x 197mm x 165mm

Masa14,2 kg

Uzlazni pretvaraZbog dimenzioniranja ica i komponenti, odabran je uzlazni pretvara koji napon fotonaponskog panela podie sa 18 V na 24 V,tj. na napon prikljuenih baterija. Parametri pretvaraa su izraunati pomou formula navedenih u prethodnom poglavlju. Prije izraunavanja vrijednosti komponenata pretvaraa, potrebno je poznavati tri parametra: ulazni napon , izlazni napon i maksimalnu izlaznu struju . Ulazni napon je nazivni napon fotonaponskog panela i iznosi 17,7 V 18 V, izlazni napon je jednak naponu napunjene baterije, 28 V, dok je oekivani iznos maksimalne izlazne struje 10 A.Prvo se odreuje potreban faktor voenja, koji je prema jednadbi (3.43), iznosi 0,35. Slijedee to se rauna je frekvencija sklopa. Frekvencija sklapanja je obrnuto proporcionalna iznosima kapaciteta i induktiviteta. Vea frekvencija znai manje vrijednosti kapaciteta i induktiviteta, ali i vee gubitke sklapanja. Stoga je potrebno odabrati optimalnu vrijednost frekvencije. Za ovaj rad odabrana frekvencija iznosi 50 kHz. Nakon odabrane frekvencije, potrebno je odabrati iznos induktiviteta zavojnice. Za izraunati induktivitet zavojnice potrebno je prvo izraunati valovitost struje. Prema [22] valovitost struje je izmeu 30 i 40% vrijednosti maksimalne izlazne, u ovom sluaju 3 A. Prema jednadbi (3.37) slijedi da je induktivitet jednak:

Za odabir komponente se uzima prva via kataloka vrijednost, i nazivna struja vea od . Nakon izraunatih komponenata zavojnice, raunaju se parametri sklopki, u ovom sluaju MOSFET-a. Struja voenja MOSFET-a mora biti 20% vea od maksimalne izlazne struje, i potrebno je odabrati to manji otpor voenja . Takoer, napon MOSFET-a mora biti najmanje 20% vei od procijenjenog napona pretvaraa.Ulazni kapacitet mora biti dovoljno velik kako bi stabilizirao napon pri maksimalnom optereenju. Ovisno o valovitosti izlaznog napona odabire se izlazni kapacitet. Uobiajena valovitost izlaznog napona je 1% [22], uz jednadbu (3.52), gdje je slijedi:

Uz iznos kapaciteta, potrebno je i da kondenzator ima malu vrijednost serijskog otpora (ESR).Osim osnovnih komponenti, za pravilan rad pretvaraa potrebno je s njime upravljati. Za upravljanje pretvaraa se koristi mikroprocesor ATMEGA2560 baziran na otvorenoj raunarskoj i hardverskoj platformi Arduino.Izbor komponenata i projektiranje tiskane ploice pretvaraa u programu Eagle Pretvara je projektiran pomou programa za izradu tiskanih ploica Eagle i prikazan je na slici 7.4. Konektori za analogne ulaze i izlaze, LCD te konektori fotonaponskog panela, kompresora i baterije su tipa Phoenix-508 tlocrta (eng. package) MSTBx koje se uobiajeno koriste prilikom izrade tiskanih ploica. Kao zatita na ulazu pretvaraa se koristi osigura F2 nazivne trajne struje 10A i TVS (eng. Transient Voltage Suppression) dioda D5, serije 1.5KE koja slui za zatitu od prijelaznih naponskih pojava. Za mjerenje ulaznog i izlaznog napona pretvaraa koristi se otporno dijelilo (R5-R6 i R14-R17) sa otporima od 100 k i 22 k. Za stabilniji napon dodaju se kondenzatori od 100 nF. Struja na ulazu pretvaraa se mjeri pomou linearnog strujnog senzora U1 serije ACS713, koji moe mjeriti struju u jednom smjeru do 20A, a u drugom do 1A. Struja na bateriji se mjeri pomou linearnog strujnog senzora U3 serije ACS712, koji moe mjeriti struju u oba smjera do 20 A.Ulazni kondenzator C12, kao i izlazni kondenzatori C11, C13, C16 i C17 su elektrolitski kondenzatori kapaciteta 470 F. Zavojnica L2 je 47 H. Sklapanje pretvaraa je napravljeno pomou dva sinkrona MOSFET-a tvrtke INFINEON oznake IPD100N04S4-02 sa vrlo malim otporom voenja i strujom voenja do 100 A. MOSFET-i se upravljaju pomou IR2184 driver-a. Driver-u zahtjeva napajanje od 12 V te je zbog toga na ploicu ugraen i regulator napona IC2 78L12, koji regulira napon sa 24 V na 12 V. IR2184 driver na ulazu prima signale DO5 i DO6 koji alju vrijednost PWM-a za pojedini MOSFET. Iskljuivanjem kompresora, zbog njegovih induktivnih je izmeu stezaljki kompresora spojena Schottky-jeva dioda D1 preko koje se kompresor ''prazni''. Kompresor se pokree pomou MOSFET-a D4, koji se upravlja sa signalom DO7. Analogni ulazi imaju napajanje od 5 ili 24 V te ovisno je li analogni ulaz strujni ili naponski, otporno dijelilo, kondenzator za stabilizaciju napona te zatitu u vidu zenerove diode. Analogni izlazi se upravljaju pomou IC9 L293 mosnog driver-a koji ima etiri ulaza i izlaza, a napaja se pomou 24 i 5 V. Uobiajeno je kod ovakvog tipa napajanja postaviti i kondenzatore prema zemlji radi stabilizacije napona.Budui da mikroprocesor, kao i analogni i digitalni ulazi, LCD, te IC9 driver zahtijevaju napajanje od 5 V, na ploicu je ugraen i regulator napona U4 PTN78000WAH koji regulira napon sa 24 V na 5 V.Slika 7.5 prikazuje shemu mikroprocesora ATMEGA2560. Budui da sam mikroprocesor ne moe komunicirati pomou USB-a, potreban je dodatan mikroprocesor FT232RL. Za poetno programiranje mikroprocesora koristi se ICSP konektor (SV2). Zbog daljnjeg rada na ploici dodan je i konektor za povezivanje GSM modula SIM800LEVB koji u ovom radu nije koriten. Uz mikroprocesor je spojen i kristalni oscilator Y1 koji slui za zadavanje takta.Gotovo sve komponente ploice su naruene sa stranice uk.farnell.com i njihov popis je dan u tablici 7.8.Tablica 7.8 Popis komponenti naruenih sa Farnell-aKomponentaNazivVrijednostKod narudbeKod proizvoaa

LED1, LED2, LED3LED dioda-1318245KP-2012SURCK

SV2pin konektor-229382910-89-7102

X2USB-109789761729-0010BLF

R3otpornik0 2309112MC0805S8F0000T5E

C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C18, C22, C23, C25, C26, C27, C28, C30, C31, C32, C33kondenzator100 nF1414715C1206C104K5RACTU

R4, R7otpornik1 2141629MC01W080511R0