SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

DIPLOMSKI RAD br. 1337

SUSTAV POHRANE KOMPRIMIRANOG ZRAKA I ZADAVANJA TLAKA U SERVISNOJ STANICI

ZA BICIKLEIgor Potrebić

Zagreb, lipanj 2016.

Zahvala

Veliku zahvalnost dugujem svom mentoru prof. dr. sc. Viktoru Šundeu za mentorstvo

tijekom preddiplomskog i diplomskog studija u kojem ste me usmjeravali i vodili kroz

moje obrazovanje.

Također, zahvaljujem se i asistentu Marinku Kovačiću koji je svojim znanstvenim i

stručnim savjetima uvelike pomogao pri izradi praktičnog dijela ovog diplomskog rada.

Hvala svim kolegama koji su bili uz mene, a najveća hvala mojoj obitelji, prijateljima i

svim onima koji su mi tokom studija na bilo koji način pomogli i bili velika podrška.

Sadržaj

Uvod..........................................................................................................................................1

1 Postojeća rješenja servisne stanice...................................................................................3

2 Moguća rješenja strukture stanice....................................................................................9

2.1 Sustav s istosmjernim motorom kompresora...........................................................11

2.2 Sustav s izmjeničnim motorom.................................................................................12

3 Osnovni strukturni elementi stanice...............................................................................14

3.1 Fotonaponski modul.................................................................................................14

3.1.1. Fotonaponska ćelija...............................................................................................15

3.1.2. Utjecaj temperature i ozračenosti na djelotvornost fotonaponske ćelije.............18

3.1.3. Materijali za izradu fotonaponskih ćelija...............................................................20

3.1.4. Povezivanje fotonaponskih ćelija i modula...........................................................23

3.2 Kompresori....................................................................................................................25

3.2.1 Klipni kompresori..............................................................................................29

3.2.2 Konstrukcijska rješenja klipnih kompresora......................................................30

3.3 Akumulatorska baterija............................................................................................35

3.3.1 Pohrana energije u bateriji................................................................................36

3.3.2 Olovne akumulatorske baterije.........................................................................38

3.3.3 Litij ionske akumulatorske baterije....................................................................42

3.4 Istosmjerni uzlazni pretvarač....................................................................................43

3.5 Praćenje točke maksimalne snage (MPPT)...............................................................47

3.6 Tlačni spremnik komprimiranog zraka......................................................................48

3.7 Elektromagnetski ventil............................................................................................51

3.8 Senzor tlaka..............................................................................................................53

3.8.1 Bourdonova cijev...............................................................................................55

3.9 Sigurnosni ventil.......................................................................................................57

4 Vrste i karakteristike zračnica za bicikle..........................................................................60

4.1 Vrste guma i tlak.......................................................................................................60

4.2 Ventili....................................................................................................................... 61

4.3 Tlak u zračnici gume.................................................................................................62

4.4 Ručni način pumpanja zračnice za gume..................................................................63

5 Energetska bilanca..........................................................................................................66

6 Eksperimentalni model sustava......................................................................................68

6.1 Fotonaponski panel..................................................................................................69

6.2 Kompresor................................................................................................................70

6.3 Spremnik zraka.........................................................................................................72

6.4 Senzori tlaka i elektroventil......................................................................................72

6.5 Akumulatorska baterija............................................................................................74

6.6 Upravljačka pločica...................................................................................................75

6.6.1 Izrađena tiskana pločica....................................................................................76

6.7 Automatski način pumpanja zračnice za gume.........................................................80

6.8 Rezultati mjerenja.................................................................................................... 84

Zaključak................................................................................................................................. 90

Literatura................................................................................................................................ 91

Sažetak....................................................................................................................................93

Summary.................................................................................................................................94

Uvod

Strategija razvoja turizma Republike Hrvatske do 2020. godine prepoznaje cikloturizam

kao jedan od turističkih proizvoda s najvećom perspektivom razvoja. U cilju provođenja

strategije, do kraja 2016. godine se izrađuje Akcijski plan razvoja cikloturizma. Akcijski

plan će definirati glavne smjernice, ključne projekte i aktivnosti kao i vremenski plan

razvoja. [1] Cikloturističke rute trebaju pratiti atraktivne turističke sadržaje, biti izdvojene

od motoriziranog prometa i biti dobro povezane sa susjednim državama.

Zagreb je savršen grad za korištenje bicikla kao prijevoznog sredstva. Ako se želi doći do

centra grada, najbolji je način upravo bicikl. Koristeći ovaj moderan način gradskog

prijevoza, bit ćete najbrži unutar pet km od središta grada. Ujedno, doprinijet ćete

ekološkom očuvanju grada, pritom štedeći svoj novac. U cilju poboljšanja uvjeta za vožnju

biciklom, u Zagrebu je izgrađeno 220 km biciklističkih staza i traka, a ispunjenjem plana

izgradnje prema GUP-u, gradske će ulice nuditi ukupno 360 km biciklističkih prometnica.

[2]

Sunčeva energija ima veliki potencijal koji je u jako malom mjeri iskorišten. Razlog tome je

u trenutačno dostupnoj tehnologiji izrade materijala za pretvorbu sunčeve u električnu

energiju i njeno skladištenje. Zadnjih desetak godina primjetan je veliki napredak kada je

iskorištavanje sunčeve energije u pitanju i za očekivati je da će se to i nastaviti u

budućnosti zbog razvoja tehnologije, ali i pada cijene komponenata fotonaponskog

sustava.

Zbog svih tih razloga javlja se potreba za servisnom stanicom za bicikle. Stanica bi uz alat

za servis bicikla sadržavala i mogućnost pumpanja zračnica sa kompresorom koji je

napajan energijom samo iz fotonaponskog modula i koji bi bio neovisan o

elektroenergetskoj mreži čime se bi omogućilo lako postavljanje stanice za servis bicikla

na željeno mjesto.

U ovom radu bude se razmatralo da li koristiti istosmjerni ili izmjenični kompresor, ako se

koristi istosmjerni, da li bazirati stanicu na 12 V ili 24 V sustavu (prednosti i mane

kompresora određene naponske razine), javlja li se potreba za spremnikom stlačenog

1

zraka i koje su prednosti njegove upotrebe, koje senzore tlaka i elektromagnetski ventil

odabrati, treba li omogućiti automatizirano ili ručno pumpanje zračnica. Ako se koristi

automatizirano pumpanje, potrebno je odabrati i odgovarajući algoritam koji će pumpati

zračnicu gume. U tom slučaju potrebno je spojiti LCD prikaznik i tipke kojima se može

podešavati željeni tlak unutar zračnice. Osim toga, razmatrati će se i na koji način puniti

baterije, da li koristiti obični solarni pretvarač ili koristiti pretvarač s MPPT algoritmom.

2

1 Postojeća rješenja servisne stanice

Američka tvrtka „Bikefixtation“ nudi široku paletu stanica i uređaja za održavanje bicikla,

od kojih vrijedi izdvojiti tri prikazana na Slika 1.1. [3] Stanica (a) sadrži alat za popravak

bicikla, stalak za bicikl te običnu pumpu sa manometrom. Istovremeno je moguće

servisirati 2 bicikla. Cijena stanice je oko 1800 dolara. Drugi proizvod koji tvrtka nudi je

stanica za pumpanje zračnica gume pomoću kompresora napajanog iz mreže (b). Sadrži

nastavak za ventile, manometar, rezervne nastavke, upute za pumpanje. Stanica (c) je

stanica za pranje bicikla. Ima jak mlaz i koristi malo vode, alat zaštićen sajlom protiv

krađe, moguće pranje uz naplatu, sadrži i četkice za pranje bicikla. Nedostatak je što nema

alat za popravak bicikla te pumpu.

3

Slika 1.1 Stanice za održavanje bicikla tvrtke „Bikefixtation“, (a) DELUXE PUBLIC WORK STATION,

(b) AIR CONTROL PANEL, (c) WASH AND FILL STATION

Stanica za pumpanje zračnica gume u Zürichu

U Zürichu su instalirane stanice za pumpanje zračnica guma kao na Slika 1.2. Prema slici se

zaključuje da je kompresor napajan iz mreže te da ima ručno pumpanje zračnice gume.

Stanica nema alat za servis niti stalak za bicikl.

4

Slika 1.2 Stanica za pumpanje zračnica guma u Zürichu

Servisna stanica u Novom Sadu

U susjednim državama također postoje neke instalirane servisne stanice. U Novom Sadu

je postavljena stanica koju su radili mladi volonteri, Slika 1.3 a, jedina takva u Srbiji.

Slika 1.3 a) Servisna stanica u Novom Sadu, b) Servisna stanica u Križovecu

Servisna stanica u Križovecu

Također i u Hrvatskoj već postoje neke stanice za popravak bicikla, točnije u mjestu

Križovec. Stanica koja je prikazana Slika 1.3b, je vrlo slična ovim prethodno prikazanim.

Sastoji se od stalka, alata za popravak bicikala i ručne pumpe za bicikle. Nalazi se u

neposrednoj blizini biciklističke staze Mura-Drava Bike.

Sustavi tvrtki Burns Controls i DGSI

5

Najbliže ideji projekta ovog diplomskog rada je stanica za komprimirani zrak tvrtki „DGSI“

[4] i „Burns Controls“ [5]. Slika 1.4 prikazuje stanicu tvrtke „DGSI“. Tvrtka se bavi

geotehničkom instrumentacijom pa je i ovaj proizvod tog tipa. Koristi se za prozračivanje,

dobavu plinskih kondenzata, crpljenju podzemnih voda itd. Sustav se sastoji od

fotonaponskog panela, kompresora, baterije i spremnika zraka.

Slika 1.4 „SOLAR REM“ tvrtke „DGSI“

Slika 1.5 i Slika 1.6 prikazuju sustav tvrtke „Burns Controls“. Sastoji se od kompresora,

fotonaponskog panela, baterije, i može se prilagođavati potrebama (snaga motora,

panela, baterije itd). Snaga panela može biti i do 300 W, veličina spremnika i do 150

litara. Maksimalan tlak kompresora je 6,5 bara. Za punjenje baterije se koristi PWM

regulator. Sadrži još i LED ekran sa prikazom stanja baterije, povijesti alarma i grešaka.

6

Slika 1.5 Oprema stanice tvrtke „Burns Controls“

Slika 1.6 Izgled stanice tvrtke „Burns Controls“

7

Što se tiče dodatne infrastrukture, razvijena je aplikacija na području SAD-a, koja prikazuje

mjesta u državi gdje se nalaze stanice za popravak bicikala i pumpanje zračnica guma.

Slika 1.7 prikazuje stanice u gradi Chicagu.

Slika 1.7 Stanice za popravak bicikla i pumpanje zračnica guma u gradu Chicagu

Kao preliminarni zaključak, trenutna rješenja servisnih stanica za bicikle su vrlo slična.

Stanice sadrže osnovni alat za popravak i eventualno ručnu pumpu za bicikl, ili u nekim

slučajevima samo pumpu. Cilj ovog projekta je projektiranje servisne stanice za bicikl

napajane iz fotonaponskog panela, koja bi bila u potpunosti neovisna o mreži, i koju bi

bilo moguće instalirati na izolirana područja, tj. područja gdje je otežana dobava

električne energije. Stanica osim fotonaponskog panela sadrži još kompresor,

akumulatorsku bateriju, stalak za bicikl, automatizirano pumpanje zračnica guma, alat za

popravak i eventualno postolje za centriranje gume. Pokraj osnovnih komponenata

sustava, stanica može sadržavati i dodatne komponente kao što su kamera za

nadgledanje stanice, kamera koja bi bilježila korisnike i spremala ih u bazu podataka, čitač

kartica kojim bi se omogućilo korištenje alata ili pak cijele stanice, dijagnostika stanja

baterije (slanje podataka na server sa kojeg je onda moguće čitati podatke na bilo kojem

uređaju (mobitel, računalo, tablet).

Stanica može biti u nekoliko verzija. Osnovna verzija uključuje fotonaponski panel,

istosmjerni učinski pretvarač (solarni kontroler), bateriju i kompresor. Moguća verzija je

8

sa spremnikom zraka, te sustavom za automatizirano pumpanje zračnica guma. Zbog tri

različite vrste ventila, na kraju crijeva za pumpanje zračnice gume bi se nalazio adapter ili

dva crijeva za pumpanje zračnica guma ovisno o ventilu koji se koristi. Prije projekta svih

željenih uređaja na stanici, potrebno je na osnovu postojećeg fotonaponskog panela

proračunati energetsku bilancu (veličinu baterije i potreban kompresor, spremnik zraka)

kako bi se dobila najveća moguća autonomnost sustava.

9

2 Moguća rješenja strukture stanice

Ovisno o mjestu postavljanja stanice, postoji nekoliko mogućih rješenja sustava.

Međutim, svako rješenje mora sadržavati bateriju kako bi se omogućilo korištenje stanice

tijekom noći/oblačnog vremena. Na najprometnijim trasama, tj. biciklističkim stazama

gdje bi upotreba pumpe bila najveća, potreban je najautonomniji sustav kako bi mogao

poslužiti što veći broj korisnika u vremenu odsustva sunčeve energije. Na takvim

lokacijama bilo bi korisno i opravdano da stanica sadrži spremnik sa zrakom. Na manje

prometnim trasama moguće su stanice samo s kompresorom, jer se rjeđe koristi usluga

pumpanja zračnica. Ovo rješenje je ekonomski isplativije jer osim spremnika zraka nema i

dodatnih uređaja koji idu uz njega (tlačna sklopka, filtar zraka, još jedan manometar itd.).

Na odabir potrebne strukture, dakle, svakako utječu i ekonomski parametri, tj. cijena

komponenata sustava.

Slika 2.8 prikazuje moguća rješenja sustava koja će se u nastavku detaljnije analizirati.

Slika 2.8 Moguća rješenja sustava

Kompresor se koristi u svakom od prijedloga. Mogući su kompresori s izmjeničnim i

istosmjernim napajanjem. Kod kompresora s istosmjernim napajanjem kompresor se

10

direktno spaja na bateriju stanice. U slučaju kompresora s izmjeničnim napajanjem

dodatno je potreban izmjenjivač. Izmjenjivač u svakom slučaju poskupljuje sustav, i veći

su gubitci jer postoji još jedan dodatni element u sustavu.

Baterija se također koristi u svakom od prijedloga. Sustav bez baterije nije autonoman,

izrazito ovisi o dostupnosti sunčeve energije, dakle pumpa može raditi samo kada ima

izvora sunčeve svjetlosti, što je veliki nedostatak. Sustav s baterijom je autonoman. U

vremenu kada ima sunčeve energije, a kompresor ne radi, sunčeva energija se sprema u

bateriju iz kojih se kasnije, u odsustvu izvora, napaja kompresor.

U sustavu bez spremnika zraka, kompresor se uključuje na svako pumpanje zračnice

gume, time se smanjuje kapacitet sustava. Češćim uključivanjem kompresora može doći i

do češćih oštećenja na istom.

Tlačni spremnik je uobičajen u sustavima gdje potrošnja komprimiranog zraka nije

jednolična i gdje kompresor ne radi cijelo vrijeme sa maksimalnim kapacitetom. Glavna

funkcija tlačnog spremnika zraka je da djeluje kao međuspremnik između kompresora i

zračnice gume pohranjujući 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 učestalijeg korištenja kompresora.

Automatskim pumpanjem zračnica bi korisnik na prikladnom panelu odabrao iznos tlaka

koji želi u zračnicama i nakon potvrde odabranog tlaka sustav sam tlači zrak u zračnicu do

zadanog iznosa. Time se omogućava korisniku preciznije i jednostavnije pumpanje.

Dakako, pitanje kod automatskog pumpanja je cijena, te kako mjeriti tlak u zračnicama sa

presta, kao i Dunlop ventilom. Također i sustav za automatsko pumpanje zahtijeva i

napajanje, čime se smanjuje autonomija cjelokupnog sustava i sustav je skloniji

kvarovima.

Ručno pumpanje je ekonomski isplativije, manja potrošnja energije, manja je vjerojatnost

kvara, ali zahtjeva od korisnika rukovanje sa opremom.

11

2.1 Sustav s istosmjernim motorom kompresora

Bez spremnika zraka

Slika 2.9 prikazuje rješenje sustava bez spremnika zraka i sa istosmjernim motorom

kompresora.

Slika 2.9 Shema sustava bez spremnika zraka

U ovoj izvedbi u sustavu su sljedeći elementi:

(1) Fotonaponski panel (4) Kompresor s istosmjernim motorom

(2) Kontroler (5) Pištolj s manometrom

(3) Baterija

Ovo je najjeftinija izvedba stanice, sastoji se od osnovnih elemenata, ima prosječnu

autonomiju, te je pogodna za neke manje zahtjevne lokacije. Ne postoji regulacija izlaznog

tlaka, nego korisnik na osnovu manometra na pištolju sam tlači zračnicu gume.

Sa spremnikom zraka

Slika 2.10 prikazuje sustav sa spremnikom zraka i dva načina pumpanja zračnica,

automatsko i ručno.

12

Slika 2.10 Shema sustava sa spremnikom zraka i automatskim pupanjem zračnica

U ovoj izvedbi u sustavu su sljedeći 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) Pištolj

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

Ovakav sustav sadrži sve elemente, najautonomniji je sustav jer ima i bateriju i spremnik.

Pomoću regulatora protoka se regulira dozvoljeni protok sustava, na T-spoju se spajaju

priključci za ručno i automatizirano pumpanje zračnica. Uz pomoć elektroventila se kod

automatiziranog pumpanja zračnice gume periodično propušta zrak dok senzor tlaka (11)

ne izmjeri željeni tlak u zračnici.

2.2 Sustav s izmjeničnim motorom

Bez spremnika zraka

13

Slika 2.11 Shema sustava bez spremnika zraka

U ovoj izvedbi u sustavu su sljedeći elementi:

(1) Fotonaponski panel (4) Izmjenjivač

(2) Kontroler (5) Kompresor s istosmjernim motorom

(3) Baterija (6) Pištolj s manometrom

Slično kao i kod sustava na slici 2.2 ovo je najjednostavniji oblik sustava sa izmjeničnim

napajanjem kompresora.

Sa spremnikom zraka

Slika 2.12 Shema sustava sa spremnikom zraka i automatskim pumpanjem zračnica

U ovoj izvedbi u sustavu su sljedeći elementi:

(1) Fotonaponski panel (8) Regulator protoka

(2) Kontroler (9) T-spoj

(3) Baterija (10) Elektroventil

(4) Izmjenjivač (11) Senzor izlaznog tlaka

(5) Kompresor s istosmjernim motorom (12) Pištolj

14

(6) Spremnik zraka (13) Pištolj s manometrom

(7) Senzor tlaka u spremniku

Ovakva verzija stanice je najskuplja. Potreban je i dodatni element u sustavu, izmjenjivač,

a samim time utječemo na energetsku bilancu sustava zbog gubitaka dodatnog

pretvaranja energije. Prednost je ta što je lakše dobavljiv kompresor, ali maksimalan

pritisak je do nekih 8 bara.

15

3 Osnovni strukturni elementi stanice

Osnovni elementi stanice su fotonaponski modul, upravljačka jedinica, akumulatorska

baterija te kompresor sa spremnikom zraka, ventilima i ostalim spojnim dijelovima.

3.1 Fotonaponski modul

Fotonaponska ćelija (sunčana ćelija) daje napon reda veličine 0,5 V, te djelatnu snagu

otprilike 1 do 2 W. Za veće napone i snage, primjerice 24 V i 200 W potrebno je ćelije

spojiti serijski ili paralelno, što naposlijetku rezultira fotonaponskim modulom. Moduli se

mogu dalje povezati kako bi oblikovali niz (eng. string) i/ili slog fotonaponskih modula

(eng. array). Slog fotonaponskih modula je cjelokupno proizvodno postrojenje,

sastavljeno od jednog do nekoliko tisuća modula (ovisno o potrebnoj izlaznoj snazi).

Tipični fotonaponski modul sačinjen od kristalnog silicija (mono-Si ili poli-Si) ima i

potrebne konstrukcijske dijelove, primjerice; transparentni gornji sloj, inkapsulant, donji

sloj i okvir, slika 3.1 [6].

Slika 3.13. Dijelovi fotonaponskog modula

Gornji sloj PV modula mora imati visoki stupanj transparentnosti (prozirnosti), biti

otporan na vodu, tuču te biti stabilan kada je duže vremena izložen ultraljubičastom

zračenju. Materijal koji se najčešće koristi za izradu gornjeg sloja PV modula je kaljeno

staklo. Inkapsulant služi kao zaštita sunčane ćelije od vanjskih utjecaja, ali i kao poveznica

gornjeg sloja, ćelije i donjeg sloja. Inkapsulant mora biti visoko transparentan te stabilan

16

pri visokim temperaturama i visokim razinama ultraljubičastog zračenja. Materijal koji se

najčešće koristi za izradu inkapsulanta je eithylene vinyl acetate, odnosno EVA film, koji se

prilikom zagrijavanja polimerizira te učvršćuje konstrukciju PV modula. Donji sloj PV

modula je tanki polimerni film koji ima dobru otpornost protiv vode i korozije, najčešće

tedlar. Tako izrađeni PV modul uramljuje se u aluminijski okvir čime se postiže robusnost

te mogućnost praktičkog i jednostavnog postavljanja na predviđenu površinu.

3.1.1. Fotonaponska ćelija

Fotonaponska ćelija je elektronički element koji upadnu sunčevu energiju pretvara

izravno u električnu na principu fotonaponskog efekta. Po svojoj strukturi sunčana je

ćelija zapravo PN spoj u kojem se apsorbiraju fotoni iz sunčeva zračenja, a njihova se

energija koristi za stvaranje parova nosilaca naboja elektron-šupljina. Na slici 3.2 prikazan

je električki model fotonaponske ćelije.

Slika 3.14. Električki model fotonaponske ćelije [10]

Kad fotonaponska ćelija nije osvijetljena, kroz nju protječe struja I d definirana

Shockleyjevom jednadžbom:

I d=I 0 ∙(eq ∙U

m∙k ∙T −1)(3.1)

gdje je:

I0 – reverzna struja zasićenja

U - napon na sunčanoj ćeliji

m - faktor idealnosti diode

q - naboj elektrona

k - Boltzmannova konstanta

T - temperatura

17

Kada se fotonaponska ćelija osvijetli, stvaraju se parovi nosilaca koje razdvaja električno

polje u osiromašenom području. Posljedica toga je nastajanje fotostruje I s pa se

osvijetljena fotonaponska ćelija ponaša kao strujni izvor. Ako je u izlaznom krugu spojeno

trošilo otpora R, u slučaju osvijetljene fotonaponske ćelije struja kroz trošilo je:

I=I 0 ∙ (eq ∙U

m∙k ∙ T−1)−I s

(3.2)

Zbog stvaranja fotostruje izlazna karakteristika fotonaponske ćelije se pomiče iz 1. u 4.

kvadrant gdje je fotonaponska ćelija izvor struje, slika 3.3. Karakteristika fotonaponske

ćelije proteže se i u 1. i 3. kvadrant, ali se obično crta samo dio u 4. kvadrantu jer je to

radno područje fotonaponske ćelije u kojem ona daje električnu energiju.

Slika 3.15. U-I karakteristika fotonaponske ćelije

Dogovorno se smjer fotostruje uzima kao pozitivan pa je uobičajeno karakteristiku

sunčane ćelije prikazati u 1. kvadrantu na način prikazan na slici 3.4. U tom slučaju

jednadžba (3.2) postaje:

I=I s−I 0 ∙(eq ∙U

m∙ k ∙T −1) (3.3)

Strujno-naponska karakteristika kraće se naziva U-I karakteristika i najpotpunije opisuje

fotonaponsku ćeliju. Karakteristične točke na U-I karakteristici, tj. karakteristični

parametri fotonaponske ćelije su:

struja kratkog spoja I ks – struja koja teče kad je napon na stezaljkama

fotonaponske ćelije jednak nuli.

18

napon praznog hoda U ph – napon koji postoji na stezaljkama fotonaponske ćelije u

režimu praznog hoda (tj. kad je I=0).

točka maksimalne snage Pm – točka u kojoj fotonaponska ćelija daje najveću

moguću snagu.

Osnovni parametri fotonaponske ćelije prikazani su na slici 3.4.

Slika 3.16. Osnovni parametri fotonaponske ćelije

Maksimalna snaga Pm odgovara najvećoj mogućoj površini pravokutnika koji se može

upisati u U-I karakteristiku. U točki maksimalne snage vrijednost struje je I m, a napona Um

.

Struja kratkog spoja može se izračunati uvrštavanjem uvjeta U = 0 u jednadžbu (3.3) pa se

dobije:

I ks=I s.

Na isti se način može pronaći napon praznog hoda, uvrštavanjem uvjeta I = 0 te je:

U ph=m∙ k ∙T

q∙ ln (

I s

I 0+1)

(3.4)

Dakle, napon praznog hoda ovisi o iznosu fotostruje I s i o struji zasićenja diode I 0 za koju

je poželjno da je što manjeg iznosa.

Omjer napona praznog hoda i struje kratkog spoja naziva se karakteristični otpor i

označava s Rk:

19

Rk=U ph

I ks

(3.5)

Snaga koju daje fotonaponska ćelija jednaka je:

P=U ∙ I=U ∙[I s−I 0 ∙(eq ∙U

m∙k ∙T −1)− URp ]

(3.6)

Maksimalna snaga koju daje fotonaponska ćelija može se prikazati kao:

Pm=Um∙ I m=U ph ∙ I ks ∙ FF (3.7)

gdje je FF faktor punjenja (eng. Fill Factor).

Faktor punjenja je omjer površine pravokutnika čije su stranice Um i I m (najveći

pravokutnik koji se može upisati u I-U karakteristiku) i pravokutnika sa stranicama U ph i I ks

. Vrijednost faktora punjenja govori o tome koliko se stvarna ćelija približava idealnoj,

odnosno koliki je utjecaj serijskog i paralelnog otpora ćelije. U praksi je vrijednost faktora

punjenja obično između 0,7 i 0,9 i opada linearno s omjerom R s /Rk i Rk / Rp [10].

Djelotvornost fotonaponske ćelije η definira se kao omjer između maksimalne snage koju

ćelija može dati Pm i snage sunčeva zračenja koje upada na ćeliju Pu:

η=Pm

Pu=

Pm

E ∙ A=

U m∙ I m

E ∙ A(3.8)

gdje je E ozračenje površine, a A površina fotonaponske ćelije. Uvrštavajući izraz (3.7) za

maksimalnu snagu, slijedi:

η=FF ∙U ph ∙ I ks

E ∙ A(3.9)

Djelotvornost fotonaponske ćelije je to veća što je faktor punjenja bliži jedinici i što je veći

iznos struje kratkog spoja. Najveća djelotvornost fotonaponske ćelije pri određenom

ozračenju i temperaturi postiže se ukoliko je na fotonaponsku ćeliju spojen optimalni

iznos trošila, tj. ako ćelija radi u točki maksimalne snage.

3.1.2. Utjecaj temperature i ozračenosti na djelotvornost fotonaponske ćelije

Karakteristike fotonaponske ćelije mijenjaju se promjenom temperature i ozračenosti.

Promjena temperature uglavnom utječe na iznos napona praznog hoda (3.4), dok je

20

promjena fotostruje gotovo zanemariva. Reverzna struja zasićenja I 0 ovisi o temperaturi i

može se zapisati kao:

I 0=A ∙ T3 ∙ e−Eg

kT(3.10)

gdje je A konstanta za određenu fotonaponsku ćeliju, a Eg širina zabranjenog pojasa. Ako

se u jednadžbu (3.3) uvrsti uvjet za prazni hod ( I=0 iU=U ph) tada se uz (3.10) može

zapisati:

I ks=A ∙ T3 ∙ eqU ph−E g

kT(3.11)

Jednadžba (3.11) dobivena je zanemarivanjem jedinice u odnosu na eksponencijalni član u

izrazu (3.3) i uz pretpostavku m=1. Ako se (3.11) derivira po temperaturi i zanemari

promjena struje kratkog spoja (d I ks/dT ≈ 0), dobije se izraz za temperaturnu promjenu

napona praznog hoda:

d U ph

dT=

q U ph−Eg

qT−3 k

q(3.12)

Uvrštavanjem tipičnih vrijednosti za širinu zabranjenog pojasa poluvodičkog materijala

koji se koristi za izradu fotonaponskih ćelija kao i vrijednosti napona praznog hoda na

sobnoj temperaturi u izraz (3.12), uočava se da napon praznog hoda opada s porastom

temperature [7], tablica 3-1.

Tablica 3.1: Napon praznog hoda sunčane ćelije u ovisnosti o temperaturi

Materijal Eg [eV ] Uph [V], T=273 K dUph/dT [mV/K]

Si 1,12 0,65 -1,98

Si 1,12 0,55 -2,35

GaAs 1,4 1,05 -1,54

GaAs 1,4 0,85 -2,27

Opadanje vrijednosti napona praznog hoda više je izraženo od porasta struje kratkog

spoja, što rezultira i ukupnim opadanjem snage te djelotvornosti fotonaponske ćelije. U

21

praksi je porast temperature fotonaponske ćelije uvijek povezan s povećanjem intenziteta

upadnog sunčeva zračenja. Intenzitet upadnog zračenja ovisi o čitavom nizu parametara

kao što su kut upada θ, doba dana i godine, utjecaj atmosferskih prilika, zasjenjivanje

ćelije od strane okolnih objekata i sl. Iznos upadnog zračenja određuje iznos struje kratkog

spoja jer veće zračenje stvara više parova nosilaca. Ovisnost napona praznog hoda o

ozračenosti je logaritamska pa će njegova promjena biti puno manje izražena.

3.1.3. Materijali za izradu fotonaponskih ćelija

Za izradu fotonaponskih ćelija, postoje dva osnovna tipa materijala:

kristalni silicij, kao što su monokristalni i polikristalni silicij

materijali izrađeni u tankoslojnoj tehnologiji, kao što su tankoslojni silicij, amorfni

silicij, bakar/indij/galij/selenid-sulfid (CIGS) i kadmij-telurid (CdTe)

Do danas je tehnologija proizvodnje fotonaponskih modula temeljena na pločicama od

kristalnog silicija ostala dominantna iz više razloga: tehnologija je dosta raširena,

dokazana je njena pouzdanost, znanje i tehnologija potječu od elektroničke industrije.

Kristalni silicij se uglavnom proizvodi postupkom Czochralskog kojim se u rastaljeni silicij

visoke čistoće ubacuje kristalna jezgra. Rotiranjem jezgre i polaganim izvlačenjem, na

jezgri se kristalizira silicij te se tako proizvode šipke koje se kasnije režu u tanke pločice

(oko 200 mikrometara debiljine). Pločice se zatim dodatno obrađuju i od njih se izrađuju

sunčane ćelije, postavljaju se kontakti i izrađuje fotonaponski modul.

Fotonaponski moduli se u tankoslojnoj tehnologiji izrađuju prekrivanjem čitave površine

podloge (najčešće se kao podloga koriste staklo ili nehrđajući čelik) na skali od

nanometarskih do mikrometarski tankim slojevima vodljivog i poluvodičkog materijala.

Ovakvim se načinom izrade mogu postići značajne uštede u materijalu i u utrošku

energije.

S obzirom na djelotvornost pretvorbe u električnu energiju i dalje se dominantnima

pokazuju moduli izrađeni od kristalnog silicija, pri čemu je maksimalna djelotvornost

dobivena u laboratoriju iznosila 25 % za monokristalne ćelije [8]. Maksimalna

djelotvornost za ćelije bazirane na tankom filmu iznosila je približno 20 % za CIGS ćelije

[8]. Rezultati za sve materijale su prikazani na slici 3.5 [8].

22

Slika 3.17. Električna djelotvornost materijala za izradu fotonaponskih ćelija [8]

Na slici 3.6 je prikazan napredak na području pretvorbe sunčeve u električnu energiju s

obzirom na materijal izrade fotonaponskih modula u posljednjem desetljeću. Zabilježen je

napredak od približno 5 % pri uporabi svih materijala za izradu fotonaponskih modula, i to

najveći pri upotrebi kristalnog silicija kao materijala za izradu fotonaponskih modula.

Slika 3.18. Napredak u električnoj djelotvornosti materijala za izradu fotonaponskih ćelija [8]

23

Na dijagramima na slikama 3.7 i 3.8 prikazan je udio materijala od kojih su izgrađeni

fotonaponski moduli u instaliranoj snazi za razdoblje od 1980. godine do danas. Vidljiv je

trend u kojem svake godine raste udio fotonaponskih modula od polikristalnog silicija u

odnosu na ostale tehnologije. Također, vidljivo je da kristalni silicij zauzima 90 % tržišta u

2013. godini, a prema dijagramu 3.6 i dalje će rasti u odnosu na ostale tehnologije.

Slika 3.19. Udio materijala pri izradi fotonaponskih ćelija [8]

Slika 3.20. Udio materijala u proizvodnji fotonaponskih ćelija u 2013. godini

24

3.1.4. Povezivanje fotonaponskih ćelija i modula

Na slici 3.9 je prikazan način povezivanja fotonaponskih ćelija u modul, te fotonaponskih

modula u polje (eng. array) ili slog fotonaponskih modula.

Slika 3.21. Od fotonaponske ćelije do sloga (polje) fotonaponskih modula [9]

Fotonaponske ćelije moguće je spajati u seriju i u paralelu. Spajanjem fotonaponskih ćelija

u seriju povećava se iznos napona, dok struja koja teče kroz njih ostaje ista, slika 3.10. U

slučaju da se želi postići veća struja fotonaponskih modula potrebno je ćelije spojiti

paralelno, tj. spojem u paralelu napon se ne mijenja, dok se struja povećava sa brojem

ćelija.

Slika 3.22. Serijsko spajanje fotonaponskih ćelija [9]

25

Fotonaponski modul koji se sastoji on ns serijski i np paralelno spojenih ćelija može se

opisati izrazom (3.13):

I=np IPV −np I 0 ∙(eq

ak TC (V+ I ∙ Rs

ns )−1)−U+ I ∙ Rs

R p

(3.13)

Fotonaponski se moduli kao i fotonaponske ćelije mogu spajati u seriju kako bi se povećao

napon ili u paralelu kako bi se povećala struja. Fotonaponska polja obično su sastavljena

od kombinacije serijski i paralelno spojenih modula kako bi se povećala snaga.

Fotonaponski moduli spojeni u seriju utječu na U-I karakteristiku na sličan način kao i

fotonaponska ćelija. Ukupni napon je zbroj napona pojedinih modula (slika 3.11).

Slika 3.23. Serijsko povezivanje fotonaponskih modula [13]

Ako se želi postići veća struja potrebno je fotonaponske module spojiti u paralelu. Utjecaj

paralelno spojenih modula na U-I karakteristiku može se vidjeti na slici 3.12.

Slika 3.24. Paralelno povezivanje fotonaponskih modula [9]

26

Slog fotonaponskih modula je obično kombinacija serijski i paralelno spojenih modula.

Tako se postiže veća izlazna snaga. Postoje dva načina spajanja modula u seriju/paralelu

(slika 3.13):

moduli se spajaju u seriju kao nizovi koji se nakon toga spajaju u paralelu

moduli se prvo spajaju u paralelu, a nakon toga se ta kombinacija spaja u seriju

Načini spajanja modula ne utječu na U-I karakteristiku. Međutim, ako se odspoji niz

serijski spojenih modula radi servisiranja, slog će i dalje davati potrebni napon, uz

smanjenu struju, što nije slučaj kod paralelnog načina spajanja. Iz tih razloga preporuča

se spajati module prema prvom načinu spajanja [10].

Slika 3.25. Spajanje fotonaponskog polja [9]

Fotonaponski slog koji se sastoji od N s serijski i N p paralelno spojenih modula može se

opisati izrazom (3.14):

I=N p IPV−N p I 0 ∙(eq

akT C(V +I ∙ R s(Ns/ N p )

ns N p)−1)−U + I ∙R s N s /N p

Rp N s/ N p

(3.14)

3.2 Kompresori

Kompresori mogu biti različiti po veličini, konstrukciji, namjeni, performansama iostalim

stvarima. Jedna od glavnih podjela kompresora je na klipne i vijčane. [11]

27

Dodatna podjela je prema termodinamičkom načinu povećanja tlaka:

kompresori s kontinuiranim radnim procesom (povećanje kinetičke energije plina

ubrzavanjem strujanja, a zatim pretvaranje te kinetičke energije u tlak

usporavanjem u difuzoru) - strujni kompresori.

kompresori sa sukcesivnim ponavljanjem svoga radnog mehaničkog ciklusa,

direktno sabijanje plina smanjivanjem njegovog volumena – volumni (engl.

displacement) kompresori

Kompresori s kontinuiranim radnim procesom se dijele na:

turbo kompresore

radijalni (centrifugalni)

aksijalni

mlazne kompresore (ejektori)

Kompresori sa sukcesivnim ponavljanjem se dijele na:

oscilatorne (engl. reciprocating) kompresore

klipni kompresori (bez križne glave)

stapni kompresori (s križnom glavom)

labirintni kompresori

membranski kompresori.

rotacijske kompresore s jednim rotorom krilni (lamelni), s tekućinskim prstenom, spiralni, s ekscentričnim rotorom, vijčani.

rotacijske kompresore s dva ili tri rotora vijčani, engl. Roots.

28

Kompresori

Strujni(dinamicki)

Volumni

Ejektori Turbokompresori

Radijalni(centrifugalni)

Aksijalni

OscilatoriRotacijski

Klipni

Stapni

Membranski

Labirintni

Dva rotoraJedan rotor

RootsVijcani

SpiralniVijcani

S tekucinskim prstenom

Lamelni

S ekscentricnim rotorom

Slika 3.14 Podjela kompresora po načinu rada

Po dobavi, ili kapacitetu, kompresori se mogu podijeliti na male, do 10 m3/min, srednje od

10 do 100 m3/min i velike iznad 100 m3/min. Kapacitet se, ako to nije drukčije rečeno,

odnosi na stanje plina u usisnom priključku.

U ovisnosti o konačnom tlaku za koji je kompresor građen, mogu se razlikovati:

- vakuum crpke koje služe za transport plinova i para iz prostora u kojima vlada

podtlak;

- puhala za konačne tlakove do 3 bara, čija namjena je primjerice tlačenje

amonijaka, propilena, propana, butana itd. pri niskim temperaturama, ispiranje

dvotaktnih motora, dobava zraka za visoke peći, pneumatski transport i slično

- niskotlačni kompresori za konačne tlakove od 3 do oko 12 bar (pneumatski alati,

automatska regulacija, rashladni uređaji itd.);

- srednjotlačni kompresori za konačne tlakove od oko 10 do 150 bar (kemijska i

naftna industrija, pokretanje raznih uređaja, mehanizama, motora, plinskih

turbina, transport prirodnog plina plinovodima

- visokotlačni kompresori za konačne tlakove od oko 200 do 2500 bar (kemijska

industrija – sinteza plinova pod tlakom uz primjenu katalizatora, katalitičko

hidriranje ugljene prašine i masti pri proizvodnji sintetičkog benzina, ukapljivanje i

29

razdvajanje plinskih smjesa, punjenje boca komprimiranim zrakom i ostalim

plinovima itd.), a u ekstremnim slučajevima postižu se tlakovi preko 5000 bar.

kapacitet kompresora (l/s)

log

p (b

ar)

0.1

1

10

100

1000

10000

100 1000 10000 100000 100000010

Oscilatorni

Rotacijski

Centrifugalni

Aksijalni

Puhala

Slika 3.15 Područje rada pojedinih tipova kompresora

Sa slike 3.15 koja prikazuje karakteristike tipičnih današnjih kompresora, može se

zaključiti sljedeće: visoki i najviši tlakovi postižu se klipnim kompresorima (višestupanjska

kompresija). Međutim, kapacitet klipnih kompresora je manji od rotacijskih kompresora.

Veći kapacitet postiže se rotacijskim vijčanim kompresorima, a najveći primjenom

turbokompresora. Turbokompresori se najčešće koriste za niske i srednje konačne

tlakove. Međutim, budući da je kod turbokompresora uobičajena višestupanjska

kompresija, i kod njih se može postići visoki konačni tlakovi, čak od više stotina bara.

Rotacijska Roots puhala također mogu postići visoke kapacitete, međutim rade s izrazito

niskim tlakovima.

Prema navedenim grupama, ovdje se mogu svrstati i ventilatori. Naime, ventilatori su

također uređaji koji tlače zrak, ili općenito plinove s nižeg na viši tlak. Njihova

karakteristika je mali porast tlaka i redovito su turbo tipa. Stroga granica između

kompresora i ventilatora ne postoji. Također, smatra se da kod ventilatora, zbog male

30

promjene tlaka nema promjene gustoće radnog medija – plina, te se uzima da je radni

medij nestlačiv, premda se radi o plinu.

Kompresori se uobičajeno podmazuju uljem. Bezuljni (suhoradni) kompresori su bitni u

industriji hrane, farmaceutskoj industriji, pivovarama i sličnim granama industrije.

Međutim, čak i u industriji gdje ulje nije smetnja kod primjene, poželjno je smanjenje

količine ulja za podmazivanje cilindara. Prekomjerno ulje može se taložiti u potisnim

ventilima gdje će i najbolja ulja oksidirati kod visokih temperatura. To može formirati

naslage oblika gume ili uljnog taloga koji će pogoršati karakteristike kompresora, a u

nekim slučajevima može doći do požara u tlačnom sustavu. Zbog toga su razvijene i

konstrukcije bezuljnih kompresora.

3.2.1 Klipni kompresori

Kapacitet ili dobava klipnog kompresora predstavlja količinu plina u ili kojeg

kompresor usisava, a zatim komprimira i potiskuje u neki spremnik.

Za idealni kompresor radni volumen je , a specifični volumen usisavanog plina , pa je

teoretski kapacitet klipnog kompresora:

mteor=V h

v1=V h ρ1[kg/ s] (3.15)

Ovdje je izraženo u m3/s, što se dobiva množenjem radnog volumena cilindra s brojem

cilindara i brzinom vrtnje kompresora.

V h=D2 π

4∙ s ∙ z ∙ n

60[m3/s ] (3.16)

gdje je:

D promjer cilindra, m

s hod klipa, m

z broj cilindara prvog stupnja

n brzina vrtnje (broj okretaja) pogonskog vratila, min-1

Dakle, ovo je teoretski volumen usisanog, a ne stlačenog zraka.

31

Za stvarni klipni kompresor, iz razloga koji su ranije navedeni, radni kapacitet je manji od

teorijskog i njihova razlika se prema tradiciji naziva volumetrijski gubitak kompresora.

Omjer stvarne dobave prema teorijski mogućoj dobavi nazivamo po tradiciji volumetrijska

efikasnost kompresora :

ηV =mstvarno /mteor (3.17)

Pozivajući se na prethodnu analizu, može se napisati da je volumetrijska efikasnost

jednaka:

ηV =ηc ηp ηq ηn (3.18)

gdje su:

volumetrijska efikasnost zbog štetnog prostora

volumetrijska efikasnost zbog prigušenja na ventilima (faktor tlaka)

volumetrijskaefikasnost zbog izmjene topline (temperaturni faktor)

volumetrijskaefikasnost zbog propuštanja (faktor propusnosti)

3.2.2 Konstrukcijska rješenja klipnih kompresora

Klipni kompresor je relativno jednostavan stroj koji se sastoji od malog broja osnovnih

elemenata, a to su:

cilindar s oscilirajućim klipom čijim gibanjem unutar cilindra se usisava,

komprimira i istiskuje plin (ili para)

razvodni organi izvedeni kao samoradni ventili, koji se povremeno otvaraju i

zatvaraju zbog razlike u tlakovima

klipni mehanizam koji pretvara rotacijsko gibanje vratila u pravocrtno gibanje klipa

unutar cilindra i prenosi rad potreban za komprimiranje plina

kućište kompresora koje ujedinjuje prethodno navedene elemente kompresora,

sadrži glavne ležajeve vratila, te služi kao spremnik ulja za podmazivanje

S obzirom na izvedbu, cilindri mogu biti jednoradni i dvoradni, već prema tome

komprimira li se plin s jedne ili s obje strane klipa. Dvoradni kompresori su izvedeni s

križnom glavom i stapajicom. Prostor cilindra odvojen je od prostora kućišta stjenkom

32

kroz koju prolazi stapajica. Ako se želi strogo odvojiti podmazivani prostor kućišta od

komprimiranog plina ugrađuje se dvostruka stjenka. Kod jednoradnih klipnih kompresora

bočne stjenke klipa preuzimaju bočnu silu i prenose je na košuljicu cilindra. Kod dvoradnih

kompresora bočna sila se prenosi preko križne glave na klizne staze. Stoga klip ne mora

biti dug, već je kratke izvedbe pa se naziva stap. Na slici 3.16 a) prikazana je stojeća

izvedba jednoradnog kompresora, a na slici 3.16 b) ležeća izvedba dvoradnog kompresora

s križnom glavom.

Slika 3.16 Osnovni tipovi klipnih/stapnih kompresora, a) stojeći jednoradni klipni kompresor, b)

ležeći dvoradni stapni kompresor s križnom glavom

Najmanji kompresori su jednostupanjski s jednim cilindrom ili dva cilindra u V izvedbi,

zrakom hlađeni i pogonjeni elektro motorom. To su brzohodni strojevi. Sporohodni

kompresori velikih kapaciteta imaju ležeće dvoradne cilindre.

Kompresor može biti izveden kao jednocilindarski ili višecilindarski. Ako se kompresija

obavlja u više cilindara koji se nalaze na zajedničkom postolju, a cilindri su spojeni u

paralelu, takav kompresor se naziva jednostupanjski. Kada je više cilindara na

zajedničkom postolju spojeno u seriju, uobičajeno preko hladnjaka radnog plina, takav

kompresor je višestupanjski kompresor. Cilindri mogu biti izvedeni kao ležeći ili stojeći,

mogu biti smješteni u obliku slova V, L, W, H, bokser izvedbe itd.

Suvremeni kompresori velikog kapaciteta su višecilindarski spojeni u paralelu. Izvedbe do

4 cilindra su stojeće redne i prikazane su na slikama 3.17 a) i b). Kada je potreban veći broj

cilindara, do 8, pribjegava se konstrukcijama V, W ili dvostruko V kao, na slikama 3.17 c),

33

d) i e). Kutni raspored cilindara nudi određene prednosti, smanjen volumen i težinu, te

superiornu izbalansiranost stroja. Veliki kompresori grade se u izvedbama prikazanim sa

slikama 3.17 f), g) i h). L izvedba prikazana slikom 3.17 f) koristi se i kod kombinirane

konstrukcije gdje je kompresor ležeće izvedbe, a pogonski motor uspravne. L izvedba s

vertikalnim niskotlačnim cilindrom i horizontalnim visokotlačnim cilindrom je pogodna za

veće strojeve, lakšu ugradnju, održavanje i demontažu. Bokser izvedba, slika 3.17 g),

primjenjuje se kad je raspoloživa visina za montažu mala i kod najvećih kompresora s

križnom glavom.

Slika 3.17 Višecilindarski klipni/stapni kompresori

34

Za postizanje viših i visokih konačnih tlakova koriste se višestupanjski klipni kompresori.

Višestupanjski kompresori dobivaju se, kao što je već rečeno, povezivanjem cilindara u

seriju. Uobičajeno se komprimirani medij hladi nakon kompresije u pojedinom stupnju.

Komprimiranjem i hlađenjem volumen plina značajno opada pa svaki naredni stupanj ima

manji volumen.

Slika 3.18 Višestupanjski klipni/stapni kompresori

Na slici 3.18 a) tri cilindra prvog stupnja povezana su u paralelu, a četvrti cilindar je u

serijskoj vezi i služi kao drugi stupanj kompresora. Uobičajena izvedba višestupanjske

kompresije prikazana je slikom 3.18 b). Treći način višestupanjske kompresije je tzv.

stepenasta izvedba stapa i cilindra prikazana slikama 3.19 c), d) i e). Manji kompresori se

grade kao brzohodni stojeći prema slici 3.18 c), dok se za veće kapacitete i tlakove koriste

35

ležeće konstrukcije s križnom glavom kao na slici 3.18 d). Za najviše tlakove pogodna je

konstrukcija kao na slici 3.18 e). Na slici 3.18 f) prikazan je kompresor s križnom glavom za

srednje i velike kapacitete. Za najveće kapacitete i vrlo visoke tlakove iznad 2000 bar

grade se bokser kompresori kao na slici 3.18 g).

Zbog svoje svestranosti još uvijek se najčešće koriste klipni kompresori. Nedostaci klipnih

kompresora su:

- zahtijevaju dobro temeljenje radi preuzimanja (neuravnoteženih) inercijskih sila klipova i klipnjača;

- potrebno je iskusno osoblje za održavanje;

- usisni i potisni ventili su skloni kvarovima;

- diskontinuirana dobava može uzrokovati vibracijsku rezonancu u tlačnim prolazima i distribucijskom sustavu.

Mase klipova, klipnih prstenova, osovinica klipa i dijela klipnjače koji se gibaju pravolinijski

oscilatorno, uzrokuju promjenjive sile inercije koje se prenose na koljenasto vratilo i dalje

na temelje koji stoga moraju biti izdašno dimenzionirani. Osim toga, samoradni ventili

uzrokuju povećanje volumetrijskih gubitaka, koji postaju to veći što je veća brzina vrtnje.

Zbog toga se klipni kompresori rade za umjerene brzine vrtnje koje rijetko prelaze 2000

min-1.

Slika 3.19 Rashladni klipni kompresor RC11

Premda se posljednjih godina istiskuju vijčanim i lamelnim kompresorima, klipni

kompresori još uvijek dominiraju kod velikih stacionarnih jedinica i kod komprimiranja na

visoke tlakove.

36

Još jedna vrsta kompresora su i tzv. membranski kompresori, slika 3.20. Membranski

kompresori su jedna varijanta klipnog kompresora s dodatnim klipnim prstenovima i

brtvama. Kompresija plina se ostvaruje uz pomoć fleksibilne membrane umjesto klipa.

Pomicanjem membrane naprijed natrag upravlja se s klipnim mehanizmom. Samo

membrana i njeno kućište dolaze u doticaj s plinom odnosno fluidom koji se komprimira.

Zbog ovakve specifičnosti konstrukcija je idealna za komprimiranje otrovnih i eksplozivnih

plinova. Tipični plinovi koji se komprimiraju membranskim kompresorima su: argon,

freon, ugljik dioksid, ugljik monoksid, klor, helij, kisik, ksenon.

Slika 3.20 Membranski kompresor (hidraulički)

3.3 Akumulatorska baterija

Baterija se sastoji od jednog ili više članaka međusobno povezanih paralelno i /ili serijski.

Članak je zatvoren sustav koji kemijsku energiju pretvara u električnu energiju putem

elektrokemijskih reakcija. Članak sadrži dvije elektrode, anodu (negativna) i katodu

(pozitivna), između kojih se nalazi elektrolit. U procesu pražnjenja baterije anoda oksidira

pri čemu nastali ioni putuju prema katodi kroz elektrolit koji je ujedno električki izolator, a

elektroni putuju prema katodi kroz vanjski krug pri čemu obavljaju rad. Na katodi se

odvija proces redukcije, čime katoda prihvaća elektrone i ione. Pri punjenju baterije na

elektrodama se odvijaju suprotne reakcije, katoda oksidira, a anoda reducira.

Načinom spajanja pojedinih baterijskih članaka može se ostvariti baterija željenog

kapaciteta i napona. Spajanjem baterijskih članaka u seriju ukupni napon jednak je zbroju

pojedinih napona na člancima, a ukupni kapacitet je jednak kapacitetu pojedinog članka.

37

Paralelnim spajanjem članaka ukupni kapacitet jednak je zbroju pojedinih kapaciteta

članaka, a ukupni napon jednak je naponu na jednom članku. Mješovitim spajanjem

članaka dobivamo bateriju potrebnih iznosa kapaciteta i napona.

Kapacitet je mjera za količinu energije koju baterija može pohraniti prilikom punjenja, te

koju može dati tijekom pražnjenja. Uobičajena mjerna jedinica je mAh. Pored napona i

kapaciteta ostali pojmovi kod razmatranja baterija su gustoća energije, djelotvornost,

ciklus i životni vijek baterije. Gustoća energije je omjer sadržane električne energije i mase

baterije. Obično se navodi u Wh/kg. Veća gustoća energije znači lakšu bateriju uz isti

kapacitet i nazivni napon. Djelotvornost baterije obično se izražava u postocima i pokazuje

koliko energije dovedene bateriji prilikom punjenja je moguće iskoristiti prilikom

pražnjenja. Jedan ciklus baterije predstavlja jedno punjenje i pražnjenje baterije. Baterija

se uobičajeno napuni do kraja, a prema tome koliko se isprazni razlikujemo plitke i

duboke cikluse. Životni vijek baterije je broj ciklusa nakon kojeg kapacitet baterije

nepovratno padne ispod 80% početnog kapaciteta.

3.3.1 Pohrana energije u bateriji

Način pohrane energije u bateriji je od iznimnog značaja za sustav. Kako bi se moglo

ispitati brzina i količina pohranjene energije, potrebno je napraviti matematički model

baterije. U [12] dan je Shepardov model baterije.

Model za svaku ćeliju sadrži dvije jednadžbe, jednu za punjenje baterije, drugu za

pražnjenje. Kada se baterija puni vrijedi (I>0):

U =U ph+1k z

ln(|I|I z+1)−gd H + I rqd(1+

md HQ d

Qm−H ) (

3.19)

Kada se baterija prazni vrijedi (I<0):

U=U ph−1k z

ln(|I|I z+1)−gc H + I rqc(1+

mc HQc

Qm−H ) (

3.20)

gdje su:

c i d - punjenje (eng. charging) i pražnjenje (eng. discharging)

ph- otvoreni krug (opencircuit)

38

z – korekcije za male struje

H – djelomična dubina pražnjenja, jednaka 1−F

F– djelomično stanje punjenja, jednako Q /Qm

Qm – kapacitet baterije (pri F=1, vrijednost kod proizvođača)

Q – stvarni kapacitet baterije

rqc i rqd – unutarnji otpor baterije

Za olovne baterije postoje poznate relacije i izrazi te se tako reducira potreban broj parametara:

Qc=−0.035Qm [ Ah](

3.21)

Qc=−0.035Qm [ Ah](

3.22)

rqd=0.5Qm

[Ω](

3.23)

rqc=3.0Qm

[Ω ](

3.24)

gc=gd=0.08 [V ](

3.25)

md=1(

3.26)

mc=0.864(

3.27)

U ph=2.175 [V ](

3.28)

k z=29.3(

3.29)

I z=2.5[A ](

3.30)

Uvođenjem navedenih izraza u jednadžbe (3.19) i (3.20) dobiju se sljedeći izrazi:

39

U =2.175+ 129.3

ln( |I|2.5

+1)−0.08 H + I 0.5Qm

(1+ H1.18−H ) (

3.31)

U=2.175− 129.3

ln( |I|2.5

+1)−0.08 H + I 3.0Qm

(1− 0.864 H0.035+H ) (

3.32)

Jednadžbe (3.33) i (3.34) vrijede za jednu ćeliju baterije. Za N s broj ćelija u seriji i N p broj

ćelija u paraleli za napon i struju baterije vrijede slijedeći izrazi:

Ubatt=N sU(

3.33)

I batt=N p I(

3.34)

Kapacitet baterije u bilo kojem trenutku t, sa zadanim početnim kapacitetom Q0 dobije se

integriranjem po vremenu, tj.:

Q=Q0+∫time

❑

ηIdt(

3.35)

Djelotvornost punjenja η ovisi o različitim gubicima tijekom punjenja, a uobičajena

vrijednost je 0,9. Tokom praženjanja η je jedak 1.

Slika 3. prikazuje ovisnost struje o naponu za tipične 50 Ah olovne baterije. Krivulja je

generirana za N ❑P=1 i N S=6. Također, na slici su prikazani i granice maksimalne i

minimalne vrijednosti struje i napona prilikom punjenja i pražnjenja kako bi se očuvao

životni vijek baterije. Za prikazanu bateriju maksimalna vrijednost struje u oba slučaja je

11 A. Baterija se ne bi smjela puniti preko F=1 ili prazniti ispod F=0,2. Limiti napona su

12,3 V i 14V .

40

Slika 3.21 Ovisnost struje o naponu za tipične 50 Ah olovne baterije [12]

3.3.2 Olovne akumulatorske baterije

Olovne baterije bile su prve sekundarne (punjive) baterije. Anodu i katodu čine olovne

pločice, a kao elektrolit koristi se kombinacija sumporne kiseline (H 2 S O4) i destilirane

vode. Takav članak je stabilan, te između anode i katode ne vlada razlika potencijala. Pri

inicijalnom punjenju olovne baterije dolazi do elektrolize vode u elektrolitu pri čemu se

oslobođeni kisik veže na katodu i stvara olovni (IV) oksid. Zbog manjka elektrona na katodi

nastaje razlika potencijala između anode i katode. Pražnjenjem baterije anoda i katoda se

izjednačavaju, čime postaju olovni sulfat. Ponovno punjenje baterije vraća anodu i katodu

u olovo i olovni dioksid, te je opet postignuto stanje kada među elektrodama vlada razlika

potencijala. Zbog takvog načina rada olovne baterije zahtijevaju povremeno dolijevanje

destilirane vode. Osim nedostataka olovnih baterija, primjerice curenje elektrolita i

otpuštanje plinova, olovne baterije predstavljaju opasnost za čovjekovo zdravlje i okolinu.

Zbog velike atomske mase olova, olovne baterije su teške i imaju malu gustoću energije.

Unatoč nedostacima olovne baterije imaju nazivan napon u iznosu do 2 V , mogu osigurati

veliku struju, imaju dobre temperaturne karakteristike i nisku cijenu. Životni 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

41

ventilom. Takve baterije umjesto tekuće mješavine sumporne kiseline i vode za elektrolit

imaju gel. Zbog toga mogu raditi u bilo kojem položaju i ne zahtijevaju održavanje kao

klasične olovne baterije.

Punjenje olovne baterije

Poznavanjem uzroka i posljedica te prevencijom glavnih uzročnika prijevremenog kvara

baterije, moguće je produljiti radni vijek baterije. Glavni uzroci gubitka kapaciteta i

kvarova baterije su sulfatizacija i prekomjerno curenje plina.

Najglavniji uzrok kvara baterije je sulfatizacija. Sulfatizacija je taloženje olovnog sulfata na

pločama za punjenje zbog čega baterija otežano prihvaća naboj. Tokom normalnog

punjenja taloženje se događa u neznatnim količinama, ali se znatne količine pojavljuju ako

je baterija nedovoljno napunjena (eng. undercharged) ili prepunjena (eng. overcharged),

što dovodi do usporavanja i prestanka elektrokemijske reakcije. Ako reakcija stane,

sulfatizacija se ubrzava i sulfat curi izvan elektrolita i prijanja uz ploče. Što je više taloga na

pločama, smanjuje se potpuno prihvaćanje naboja na bateriji. Ako nakon pražnjenja ubrzo

nastupi punjenje, taj se materijal se razgradi. Međutim ako se baterija ostavi

nenapunjena, sulfat ostaje na pločama i s vremenom očvrsne (kristalizira). Nakon nekog

vremena više neće biti moguće razgraditi sulfat punjenjem baterije i baterija će

nepovratno izgubiti dio kapaciteta i na kraju propasti. Glavni uzrok sulfatizacije je

nenapunjenost baterije.

Jednako kao i nenapunjenost, i prepunjenost smanjuje životni vijek baterije, ali i može

doći 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 može pregrijati, stvaraju se plinovi vodika i kisika i

raste tlak unutar baterije. Nezabrtvljene olovne baterije koriste odzračivanje za

oslobađanje tlaka i recirkulaciju tlaka u bateriji. Zbog nastanka više plina nego što je

kapacitet odzračivanja, može doći do ključanja vode iz baterije što rezultira gubitkom

vode i u konačnici uništenje baterije.

Najsigurniji i najdjelotvorniji način sprečavanja gore navedenih pojava je pametno

punjenje baterije. Elektrolitska otopina ima faze prihvaćanja punog naboja. Višefazno

42

punjenje se prilagođava tim fazama i pomaže prevenciji sulfatizacije i curenja plina. Tri

faze punjenja baterije su tzv. bulk, apsorpcija i tzv. float.

Faza bulk. Naziva se još i uzlazna faza, u ovoj fazi je struja punjenja konstanta i napon se

povećava sve do razine najvećeg napona na bateriji, a to je 2,46 V po ćeliji. U ovoj fazi se

događa najveći prihvat naboja na bateriji. Ako baterije ostane na ovome naponu, dolazi

do prepunjenosti baterije.

Faza apsorpcija. Naziva se još i faza upijanja (eng. soak). U ovoj fazi napon punjenja je

konstantan (2,36V po ćeliji) i traje sve dok struja ne padne na 10% vrijednosti struje kojom

se punila u bulk fazi (kako bi elektrolitska otopina imala mogućnost 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 održavanja kapaciteta baterije.

Napon punjenja baterije se smanjuje na 2,26V po ćeliji i tako ostaje određeni period.

Faze punjenja baterije su prikazane na slici 3.22.

Slika 3.22 Faze punjenja baterije

Naponi baterije pojedinih faza su dani u tablici 3.2.

Tablica 3.2 Napon na bateriji za faze punjenja

Faza punjenja Napon

Bulk 14,8 V

Apsorpcija 14,2 V

Float 13,6 V

43

Prednosti i nedostaci olovnih akumulatorskih baterija

Osnovne 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 pružaju pouzdanu uslugu

nisko samopražnjenje – brzina samopražnjenja je među najmanjima u odnosu na

druge punjive baterije

zahtijevaju jako malo održavanja, nemaju memorijskog efekta

mogućnost velikog broja pražnjenja

Osnovni nedostatci olovnih baterija su:

ne smiju se skladištiti u ispražnjenom stanju

mala gustoća energije – loš omjer težine baterije u odnosu na gustoću energije

čime je ograničena upotreba u stacionarnim i pokretnim primjenama

omogućavaju ograničen broj punih pražnjenja – dobre su u slučaju da su potrebna

samo povremena pražnjenja

štetne su po okoliš – sadržaj elektrolita (sumporna kiselinarazrjeđena destiliranom

vodom) i olova može uzrokovati zagađenje okoliša

mogućnost prolijevanja sumporne kiseline u slučaju nesreća

nepravilnim punjenjem može doći do jakog zagrijavanja baterije

Pored olovnih baterija danas su sve više u upotrebi i litij ionske baterije. U nastavku su

dane i osnovne karakteristike ovog tipa baterija.

3.3.3 Litij ionske akumulatorske baterije

Struktura litij ionskog akumulatora sastoji se od tri glavna dijela. To su anoda (negativna

elektroda), katoda (pozitivna elektroda) te elektrolit koji se nalazi između njih. Elektrolit je

materijal koji omogućuje kretanje litijevih iona između elektroda te ne posjeduje svojstvo

električne vodljivosti. Između elektroda unutar elektrolita nalazi se još jedan sloj koji se

naziva separator. Prilikom procesa pražnjenja dolazi do oksidacije anode zbog čega litijevi

atomi koji se nalaze uz granicu s elektrolitom ispuštaju elektron koji se nalazi u valentnom

pojasu. Oslobođeni elektroni odlaze u vanjski krug (uređaj koji se napaja baterijom) dok

se pozitivni litijevi ioni kreću kroz elektrolit prema katodi. Istovremeno na katodu dolaze

44

litijevi ioni i elektroni iz vanjskog kruga. Između anode i katode nalazi se tanki sloj koji se

naziva separator. Separator služi za sprječavanje kratkih spojeva između anode i katode te

je u potpunosti propustan za litijeve ione (mikroporoznost). Proces punjenja je suprotan

od procesa pražnjenja. Litijevi ioni putuju od katode prema anodi dok istovremeno

elektroni pod utjecajem vanjskog izvora napona koji je barem jednak naponu izmjerenom

prilikom pražnjenja (i suprotnog predznaka) kreću isto od katode prema anodi.

Prednosti i nedostaci li-ion akumulatorske baterije

Osnovne prednosti Li-ionskih baterija su:

velika gustoća energije i snage – pošto se teži da elektronički uređaji rade dulje

vrijeme između punjenja dok se istovremeno troši sve više energije postoji

potreba za baterijama koje imaju veliku gustoću energije

može podnijeti duboke cikluse pražnjenja – ćelija zadržava konstantni napon kroz

80% krivulje pražnjenja - to znači da se u praksi može upotrijebiti više uskladištene

energije za dani kapacitet.

niska razina samopražnjenja – to znači ako se akumulator ne upotrebljava on se

neće samostalno isprazniti zbog nekih unutarnjih reakcija.

odnos kapaciteta punjenja i kapaciteta pražnjenja – vrlo malo energije se izgubi

tokom ciklusa punjenja/pražnjenja

nema memory efekta – akumulator ne moramo isprazniti do kraja prije punjenja,

neće doći do smanjenja kapaciteta.

veliki broj ciklusa punjenja i pražnjenja

mogućnost funkcioniranja unutar širokog temperaturnog područja

mogućnost brzog punjenja

Osnovni nedostatci li-ionskih baterija su:

velika unutarnja impedancija

degradiranje na visokim temperaturama

gubitak kapaciteta ili temperaturni bjegovi zbog prepunjenja – ako previše

nabijemo bateriju postoji mogućnost pojave nuspojava koje mogu uzrokovati

povećanje temperature i dovesti do uništenja akumulatora

potrebni su zaštitni krugovi kao bismo spriječili curenje plinova u slučaju

prenabijanja

45

posebni propisi kod transporta

cijena

3.4 Istosmjerni uzlazni pretvarač

Da bi se električna energija, dobivena iz fotonaponskog modula, mogla koristiti te pri

tome ostvariti najveće iskorištenje, modul se spaja na bateriju ili trošilo preko

istosmjernog uzlaznog pretvarača. Osnovna uloga istosmjernog pretvarača je prilagodba

napona na iznose koji odgovaraju priključenim uređajima. Maksimalno iskorištenje

energije Sunca važnije je od same djelotvornosti sustava, zbog prirode sunčeva zračenja,

jer često većim iskorištenjem energije Sunca i manjom efikasnosti možemo dobiti više

električne energije nego uz manje iskorištenje Sunca i veću efikasnost. Raspoloživost

energije sunčeva zračenja nije pouzdana, pa je zbog toga bitno iskoristiti svu moguću

energiju kada je ona raspoloživa. Način kojim se to ostvaruje osigurava primjena tzv.

MPPT algoritma (eng. Maximum Power Point Tracking) i pripadnog sklopovlja i sastavni su

dio istosmjernog pretvarača. MPPT na temelju strujno-naponskih odnosa fotonaponskog

modula određuje točku maksimalne snage, te dovođenjem fotonaponskog modula u tu

točku ostvaruje najveće iskorištenje sunčevog zračenja.

Istosmjerna pretvorba

Istosmjerna pretvorba je pretvorba jednog istosmjernog napona u drugi istosmjerni

napon. Jedna podvrsta istosmjernih pretvarača koji omogućavaju istosmjernu pretvorbu

su istosmjerni pretvarači bez galvanskog odvajanja. Na Slika 3. prikazana je shema

uzlaznog istosmjernog pretvarača bez galvanskog odvajanja.

Kada je sklopka uklopljena struja teče kroz zavojnicu i vrijedi:

uL=U S=LdiL

dt(

3.16)

diL

dt=

U S

L(

3.27)

Promjena struje zavojnice je linearna, iz toga slijedi:

∆ iL

∆t=

∆iL

DT=

US

L(

3.38)

46

( ∆iL)closed=U s DT

L(

3.49)

Slika 3.23 a) Shema uzlaznog pretvarača, b) Ekvivalentna shema za zatvorenu sklopku, c)

Ekvivalentna shema za otvorenu sklopku

Za vrijeme dok je sklopka isklopljena struja kroz zavojnicu ne može trenutno promijeniti

smjer, što vodi do toga da se struja zatvara kroz trošilo i kondenzator.

uL=U s−U 0=LdiL

dt(

3.40)

diL

dt=

U s−U0

L(

3.41)

Uzimajući u obzir konstantnu promjenu struje zavojnice vrijedi:

∆ iL

∆t=

∆ iL

(1−D)T=

U s−U 0

L(

3.42)

47

( ∆iL)open=(U ¿¿ s−U 0)(1−D)T

L¿

(

3.53)

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

( ∆iL)open+( ∆ iL)closed=0(

3.64)

Uvrštavajući jednadžbe (3.49) i (3.53) u (3.64) i izjednačavajući za U0 slijedi naponska

transformatorska jednadžba:

U 0=U S

1−D(

3.45)

Iz jednadžbe (3.45) slijedi, ako je sklopka stalno isklopljena, faktor vođenja D je nula i

napon na izlazu je jednak naponu na ulazu. Rastom faktora vođenja raste i izlazni napon.

Slika 3.24 a) Napon zavojnice, b) Struja zavojnice, c) Struja diode, d) Struja kondenzatora

Minimalna vrijednost induktiviteta zavojnice se određuje iz izjednačavanja snaga ulaza i

izlaza pretvarača. Izlazna snaga pretvarača je jednaka:

48

Po=U o

2

R

(

3.46)

Ulazna snaga je jednakaU s I s=U s I L, izjednačavanjem snaga i uvrštavanjem jednadžbe

(3.45), dobije se:

U s I L=Uo

2

R=

( U s

1−D )2

R=

U s2

(1−D )2 R

(

3.77)

odnosno:

I L=U s

(1−D )2 R(

3.48)

Za kontinuirani način rada pretvarača, potrebno je da struja kroz zavojnicu bude

pozitivna, dakle razlika između kontinuiranog i nekontinuiranog načina rada se određuje iz

vrijednosti minimalne struje. Uključujući da je promjena struje kroz zavojnicu određena iz

jednadžbe (3.49) slijedi:

I min=I L−∆iL

2=

U s

(1−D )2 R−

U s DT2 L

=0(

3.49)

U s

(1−D )2 R=

U S DT2 L

=U S D2 Lf

(

3.50)

Za kontinuirani način rada je potrebna minimalna vrijednost umnoška frekvencije

sklapanja i induktiviteta, odnosno:

( Lf )min=D (1−D )2 R

2(

3.51)

ili

Lmin=D (1−D )2 R

2 f(

3.52)

U dosadašnjim jednadžbama se pretpostavlja da je izlazni napon konstantan, odnosno da

je kapacitet beskonačan. U stvarnosti, vrijednost kapaciteta određuje valovitost napona.

Valovitost napona se može izračunati iz valnog oblika struje kondenzatora. Promjena

naboja u kondenzatoru je:

49

|∆Q|=(U o

R ) DT=C ∆ Uo

(

3.53)

odnosno, omjer promjene napona i izlaznog napona jednak je:

∆ U o

U o= D

RCf(3.54)

3.5 Praćenje točke maksimalne snage (MPPT)

Kako je opisano u poglavlju Error: Reference source not found ozračenost sunčane ćelije

se može opisati U-I krivuljom, a serijskim ili paralelnim povezivanjem se povećava napon

i/ili struja, ali se ne mijenja oblik krivulje. Slika 3.25 prikazuje ovisnost snage i napona o

ozračenosti i temperaturi. Sa slike je vidljivo da se točka maksimalne snage mijenja ovisno

o ozračenosti i temperaturi, odnosno za različitu ozračenost/temperaturu različit je i

napon na kojem sunčana ćelija daje maksimalnu snagu. Svaka radna točka sunčane ćelije

je definirana sa naponom i strujom za svaki trenutak.

Slika 3.25 Ovisnost snage i napona o: (a) ozračenosti, (b) temperaturi

Za određenu temperaturu i ozračenost radna točka ćelije leži na U-I krivulji, prikazano na

slici 3.26. Za najveću izlaznu snagu za danu ozračenost i temperaturu, radna točka se

nalazi na maksimumu P-U krivulje, ta točka se naziva točka maksimalne snage (eng.

Maximum Power Point, MPP).

Povezivanjem fotonaponskog panela izravno na trošilo, radna točka je određena trošilom,

što znači da neće uvijek dati maksimalnu moguću snagu. Najjednostavniji način

postavljanja panela da radi u MPP-u je ili mijenjanjem napona panela da bude u točki

50

MPP-a (Umpp) ili mijenjanjem struje u točku MPP-a ( I mpp). Promjenom vremenskih uvjeta

mijenja se i točka maksimalne snage, stoga je potrebno mijenjati iznos napona kako bi u

svakom trenutku radna točka bila u točki maksimalne snage. To se naziva praćenje točke

maksimalne snage (eng. Maximum Power Point Tracking), u daljnjem tekstu MPPT.

Dvije su najčešće vrste MPPT algoritma:

- neizravno praćenje MPP-a, npr. metoda Parcijalnog napona praznog hoda(eng.

FractionalOpenCircuitVoltage)

- izravno praćenje MPP-a, npr. metoda Inkrementalna vodljivost (eng.

IncrementalConductance) ili metoda Promijeni i posmatraj (eng.

PerturbandObserve, P&O)

Slika 3.26 Točka maksimalne snage na U-I i U-P grafu [18]

3.6 Tlačni spremnik komprimiranog zraka

Tlačni spremnik je dizajniran da zadrži plinove ili tekućine pri tlakovima značajno većima

od atmosferskog pritiska. [13] Diferencijalni tlak je opasan i kobne nesreće su se dogodile

tijekom razvoja i rada tlačnih spremnika. Slijedom toga, dizajn tlačnih spremnika, izrada i

korištenje su regulirani različitim propisima. Iz tih razloga, propisi variraju ovisno od

države do države, ali uključuju sljedeće parametre:

maksimalni radni sigurnosni tlak i temperaturu (projektirani su s određenim

faktorom sigurnosti)

51

dopuštenu koroziju

minimalnu temperaturu (za krhke lomove)

nedestruktivno ispitavanje kao što su ultrazvučno ispitivanje, radiografija i tlačne

probe koje često uključuju ispitivanje sa vodom, poznao pod nazivom hidrotest, ali

mogu biti ispitani i pomoću zraka ili tekog drugog plina

Preferira se hidrotest jer je mnogo sigurnija metoda ispitivanja i ispušta manje energije

kod pojave loma (voda ne povećava naglo svoj volumen kod brzog smanjenja pritiska u

odnosu na plinove kod kojih u slučaju greške na spremniku može doći do eksplozije).

Tlačni spremnici teoretski mogu biti bilo kojeg oblika, ali uobičajeno se koriste spremnici u

obliku sfera, cilindara ili stošca. Uobičajeni oblik je oblik cilindra sa završetcima koji se

nazivaju poklopci ili kape. Oni su često u obliku polukugle ili zdjele. Složeniji oblici

povijesno su bili mnogo teži za konstruiranje i sigurnosno ispitivanje.

Slika 3.27 Različiti oblici tlačnih spremnika

Teoretski, sferna posuda pod tlakom može podnijeti dvostruko veći pritisak od one

cilindričnog oblika s istom debljinom stijenke, te je idealnog oblike za stlačivanje

unutarnjeg tlaka. Sferni oblik spremnika je teže za proizvesti, a samim time je i skuplji pa

je većina tlačnih posuda u obliku cilindra sa polueliptičnim kapama na svakom kraju. Za

cilindrične posude do 600 mm promjera mogu se koristiti bešavne cijevi kako bi se izbjegli

dodatni pregledi i ispitivanja poput radiografije kojom se ispituju varovi.

52

Mnogi tlačni spremnici izrađeni su od čelika. Za proizvodnju cilindričnih ili sfernih oblika

posude potrebno je da se valjani i kovani dijelovi mogu zavariti. Mehanička svojstva

čelika koja se postižu valjanjem ili kovanjem mogu se narušiti zavarivanjem ako se ne

poduzmu određene mjere opreza. Osim odgovarajuće mehaničke čvrstoće, propisi

zahtijevaju korištenje čelika s visokom otpornošću na udare pogotovo ako se spremnici

koriste pri niskim temperaturama okoline. U slučajevima gdje je moguća korozija ugljičkog

čelika potrebno je koristiti posebne premaze ili materijale otporne na koroziju.

Neki tlačni spremnici su izrađeni od kompozitnih materijala koji su često spoj ugljičnih

vlakana i polimera. Zbog velike vlačne čvrstoće karbonskih vlakana, ovi spremnici mogu

biti jako lagani, ali ih je teško za proizvesti te se zbog toga mogu upotrijebiti zajedno sa

ugljičnim čelikom gdje se kompozitni materijal namota oko metalnog tlačnog spremnika

čime tvori kompozitnu obloženu posudu pod pritiskom.

Tlačni spremnici mogu biti obloženi s metalima, keramikom ili polimerima radi

sprječavanja curenja ili zaštite spremnika od nagrizajućeg sadržaja.

Svrha upotrebe tlačnih spremnika:

– smirivanje tlačnih udara klipnog kompresora (ujednačavanje tlaka)

– kvalitetnije usklađivanje rada kompresora i potrošnje

– preuzimanje vršne potrošnje

– izdvajanje vode i kompresorskog ulja iz stlačenog zraka

Svaka tlačna posuda mora imati:

– priključak za dovod stlačenog zraka

– priključak za odvod stlačenog zraka

– priključak za regulator kompresora

– ventil za ograničenje tlaka (sigurnosni) koji se otvara pri tlaku 10% većem od radnog

– manometar

– slavinu za ispuštanje kondenzata ili automatski odvajač kondenzata

– zaporni ventil prema mreži

– tlačni prekidač

Curenje prije praska opisuje tlačni spremnik tako da pukotina na spremniku raste kroz

stijenku dopuštajući fluidu da izađe i smanji pritisak, odnosno da se prasak ne dogodi pri

radnom tlaku.

53

Obično se koristi sigurnosni ili ispušni ventil koji ne omogućava da se prijeđe određeni tlak

za koji je ventil projektiran.

3.7 Elektromagnetski ventil

Elektromagnetski ventil u svom kućištu ima smješten elektromagnet, kao klasični

elektromagnetski pretvarač, u kojem se prolaskom struje kroz namotaje stvara magnetsko

polje, a samim time i magnetska sila koja privlači razvodni element, nasuprot sili opruge,

čime se omogućuje strujanje fluida kroz ventil. Magnetska sila ventila proporcionalna je

iznosu električne struje kroz namotaje elektromagneta. Ukoliko se naponski upravljački

signal ne dovede na ventil, sila prednapregnute opruge djeluje na razvodni klip držeći

ventil zatvorenim. Svladavanje ove sile ima direktan utjecaj na vrijeme odziva ventila. [20]

Slika 3.28 Elektromagnetski ventil s označenim dijelovima

Dijelovi označeni na slici 3.28 su:

1) Zavojnica 6) Kućište

2) Tuljak magneta 7) Membrana

3) Jezgra magneta 8) Poluga membrane

4) Poluga jezgre 9) Upravljački (servo) otvor

5) Brtva 10) Poklopac ventila

54

Prema načinu djelovanja:

izravni – za pomicanje suprotno smjeru djelovanja opruge koriste samo snagu

zavojnice (rade već od 0 bar)

servo – za pomicanje suprotno smjeru djelovanja opruge koriste snagu zavojnice i

hidrauličko/pneumatsko pojačanje u sklopu izvedenom unutar ventila (rade od

npr. 0,3, 0,5 ili 1 bar)

kombinirani – izravni/servo ventili koji rade već od 0 bar i imaju znatno veće

protoke od izravnih ventila.

Prema načinu upravljanja:

NC – normalno zatvoreni tj. bez napona zatvoreni, pod naponom otvoreni

NO – normalno otvoreni tj. bez napona otvoreni, pod naponom zatvoreni

Brtve su od izlacijskog materijala koji se odabire tako da bude otporan na određeni medij

s obzirom na njegovu agresivnost i i s obzirom na dotične tlačno-protočne uvjete u

instalaciji koji pak utječu na habanje (trošenje) brtve. Najčešće se koriste sljedeći

materijali:

NBR (Nitrile butadiene rubber), tzv. nitrilna guma

EPDM (Ethylene propylene diene monomer rubber)

FPM (Fluorinated propylene monomer), tzv. viton

PTFE (Polytetrafluoroethylene), tzv. teflon

PA (Polyamide, 30% glass-reinforced), tzv. poliamid

PU (Polyurethane), tzv. poliuretan

PEEK (Polyether ether ketone).

Materijal se odabire ovisno o mehaničkim, toplinskim i kemijskim zahtjevima. NBR se

standardno koristi kod kemijski neutralnih medija i kod temperatura do 90 °C. Kod viših

temperatura medija se koriste EPDM, FPM i PTFE. Nehrđajući čelik se koristi kod visokih

temperatura i visokih učestalosti uklapanja i isklapanja. Kućišta navojnih ventila su od

mjedi, nehrđajućeg čelika, bronce ili termoplasta. Kućišta prirubničkih ventila su od

lijevanog željeza, nodularnog lijeva (čelika) ili nehrđajućeg čelika. Prema potrebi, ponekad

se na navojne ventile dograđuju prirubnice. Ventili s izravnim djelovanjem:

priključci 1/8“, 1/4", 3/8“, 1/2"

55

nazivni unutarnji promjeri od 1 mm do 10 mm

nazivni radni tlakovi od 0 do 150 bar

materijali kućišta: mjed, nehrđajući čelik

medij: voda, zrak, para, plin, dizelsko gorivo itd

2/2 BEZ NAPONA ZATVOREN (NC ) SA SERVO DJELOVANJEM

Protok medija kroz ventil zatvara membrana ili klip. Takvi ventili imaju upravljačku stazu

(veza između prostora iznad membrane/klipa i izlaznog dijela ventila) koja se otvori kada

zavojnica dođe pod napon i podigne jezgru. Tlak u prostoru iznad membrane/klipa tada

padne, a protočni medij podigne membranu, čime otvara protočnu stazu preko glavnog

sjedišta ventila. Takvo djelovanje ventila temelji se na razlici između ulaznog i izlaznog

tlaka protočnog medija. Ovi ventili nisu upotrebljivi za tlakove blizu 0 bar, već je potrebna

razlika tlakova od barem 0,3 bara.

Slika 3.29 Elektromagnetski ventil a) Zatvoren b) Otvoren

3.8 Senzor tlaka

Tlak je definiran kao sila po površini i mjeri se senzorima tlaka. Izmjereni tlak fluida u

mirovanju zove se statički tlak, a fluida u gibanju dinamički tlak. [15]

Postoji nekoliko oblika izmjerenog tlaka:

56

diferencijalni tlak: razlika između dva tlaka kojima je izložen senzor (transmiteri

ovakvog tipa zovu se i Delta P transmiteri)

mjereni tlak: u slučaju kada je jedna ulazna strana transmitera otvorena prema

atmosferi i izložena je atmosferskom tlaku

apsolutni tlak: u slučaju kada je jedna ulazna strana transmitera spojena na

vakuum

glavni tlak: u slučaju kada je jedna ulazna strana transmitera otvorena prema

atmosferi i izložena atmosferskom tlaku, a druga izložena stupcu tekućine

određene visine (visina izražena mjernom jedinicom npr. milimetri stupca vode,

žive itd.)

Slikom 3.30 prikazane su pretvorbe mjernih jedinica za tlak.

Slika 3.30 Pretvorbe mjernih jedinica za tlak

3.8.1 Bourdonova cijev

57

Bourdonova cijev predstavlja mehanički pretvarač tlaka jer nema elektronskih

komponenti. Mehanički pomak otklanja kazaljku. [16] U Bourdonovoj cijevi diferencijalni

tlak nastaje pomakom elastičnog elementa. To je zakrivljena metalna cijev eliptičnog

presjeka koja se deformira uslijed djelovanja tlaka iznutra. Deformacija predstavlja

mehanički pomak kazaljke baždarene skale na promjenu tlaka za taj pomak.

Slika 3.31 Bourdonova cijev a) C - oblika, b) Spiralnog oblika

Slika 3.32 Uređaj za mjerenje tlaka s Bourdonovom cijevi

Elektromehanički pretvarač tlaka

58

Pretvarači tlaka ili transduceri su instrumenti koji tlak ili promjenu tlaka pretvaraju u

električki signal ili pomak kazaljke. Uobičajeni pretvarači tlaka imaju osjetni mehanizam

tipa dijafragma koja može biti ravna ili opuštena. Deformacija dijafragme dovodi do

promjena u električnom otporu, kapacitivnosti ili induktivnosti električnog kruga u koji je

spojena. Ako je mjerni tlak oko standardne vrijednosti atmosferskog tlaka, dijafragma u

ovakvom pretvaraču tlaka je opterećena s razlikom tlaka od približno 105 Pa, pa je njena

mjerna osjetljivost premalena za većinu primjena u podzvučnim aerodinamičkim

tunelima.

Slika 3.33 Elektrootporni pretvarač tlaka

Parametri:

mjerni opseg: definira raspon mjerene veličine unutar kojeg senzor ostvaruje

deklarirana svojstva

točnost: određuje mjerna svojstva senzora u odnosu na stvarnu vrijednost

mjerene veličine

brzina odziva: kašnjenje izmjerene vrijednosti za mjerenom veličinom

linearnost: odnos između mjerene veličine i izmjerene vrijednosti za čitav mjerni

opseg

vrsta izlaza: analogni ili digitalni

temperaturni opseg: temperaturni opseg unutar kojeg senzor ostvaruje

deklarirana svojstva

59

Faktori koji utječu na točnost:

statička pogreška je odstupanje izmjerene vrijednosti od stvarne vrijednosti

mjerene veličine. Izražava se u postotku punog mjernog opsega senzora. mjerena

veličina treba biti konstantna

dinamička pogreška nastaje uslijed vremenske promjene mjerene veličine, tako da

izmjerena vrijednost kasni za stvarnom vrijednosti mjerene veličine

ponovljivost je izražena preko statističkog odstupanja izmjerene vrijednosti od

stvarne vrijednosti mjerene veličine. Kod senzora koji ima dobru ponovljivost

moguće je kompenzirati statičku pogrešku

mrtvo vrijeme predstavlja vremenski interval između promjene mjerene veličine

do promjene izmjerene vrijednosti

mrtva zona definirana je kao najveća promjena mjerene veličine koja neće izazvati

promjenu izmjerene vrijednosti

3.9 Sigurnosni ventil

Sigurnosni ventil ili ventil sigurnosti osigurava da ne dođe do prekoračenja tlaka u

dovodnom vodu. [17] Ako tlak u dovodnom vodu poraste iznad namještene vrijednosti,

dovod se spaja s odzračnim odvodom sve dok tlak ne padne ispod namještene vrijednosti.

Sigurnosni ventil spada u grupu tlačnih ventila, a u podgrupu ventila za ograničavanje

tlaka.

Slika 3.34 Sigurnosni ventil

60

Protočni ventili djeluju na protok radnog fluida, a posredno i druge veličine koje zavise od

protoka odnosno brzine fluida. Koriste se dva tipa protočnih ventila:

– prigušni (prigušuju u oba smjera) i

– jednosmjerno - prigušni (prigušuju u jednom smjeru)

Prigušno djelovanje ostvaruje se suženjem (prigušnica, blenda) koje predstavlja otpor

strujanju fluida (izaziva pad tlaka). Jednosmjerno prigušni ventili nazivaju se još

nepovratno-prigušni ili prigušno-nepovratni. Oni predstavljaju paralelni spoj prigušnice i

nepovratnog ventila. U jednom smjeru protok ide kroz prigušnicu, dok se u suprotnom

smjeru otvara nepovratni.

Slika 3.35 a) Prigušni ventil b) Jednosmjerno – prigušni ventil

Nepovratni ventil dozvoljava protok fluida samo u jednom smjeru (poput diode u

elektronici), uz minimalno mogući pad tlaka (mali otpor). Taj pad tlaka je kriterij kvalitete

nepovratnog ventila. Dosjed ventila može imati oblik kugle, stožca, tanjura ili čahure.

Ventil može biti neopterećen ili opterećen (s oprugom).

61

Slika 3.36 Nepovratni ventil s čeličnom kuglicom u: a) otvorenom položaju b) zatvorenom

položaju

Slika 3.37 Nepovratni ventil s diskom u: a) otvorenom položaju b) zatvorenom položaju

62

4 Vrste i karakteristike zračnica za bicikle

Biciklizam i bicikl, kao sport i prijevozno sredstvo, sve su rašireniji 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 današnje vrijeme se vrste

biciklističkih guma rade prema ETRTO (European Tire and Rim Technical Organization)

standardu. Uz njih, koriste se još i starije engleske i francuske dimenzije guma.

Osnovna karakteristika svih brdskih bicikala jest da su namijenjeni terenskoj, odnosno off-

road vožnji. Imaju široke 26" kotače, vrlo čvrste i izdržljive konstrukcije rame.

Opća odlika cestovnih bicikala njihova mala težina, razmjerno veliki kotači (26''-29'') sa

uskim gumama, te im je, naravno, namjena čista cestovna vožnja.

4.1 Vrste guma i tlak

Tlak u zračnicama guma je vrlo bitan za vožnju biciklom. Samo gume sa dovoljnim tlakom

mogu podnijeti teret na biciklu. Veći tlak u gumama znači manji otpor gume i površine po

kojoj se bicikl kreće, ali i manju prilagodljivost gume zahtjevima terena (oštećenja kolnika,

staklo, sitno kamenje itd.) te lakše može doći do pucanja iste. Također, zbog konstantno

niskog tlaka u gumi smanjuje joj se životni vijek, te tipično rezultira pucanjem gume sa

bočne strane i abrazija (uklanjanje površinskog sloja) je nepotrebno velika.

S druge strane, slabije napumpana guma lakše apsorbira udare na cesti. Zbog toga su

gume na brdskim biciklima pod manjim tlakom od onih za cestovni bicikl, time

omogućavajući vozaču da lakše podnosi rupe, neravnine i grbav teren, ali ima veće trenje

prilikom vožnje ravnim terenom.

Biciklističke gume se dijele na dvije osnovne vrste. Uz te dvije vrste ima i još nekoliko

varijacija, a odnos volumena, vrste i širine gume prikazan je na Slika 4.26.

1. gume za brdski biciklizam (MTB tires) – gume su promjera 660 mm (26'') i širine,

ovisno o biciklu, 46mm – 76 mm (1,8'' – 3,0'').

2. gume za cestovni biciklizam (Tourningtires) – promjera 700mm (27,5'') i širine, ovisno o biciklu, 18 mm – 35 mm.

63

Slika 4.26 Volumen gume ovisno o vrsti i širini gume

4.2 Ventili

Postoje tri vrste ventila za bicikl.

Slika 4.27 Vrste ventila za bicikl

Dunlop ventil - tzv. engleski ventil se najčešće sreće na starijim biciklima jer je do

nedavno, točnije do popularizacije Presta ventila, bio standard za biciklističke ventile.

Odlikuje ga relativno komplikovan dizajn od tri odvojiva dijela. Sa auto ventilom dijeli

promjer tijela ventila pa zahtjeva i isti promjer otvora na obruču. S druge strane, sa Presta

64

ventilom dijeli promjer otvora za zrak pa se za ova dva tipa ventila koriste iste pumpe ili

isti adapteri. Nedostatak ovih ventila je da ne mogu podržati veliki pritisak (ne veći od 5

bara), dok se pri samom pumpanju mnogo energije troši na savladanjavnje otpora ventila

i zbog same konstrukcije ventila nije moguće znati točan iznos tlaka unutar zračnice.

Presta ventil – naziva se i francuski ventil ili klasični ventil za bicikl, najučestali je ventil

kod bicikala. Uži 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 čvrsto

zatvoren. Kapica se mora odviti kako bi se omogućio protok zraka u bilo kojem smjeru.

Vijak ostaje na ventilu čak i kada se potpuno odvije. Kapica ventila štiti mehanizam ventila

od prašine i blata. Također, sprječava da ventil oštećuje zračnicu prilikom motanja. Presta

ventil se najčešće nalazi na gumama za trkaće bicikl (veći tlak). Ne može se koristiti

zračnica sa presta ventilom na naplatku sa Schrader rupom jer je rupa preširoka i može

zbog pomaka doći do odvajanja ventila od zračnice.

Problem Presta ventila je što se ne može izmjeriti tlak u gumi sa običnim manometrom za

Schrader ventil i adapterom za presta ventil, već je potreban poseban manometar.

Schrader ventil – nazva se još i auto ili američki ventil, jer je jednak ventilu koji se nalazi

na gumama za automobil. Širi (8 mm) od Presta ventila. Sastoji se od šuplje cilindrične

metalne cijevi, tipično od mjedi, sa navojima. U središtu vanjskog dijela ventila se nalazi

metalna igla duž cijevi. Obično 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

prljavština i voda ulaze u vanjski dio ventila, što može dovesti do kontaminacije brtvene

površine i istjecanja zraka. Neke kapice imaju gumene brtve kako bi se što bolje zabrtvio

ventil i spriječilo i najmanje istjecanje zraka. Zbog svoje širine, ovakva vrsta ventila se

koristi kod širih guma.

4.3 Tlak u zračnici gume

Tlak u zračnici gume ovisi o vrsti gume (širina). Prema podacima proizvođača guma

„Schwalbe“ tlak se kreće od 2 bar do 9 bar kao što je prikazano u . Uz predloženi tlak

potrebno je uzeti u obzir i ukupnu masu na biciklu (vozač + dodatan teret).

65

Tablica 4.2 Tlak u zračnici gume ovisno o širini guma

Širina gume Preporučeni tlak20 mm 9,0 bar 130 psi25 mm 7,0 bar 100 psi30 mm 5,5 bar 80 psi35 mm 4,5 bar 65 psi37 mm 4,5 bar 65 psi40 mm 4,0 bar 55 psi42 mm 4,0 bar 55 psi44 mm 3,5 bar 50 psi47 mm 3,5 bar 50 psi50 mm 3,0 bar 45 psi54 mm 2,5 bar 35 psi57 mm 2,2 bar 32 psi60 mm 2,0 bar 30 psi

Gume za brdske bicikle se tlače od 2 do 3,5 bara, dok se gume za cestovne bicikle tlače od

4,5 do 9 bara. Iako se prema tablici gume tlače i do 9 bara, pri običnoj vožnji, cestovni

bicikli se ne tlače preko 5-6 bara, ponajviše zbog kvalitete same gume i zračnice.

4.4 Ručni način pumpanja zračnice za gume

Postoje dva načina pumpanja guma, a to su ručni i automatski način pumpanja. Ručni

način pumpanja je najstariji način i primjer jedne takve pumpe prikazan je slikom 4.3.

Najjednostavnije je izvedbe, ne zahtijeva izvore energije i lako je prenosiva.

Slika 4.3 Ručna pumpa za gumu

Osim toga, postoje i kompresori koji su napajani električnom energijom i na njih je

spojeno crijevo za pumpanje s manometrom. Postoje dvije inačice, a to su stupna izvedba

66

gdje se tlak unutar zračnice gume očitava na samom stupu i pritiskom na tipku pali se

kompresor i pumpa se zračnica gume. Druga izvedba je ona gdje je na kompresor spojeno

crijevo za pumpanje zračnica, a na samom kraju se nalazi pištolj za pumpanje s

manometrom. Princip rada obje inačice je sličan, nakon spajanja crijeva na gumu se pusti

zrak kroz crijevo i nakon zatvaranja protoka se očitava tlak unutar zračnice. Postupak se

ponavlja sve dok se ne dođe do željenog tlaka. Primjeri takvih stanica prikazani su slikom

4.4.

Slika 4.4 Izvedbe stanica za pumpanje a) Stupna izvedba, b) Pištolj za pumpanje s manometrom

Zbog svoje izvedbe, tlak unutar zračnice sa Dunlop ventilom nije moguće mjeriti.

67

Slika 4.5 Izgled Dunlop ventila i pojedini dijelovi

Problem je u gumici koja se nalazi s unutrašnje strane ventila. Ona služi za sprječavanje

curenja zraka iz zračnice gume. Prilikom pumpanja dolazi do njenog širenja, zrak ulazi u

zračnicu i nakon završetka pumpanja ona se vraća u prvotni položaj i time ne dozvoljava

da zrak izađe iz zračnice. Iz tog razloga je uz adapter potrebno riješiti i način pumpanja

Dunlop ventila u servisnoj stanici za bicikle. Najjednostavniji način je da se implementira

dio koda gdje bi se uz zajedničko pritiskanje tipki + i - palio elektromagnetski ventil i

time bi počelo pumpanje zračnice gume. Otpuštanjem tipki bi se elektromagnetski ventil

ugasio i time bi se zaustavio protok zraka kroz crijevo za pumpanje.

68

5 Energetska bilanca

Pretpostavke:

- volumen gume: 5 dm3 (28'' gume, širina 35 mm)

- prosjek promjene tlaka gume, odnosno tlačenja gume je ∆p= 1 bar

- prosječno vrijeme potrebno da se guma stlači 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

- pretvarač radi 12 sati.

Pri računanju energetske bilance polazi se od fotonaponskog modula vršne snage 135 W.

Snaga koju daje fotonaponski modul izračunata je pomoću programa na stranici: snaga

fotonaponskog modula izračunata je pomoću [23] za grad Zagreb i tokom ljetnih mjeseci

iznosi 600 Wh na dan. Djelotvornost MPPT algoritma je oko 95% što znači da je na ulazu

pretvarača 570 Wh. Gubici pretvarača su 3 W, odnosno 36 Wh, što znači 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 8∙24≈190 W. Dakle kompresor dnevno može raditi 2h 10min i

potrebno mu je 90 sekundi da stlači spremnik sa 7,5 na 10 bar. Iz toga slijedi da je broj

tlačenja spremnika N tlačenja jednak :

N tlačenja=2h 10min

90 s=7800

90≈ 85 (5.8)

Ako je:

- ∆ p1 – promjena tlaka u spremniku

- V 1 – volumen spremnika (10 L)

- ∆ p2 – promjena tlaka u gumi (1 bar)

- V 2 - volumen gume (5 L)

Slijedi:

∆ p1 V 1=∆ p2 V 2

(

5.9)

69

∆ p1=∆ p2

V 2

V 1

(

5.10

)

∆ p1=1 510

=0,5 ¿

(

5.11

)

Za vrijeme pumpanja jedne gume, tlak u spremniku padne za 0,5 bar. Iz toga slijedi da je

ukupan broj guma koji je moguće napumpati za radno područje spremnika jednako:

nguma=2,5 ¿0,5 ¿=5¿

¿

(

5.12

)

Odnosno, ukupan broj guma napumpanih za 1 bar iznosi:

nguma, uk=nguma ∙ N tlačenja

(

5.13

)

nguma, uk=85 ∙5=425

Ukupan broj napumpanih zračnica za 1 bar je 425. Dakle ako prema [24], u Zagrebu u

Vukovarskoj ulici dnevno prođe 1400 bicikala, stanica može uslužiti skoro trećinu biciklista

na dan.

70

6 Eksperimentalni model sustava

Shema eksperimentalnog modela sustava je dana na slici 6.1, dok je na slici 6.2 prikazan

stvaran eksperimentalni model. Sustav se sastoji od fotonaponskog panela (1), tiskane

pločice (2) koja sadrži uzlazni pretvarač 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 ručnu (12) i automatsku (11). Automatska isporuka zraka

još sadrži i elektroventil (9) kojim se propušta zrak i senzor tlaka (10) kojim se mjeri tlak u

gumi.

Slika 6.28 Shema eksperimentalnog sustava

Slika 6.29 Eksperimentalni model sustava

71

6.1 Fotonaponski panel

Fotonaponski modul korišten za eksperimentalni dio diplomskog rada je panel serije

SV36-135 tvrtke Solvis, prikazan je na slici 6.3. Modul je od polikristalnog silicija, a

detaljne specifikacije modela kao i mehanički podaci dani su u tablici 6.1. Bitno je

napomenuti da su podaci u Tablica 6.3 dobiveni mjerenjem pod nominalnim ispitnim

uvjetima (STC). Ti uvjeti podrazumijevaju ozračenost površine modula od 1000 W/m2,

temperaturu od 25°C te optičku masu zraka od 1,5.

Slika 6.3 Fotonaponski modul

Tablica 6.3 Specifikacije Solvisovog modela SV60-225

Model SV36-135Vršna snaga Pm[W] 135Dozvoljeno odstupanje snage [W] -0/+4,9Struja kratkog spoja I ks [A] 8,16

Napon praznog hoda U ph [V] 21,8

Nazivna struja I n [A] 7,63

Nazivni napon Un[U] 17,7Dozvoljeno odstupanje napona i struje [%] ±10Temperaturni koeficijentiNominalna radna temperatura ćelije (NOCT)

[°C] 48,2±2

72

Temperaturni koeficijent snage PMPP [%/K] -0,41Temperaturni koeficijent struje ISC [%/K] 0,05Temperaturni koeficijent napona UDC [%/K] -0,29Mehanički podaciDimenzije (V x Š x D) [mm] 1030 x 998 x 35Masa [kg] 14Broj i vrsta ćelija 36, p-Si, 156 x 156 mmEnkapsulacija ćelija Etilen-vinil acetat (EVA)Staklo 4 mm kaljeno sunčano stakloPozadina Višeslojna poliesterska folija

OkvirOkvir od anodiziranog aluminija sa dvostrukom stjenkom i otvorima za drenažu

Priključna kutija Tyco SOLARLOK sa 3 zaštitne diode, IP65Priključni kablovi Kabel 4 mm2, dužine 1000 mm, SOLARLOK priključniceRadni uvjetiTemperaturno područje [°C] -40 do +85Maksimalni napon sustava [V] 1000Maksimalno opterećenje [Pa] Ispitano do 5400 Pa (opterećenje snijegom)Otpornost na udar Tuča promjera 25 mm pri brzini 23 m/ s

6.2 Kompresor

Kompresor korišten u eksperimentalnom dijelu rada je model 330-IC tvrtke „VIAIR“.

Karakteristike kompresora su dane u tablici 6.2.

Tablica 6.4 Natpisna pločica 330-IC kompresora

Nazivna snaga 180 WNazivni napon 24 VNazivna struja 7 AMaksimalna struja 9 AMaksimalan tlak 10,5 barMaksimalni protok pri (6,9bar) 100%Protok pri 0 bar 32,8 L/minZaštita IP67

Na slici 6.4 prikazan je stvarni izgled kompresora.

73

Slika 6.4 Klipni kompresor tvrtke Viair

Tablica 6.5 prikazuje vrijeme koje je potrebno da kompresor stlači zrak u spremniku od

10L.

Tablica 6.5 Vrijeme punjenja spremnika od 10L

Tlak Vrijeme0,0 – 7,4 bar 190 s (±10 s)5,9 – 7,4 bar 45 s (±5 s)0,0 – 10,0 bar 300 s (±10 s)7,6 – 10,0 bar 90 s (±5 s)

Tablica 6.4 prikazuje ovisnost protoka zraka i vrijednosti struje u ovisnost u tlaku unutar

spremnika zraka

Tablica 6.4 Karakteristike kompresora

BAR LPM A0 33,0 4

1,0 28,5 52,0 25,1 63,0 22,6 64,0 21,2 75,0 20,0 76,0 19,0 77,0 17,7 88,0 16,5 99,0 15,0 9

10,0 13,5 8

6.3 Spremnik zraka

74

Spremnik zraka je volumena 2,5 galona, odnosno 9,5 litara. Proizvođač je tvrtka VIAIR.

Podaci su dani u tablici 6.5.

Tablica 6.5 Tehnički podaci spremnika zraka

Maksimalni dozvoljeni tlak 13,78 bar (200 PSI)Ulazi 1/4''Broj ulaza 6Radna temperatura -40°C - +80°CDimenzije 59,7 x 15,2 x 19,1Masa 6,37 kg

Spremnik zraka prikazan je na slici 6.5.

Slika 6.5 Spremnik zraka

6.4 Senzori tlaka i elektroventil

Senzori tlaka i elektroventil (proizvođač 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''. Tehnički podaci senzora su dani u tablici 6.6 (u

uglatoj zagradi navedene vrijednosti za 16 barni senzor), a senzor je prikazan slikom 6.6.

Tablica 6.6 Tehnički podaci senzora tlaka MBS 3000 10bar [16 bar]

Raspon tlaka 0,00 – 10,00 [16,00] barIzlazni signal 4 – 20 mAProcesni priključak G – ½ MuškiNapon napajanja 10,00 – 30,00 VTežina 0,200 [0,206] kgMaksimalna točnost, +/- FS [%] 1,00 %Raspon temperature okoline -40 – 85°CMaksimalni tlak 60,0 [96,0] barVrijeme odziva 4 msZaštita IP65

75

Slika 6.6 Senzor pritiska Danfoss serije MBS 3000

Tehnički podaci elektroventila su dani u tablici 6.7, a slikom 6.7 je prikazan elektroventil.

Tablica 6.7 Tehnički podaci elektroventila EV220B

Napajanje 24,00 VSnaga 18,00 WTežina 0,972 kgDimenzije armature 13,5 mmMaksimalna temperatura okoline 80 °CMaterijal kućišta MjedProcesni priključak G ½ Diferencijalni tlak 0,3 – 16 barMaksimalni radni tlak 16 barZaštita IP65

Slika 6.7 Elektromagnetski ventil tvrtke Danfoss serije EV 220B

76

6.5 Akumulatorska baterija

Na slici 6.8 prikazana je punjiva olovna baterija proizvođača Yuasa nazivnog napona 12 V i

nazivnog kapaciteta 38 Ah. Koriste se dvije baterije spojene serijske kako bi se dobio

potrebni radni napon od 24 volta čime je struja koja protječe sustavom dvostruko manja,

a samim time zahtjevi na komponente sustava poput debljine žice također manje.

Tehnički podaci su dani u tablici 6.8.

Tablica 6.8 Tehnički podaci NP38-12 akumulatorske baterije

Nazivni napon 12 VSpecifična gustoća energije 32 Wh/kgGustoća energije 83 Wh/LUnutarnji otpor 7,5 mΩMaksimalna struja pražnjenja 300 AStruja kratkog spoja 500Adimenzije DxŠ 197mm x 165mmMasa 14,2 kg

Slika 6.8 Akumulatorska olovna baterija

77

6.6 Upravljačka pločica

Zbog dimenzioniranja žica i komponenti, odabran je uzlazni pretvarač koji napon

fotonaponskog panela podiže sa 18 V na 24 V koliko je na bateriji. Ovaj dio rada preuzet je

iz diplomskog rada kolege Bone Zrakića pod nazivom Istosmjerni pretvarač servisne

stanice za bicikle. [22] Parametri pretvarača su izračunati pomoću formula navedenih u

prethodnom poglavlju. Prije izračunavanja vrijednosti komponenata pretvarača, potrebno

je poznavati tri parametra: ulazni napon V S, izlazni napon V o i maksimalnu izlaznu struju

I 0(max). 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 očekivani iznos maksimalne

izlazne struje 10 A.

Prvo se određuje potreban faktor vođenja, koji je prema jednadžbi (3.45) i kada je puna,

iznosi 0,35. Slijedeće što se računa je frekvencija sklopa. Frekvencija sklopa je obrnuto

proporcionalna iznosima kapaciteta i induktiviteta. Veća frekvencija znači manje

vrijednosti kapaciteta i induktiviteta, ali i veće 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

izračunati induktivitet zavojnice potrebno je prvo izračunati valovitost struje. Prema [21]

valovitost struje je između 30 i 40% vrijednosti maksimalne izlazne, u ovom slučaju 3 A.

Prema jednadžbi (3.49) slijedi da je induktivitet jednak:

L= 18V ∙0,3550 ∙103 Hz ∙3 A

=44 μH

Za odabir komponente se uzima prva viša kataloška vrijednost, 47 μH i nazivna struja veća

od 10 A .

Nakon izračunatih komponenata zavojnice, računaju se parametri sklopki, u ovom slučaju

MOSFET-a. Struja vođenja MOSFET-a mora biti 20% veća od maksimalne izlazne struje, i

potrebno je odabrati što manji otpor vođenja Rds (on ). Također, napon MOSFET-aV ds mora

biti najmanje 20% veći od procijenjenog napona pretvarača.

Ulazni kapacitet mora biti dovoljno velik kako bi stabilizirao napon pri maksimalnom

opterećenju. Ovisno o valovitosti izlaznog napona odabire se izlazni kapacitet. Uobičajena

valovitost izlaznog napona je 1% [21], uz jednadžbu (3.54), gdje je V o

R=I o=10 A slijedi:

78

C= 10 A ∙0,3550∙103 Hz ∙0,28 V

=2500 μF

Uz iznos kapaciteta, potrebno je i da kondenzator ima malu vrijednost serijskog otpora

(ESR).

Osim osnovnih komponenti, za pravilan rad pretvarača potrebno je s njime upravljati. Za

upravljanje pretvarača se koristi mikroprocesor ATMEGA2560 baziran na otvorenoj

računarskoj i hardverskoj platformi Arduino.

Slika 6.9 Shema tiskane pločice u programu Eagle [22]

6.6.1 Izrađena tiskana pločica

Slika 6.10 prikazuje gornju stranu tiskane pločice sa ugrađenim komponentama. Sa donje

strane pločice se nalaze senzori struje i nisu prikazani na ovoj slici.

79

Slika 6.10 Prednja strana tiskane pločice sa ugrađenim komponentama

LEGENDA:

1 – priključak za fotonaponski panel 13 – pretvarač s 24 na 12 V

2 – kućište za osigurač 14 – pretvarač s 24 na 5 V

3 – zaštitna dioda 15 – USB ulaz

4 – ulazni kondenzator 16 –FT232RL mikroprocesor

5 – zavojnica 17 – ICSP priključak

6 – MOSFET-i pretvarača 18 – ATMEGA2560 mikroprocesor

7 – izlazni kondenzatori 19 – priključak za GSM modul

8 – priključak za kompresor 20 – driver za analogne izlaze

9 – priključak za bateriju 21 – analogni ulazi

10 – MOSFET za upravljanje kompresora 22 – LCD priključak

11 – dioda za pražnjenje kompresora 23 – digitalni ulazi

12 – driver za MOSFET-e 24 – analogni izlazi

80

Kako bi se moglo komunicirati sa tiskanom pločicom i programirati, potrebno je pločicu na

neki način spojiti sa računalom. U tu svrhu koristi se USB priključak prikazan na slici 6.10

oznakom 15. Kako bi ta komunikacija bila uspješna potrebno je imati FT232RL

mikroprocesor.

Svim dijelovima pločice je potrebno i upravljati na neki način. Za to se koristi

ATMEGA2560 mikroprocesor prikazan na slici 6.10 oznakom 18. Mikroprocesor ima 8

bitni prikaz podataka i radnu frekvenciju od 16 MHz što je dovoljno za ovaj projekt.

Slika 6.11 LCD prikaznik

Slikom 6.11 prikazan je LCD prikaznik koji je spojen na tiskanu pločicu prikazanu slikom

6.10, oznaka 22, i koji služi za digitalni prikaz podataka. Zaslon je veličine 20x4, tj. ta

brojka govori koliko simbola se može prikazati. Konkretno, ovaj prikaznik može prikazati

20 simbola u redu, a sveukupno ima 4 reda. Prikaz je podijeljen na tri stupca. U prvom

stupcu imamo podatke o solarnom panelu, tj. naponu, struji i snazi koju trenutno

isporučuje prema tiskanoj pločici. U drugom stupcu imamo podatke o naponu baterije, u

trećem redu je prikaz tlaka unutar zračnice gume, a u četvrtom redu je prikaz željenog

tlaka kojeg namještamo pomoću tipkala koja su prikazana slikom 6.12. Sveukupno imamo

tri tipkala, a to su +, - i OK. Oni su spojeni na digitalne ulaze koji su prikazani na

slici 6.10 brojem 23. Tipkalo + služi za podizanje, a tipkalo - za spuštanje tlaka u

81

intervalima od 0,1 bara. Nakon odabira željenog tlaka pritišće se tipkalo OK i pokreće se

automatsko pumpanje zračnica guma. U slučaju da se radi o Dunlop ventilu kod kojeg se

ne može mjeriti tlak unutar zračnice postoje dvije opcije kako napumpati zračnicu gume.

Jedna je ručno pomoću pištolja s manometrom, a druga je pomoću tipkala + i -.

Istovremenim pritiskanjem oba tipkala šalje se signal elektromagnetskom ventilu za

otvaranje nakon čega počinje pumpanje zračnice. Otpuštanjem jednog ili oba tipkala

dolazi do zatvaranja tipkala.

U trećem stupcu imamo dva bitna podatka. Prvi je PWM koji se koristi za upravljanje

sinkronim istosmjernim pretvaračem. Na slici 6.10 oznakom 6 prikazani su MOSFET-i

istosmjernog sinkronog pretvarača, a na istoj slici oznakom 12 je prikazan upravljački

sklop za MOSFET-e. U ovisnosti o PWM signalu i njegovoj promjeni, mijenja se i faktor

vođenja koji određuje vrijeme rada pojedinog MOSFET-a istosmjernog sinkronog

pretvarača. U donjem dijelu je prikaz pritiska zraka unutar spremnika stlačenog zraka.

Slika 6.12 Tipkala

Senzori tlaka zraka spojeni su na analogne ulaze koji su prikazani na slici 6.10 oznakom 21.

Senzori tlaka zraka na svom izlazu daju analogni signal u rasponu od 4 – 20 mA koji je

pomoću AD pretvornika potrebno prikazati u digitalnom obliku. Prednosti korištenja

strujnih senzora su u tome da nisu osjetljivi na elektromagnetske smetnje kao što je to

problem s naponskim senzorima. Koristi se živa nula, tj. signal za 0 bara je u stvarnosti 4

mA. Prednost korištenja senzora sa živom nulom u odnosu na senzore koji imaju strujni

82

izlaz u rasponu od 0 – 20 mA je u tome što se može detektirati da li je došlo do prekida ili

ne.

Kako bi se izbjegla tlačna sklopka, upravljanje radom kompresorom se radi pomoću

očitanja tlaka koji se dobiva sa senzora tlaka. Ako je očitana vrijednost ispod zadane,

upravljački signal se šalje do MOSFET-a koji je prikazan na slici 6.10 oznakom 10 i dolazi do

paljenja kompresora. Kompresor radi sve dok vrijednost očitanja senzora ne prijeđe

gornju zadanu vrijednost. U ovom konkretnom slučaju, kompresor se pali kada vrijednost

tlaka zraka unutar spremnika stlačenog zraka padne ispod 8 bara, a gasi se kada te

vrijednost prijeđe granicu od 10,5 bara.

Kako bi se automatsko pumpanje ostvarilo, potrebno je na neki način upravljati

elektromagnetskim ventilom koji je spojen na analogni izlaz tiskane pločice prikazan

slikom 6.10 i oznakom 24. Analogni izlazi su naponske razine 24 V koja je i potrebna za rad

elektromagnetskog ventila. Upravljenje radom elektromagnetskog ventila se vrši

istodobnim pritiskom tipkala + i - ili pomoću očitanja senzora tlaka zraka kada se želi

napumpati zračnica gume.

6.7 Automatski način pumpanja zračnice za gume

Kod automatskog načina pumpanja senzor pritiska se nalazi s druge strane crijeva za

pumpanje i nije moguće točno odrediti tlak unutar zračnice preko dinamičkog očitanja

pritiska. Prednost je to što korisnik može podesiti željeni tlak i nakon toga samo čekati da

se zračnica napumpa. Ovakav način pumpanja ima nekoliko nedostataka. Jedan od njih je

već i naveden, a to je nemogućnost očitanja pritiska u stvarnom vremenu. Prilikom

otvaranja elektromagnetskog ventila i puštanja zraka kroz crijevo dolazi do naglog

povišenja tlaka i krivog očitanja pritiska unutar zračnice. Jedini dostupni pritisak je statički

pritisak i njegovo očitanje je korektno prije otvaranja elektromagnetskog ventila. Da bi se

dobilo korektno ponovno očitanje, pumpanje mora prestati i mora se pričekati da se

pritisak stabilizira. Primjer toga prikazan je na slici 6.13.

83

Slika 6.13 Porast dinamičkog tlaka unutar gume

Prema priloženom grafu je vidljivo da se ne možemo pouzdati u očitanje tlaka u stvarnom

vremenu. Ono što je bitno je to da je željeni tlak koji nam je potreban onaj tlak koji

očitamo nakon vremena smirivanja. Kako bi se to postiglo, svi ventili moraju biti zatvoreni

i mora se pričekati da se tlak unutar zračnice, a i samog crijeva koji je spojen na zračnicu i

unutar kojeg je isti tlak kao i unutar zračnice, stabiliziraju.

U svrhu automatskog pumpanja razvijena su dva algoritma. One vrijednosti koje su

prikazane i koje su bitne su:

pritisak tlaka unutar spremnika stlačenog zraka

željeni pritisak koji korisnik namješta

očitanje senzora pritiska unutar zračnice

Spremnik stlačenog zraka ima radno područje od 8 – 10,5 bara. Brzina protoka i tlak na

izlazu iz spremnika su regulirani preko prigušnog ventila kako bi se moglo lakše napumpati

gumu i odrediti tlak unutar gume. To je izrazito bitno zbog toga da se guma ne prepumpa

jer se koristi 2/2 elektromagnetski ventil sa servoupravljanjem kod kojeg nije moguće

ispustiti zrak iz zračnice.

Prvi algoritam koji se koristi je algoritam pomoću kojeg se određeni vremenski period

pušta zrak prema zračnici, zatvara se elektromagnetski ventil i očitava se pritisak tlaka

unutar zračnice. Ako je pritisak unutar zračnice manji od željenog pritiska, zrak se

ponovno pušta iz spremnika u zračnicu. Prednost ovakvog načina upravljanja je taj što se

84

određeno vrijeme pušta zrak prema zračnici i kad je elektromagnetski ventil zatvoren

očitava se vrijednost pritiska unutar zračnice. S obzirom da se tlak unutar zračnice stigne

stabilizirati, očitanje je dovoljno točno da algoritam može odlučiti da li treba zračnicu dalje

pumpati ili ne. Nedostataka ima nekoliko, a jedan od njih je što se koristi funkcija delay

koja zaustavlja izvršavanje programskog koda onoliko dugo koliko funkcija delay traje.

Drugi nedostatak je manjak algoritma i prepoznavanje veličine volumena gume po kojoj bi

algoritam prilagodio vrijeme punjenja gume kako ne bi došlo do prepumpavanja. Dodatna

modifikacija na ovaj algoritam bi bila zamjena 2/2 sa 5/3 elektromagnetskim ventilom koji

ima 5 priključaka i 3 izlaza. Srednji izlaz bi služio kao početni položaj i tada ne bi bilo

pumpanja, a ni ispumpavanja zračnice gume. Pomakom u desni ili lijevi položaj dolazilo bi

do pumpanje, tj. ispumpavanja gume i ovaj algoritam bi to bez brige odrađivao. Jedino bi

još trebalo željenoj vrijednosti pridodati i delta vrijednost kako bi se moglo završiti sa

izvršavanjem algoritma jer očitanje senzora skoro nikad neće biti jednako željenoj

vrijednosti, već će biti usko oko te vrijednosti.

Drugi algoritam koji se koristi je malo izmjenjena verzija prvog algoritma. Korisnik ima isto

korisničko sučelje na kojem može odabirati željeni tlak unutar zračnice. Razlika u odnosu

na prvi algoritam je ta što ovdje ne može doći do prepumpavanja gume. Izbačena je

funkcija delay, a samim time se program može izvršavati cijelo vrijeme bez prekida.

Mjereno je vrijeme koliko je programu potrebno da se izvrši i mjerenja su pokazali da se

glavni dio programa izvršava 8 puta tijekom jedne sekunde. Prema tome je prilagođena

funkcija pumpanja gdje je kao uvjet stavljeno da ako je očitanje senzora pritiska manje od

željenog pritiska da elektromagnetski ventil ostane otvoren 1 sekundu. Ako vrijednost

očitanja senzora pritiska prijeđe željenu vrijednost koju je namjestio korisnik,

elektromagnetski ventil se zatvara i očitava se vrijednost pritiska unutar zračnice.

Mjerenja na testnoj gumi bicikla, koji se koristio i za izradu energetske bilance, pokazuju

da je moguće dobiti vrijednost koja je maksimalno do +0,05 bara veća od željenog

pritiska. Nedostatak ovog algoritma je prikazan slikom 4.6, a vezan je uz dinamički tlak.

Otvaranjem elektromagnetskog ventila, pritisak unutar crijeva za pumpanje se naglo

povećava i dobivamo krivo očitanje. Ako prigušni ventil dovoljno prigušuje tlak zraka, te

razlike nisu toliko velike i samim time je i vrijeme pumpanja gume duže. Kako tlak unutar

zračnice postaje sve veći i približava se željenoj vrijednosti, tako i vrijeme rada

85

elektromagnetskog ventila postaje kraće, ali učestalije. Najveći problem se javlja oko

vrijednosti koja je jako blizu željenoj jer otvaranjem ventila tlak naglo raste, krivo je

očitanje tlaka unutar zračnice sve dok se tlak ne stabilizira i dolazi do velikog broja

otvaranja i zatvaranja elektromagnetskog ventila.

Treći algoritam koji se koristi radi na principu estimacije. Pneumatski sustav je prikazan

pomoću energetske mreže i prikazan je slikom 6.14. Kao što je napisano i prije, probleme

tijekom pumpanja gume nam stvara dinamički tlak jer ne možemo očitavati točne

vrijednosti koje su nam potrebne, tj. tek nakon zatvaranja elektromagnetskog ventila

možemo očitati stvarni tlak unutar zračnice. Nakon što je cijeli sustav prikazan

energetskom mrežom, može se ići u detaljniju razradu algoritma. Naš spremnik stlačenog

zraka možemo prikazati pomoću izvora koji daje energiju, a zračnicu gume kao

kondenzator koji tu energiju prima i puni se do željene vrijednosti. Prigušni ventil, crijevo i

priključak gume možemo prikazati kao otpore, gdje je prigušni ventil promjenjiv jer njime

možemo regullirati strujanje zraka kroz crijevo prema zračnici. Osim toga, imamo i

mjerenje tlaka unutar crijeva zraka i spremnika koji će nam pomoći kod određivanja

estimiranog tlaka unutar zračnice gume.

Slika 6.14 Električna shema pneumatskog sustava

Možemo pisati sljedeću formulu:

P zračnice=Pmjereno−( R crijevo−Rpriključka )∗P spremnik−Pmjereno

Rprigušni

gdje je:

Pspremnik – tlak zraka unutar spremnika

P zračnice - tlak zraka unutar zračnice gume

Pmjereno – tlak koji mjeri senzor tlaka unutar crijeva zraka

86

Rcrijevo - otpor crijeva zraka

Rpriklju č ka - otpor priključka crijeva na ventilu zračnice

Rprigušno - otpor prigušnog ventila

Kako su otpori približno konstantni može se pisati sljedeća relacija:

Pgume=Pmjereno−k(Pspremnik−Pmjereno)

Prednosti ovog algoritma su što nema funkcije delay koja prekida izvršavanje programa za

vrijeme njezinog trajanja. U odnosu na drugi algoritam vrijeme izvršavanja je brže, a i

nema učestalih paljenja i gašenja elektromagnetskog ventila. Najbitnije kod ovog

algoritma je odrediti konstantu k kako bismo dobili odgovarajuću estimiranu vrijednost

tlaka unutar zračnice gume nakon automatskog pumpanja.

6.8 Rezultati mjerenja

Na slici 6.15 prikazan je eksperimentalni model sustava.

Slika 6.15 Prikaz eksperimentalnog sustava

87

Tijekom tlačenja spremnika zraka sa 8,0 na 10,5 bara, mjerili su se struja i vrijeme

potrebno da kompresor stlači spremnik. Na slici 6.16 su prikazani struja kompresora i tlak

u spremniku zraka tokom tlačenja spremnika sa 8,0 na 10,5 bara. Tlak u spremniku se

linearno povećava dok vrijednost struje oscilira. Srednja vrijednost struje i napona te

vrijeme potrebno da se spremnik stlači su prikazani u tablici 6.9.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1005

6

7

8

9

10

11

Tlak spremnika zraka Struja kompresora

Vrijeme [s]

Tlak

[bar

]; St

ruja

[A]

Slika 6.16 Struja kompresora i tlak u spremniku zraka

Tablica 6.6 Podaci o struji i vremenu rada kompresora prilikom tlačenja spremnika sa 8,0 na

10,5 bara

Struja kompresora 7,43 ANapon kompresora 24,52 VVrijeme 98 s

Pri tlaku spremnika od 10,5 počinju se pumpati gume, sve dok tlak spremnika ne padne

ispod 8,0 bara. Guma je oznake ''55-559'', volumen, prema slici 4.1, iznosi 3,8 L. Rezultati

pumpanja su dani u tablici 6.10.

Tablica 6.7 Rezultati pumpanja zračnice

pumpanje promjena tlaka u gumi promjena tlaka u spremniku1. 0 – 2 Bar 0,43 Bar2. 1 – 2 Bar 0,24 Bar3. 1 – 2 Bar 0,23 Bar4. 0 – 2 Bar 0,54 Bar5. 1 – 2 Bar 0,25 Bar6. 0 – 2 Bar 0,55 Bar

88

7. 0 – 2 Bar 0,57 Bar8. 0 – 2 Bar 0,52 Bar9. 0 – 2 Bar 0,60 Bar

10. 1 – 2 Bar 0,28 Bar11. 1 – 2 Bar 0,23 Bar12. 1 – 2 Bar 0,25 Bar13. 1 – 2 Bar 0,26 Bar

Iz tablice je vidljivo da za promjenu od 0 do 2 bara (∆p=2bar), tlak u kompresoru padne za

0,55 bara, dok za promjenu od 1 do 2 bara (∆p=1bar), tlak u kompresoru padne za 0,25

bara.

Na osnovu gore navedenih podataka može se izračunati bilanca snage za stvarni sustav.

Snaga koju uzima kompresor je 180 W, uz dnevnu raspoloživu energiju baterije od 400

Wh kompresor može raditi 2h 13min. Iz toga slijedi:

N tlačenja=2h 13 min

98 s=7980

98≈ 81

nguma¿

Odnosno, ukupan broj zračnica napumpanih za 1 bar iznosi:

nguma, uk=nguma ∙ N tlačenja

nguma, uk=81∙ 9=729

Prema mjerenjima ukupan broj zračnica koji u jednom danu kompresor može napumpati

je 729, ali su mjerenja napravljena za gumu od 3,8 L, množenjem dobivenog broja sa 3,8/5

slijedi da je broj guma od 5L koji kompresor može napumpati jednak 559, što je 24% više

od izračunate vrijednosti u poglavlju 5. Razlika je u tome što je za računanje korišten

volumen gume, dok se kod stvarnog pumpanja pumpa zračnica za bicikl koja ima manji

volumen, a i snaga kompresora je u prvom dijelu uzeta veća od stvarne.

Za potrebe simuliranja fotonaponskog panela korišten je istosmjerni izvor napajanja sa

serijski spojenim otporom od 1,9 Ω. U-I karakteristika izvora je prikazana na slici 6.17.

Prema slici, napon točke maksimalne snage je jednak polovini napona izvora.

89

Slika 6.17 U-I karakteristika izvora

Tokom provedbe mjerenja napon izvora su se mijenjao prema tablici 6.11.

Tablica 6.8 Promjena napona izvora

Vrijeme Napon0 s 20,0 V

30 s 18,5 V58 s 22,0 V93 s 17,5 V

Slika 6.8 prikazuje valni oblik napona baterije i napona na ulaznom pretvaraču. Prema U-I

karakteristici izvora, napon na ulazu pretvarača bi trebao iznositi 10 V, što se postiže

nakon prijelazne pojave. Sa slike je vidljivo da napon na ulazu pretvarača prati napon

izvora.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 1300

5

10

15

20

25

30

Ulazni napon napon baterije

Vrijeme [s]

Nap

on [V

]

Slika 6.18 Valni oblik napona baterije i ulaznog napona pretvarača

90

Promjena faktora vođenja je prikazana na slici 6.19. Uz ulazni napon od 10 V, faktor

vođenja treba iznositi 0,6. Smanjenjem ulaznog napona povećava se faktor vođenja, dok

se povećanjem napona smanjuje.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 1300

10

20

30

40

50

60

70

80

faktor vođenja

Vrijeme [s]

D

Slika 6.19 Valni oblik faktora vođenja

Slika 6. prikazuje promjenu struje izvora i baterije. Promjenom napona izvora, mijenja se i

U-I karakteristika izvora te se zbog serijskog otpora mijenja i struja izvora, povećanjem

napona raste i struja. Smanjenjem napona izvora, pada napon na pretvaraču i napon na

serijskom otporu. Padom napona na serijskom otporu, pada i struja kroz otpor, odnosno

struja na ulazu pretvarača.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 1300

1

2

3

4

5

6

7

8

struja izvora struja baterije

Vrijeme [s]

Stru

ja [A

]

Slika 6.20 Valni oblici struje baterije i izvora

91

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 1300

10

20

30

40

50

60

70

80

snaga

Vrijeme [s]

Snag

a [W

]

Slika 6.21 Valni oblik snage na ulazu pretvarača

Zbog karakteristike U-I krivulje ovakvog izvora, maksimalna snaga predana bateriji

jednaka je polovini snage izvora, jer je najveća površina pravokutnika upisanog u

pravokutan trokut jednak polovici površine trokuta.

92

Zaključak

Zbog snage fotonaponskog panela, djelotvornosti i jednostavnosti sustava odabran je

kompresor sa istosmjernim motorom. Odabirom spremnika zraka povećana je

autonomnost sustava, ali i smanjeno udarno opterećenje kompresora.

Za potrebe ovakvog sustava izrađena je tiskana pločica koja sadrži uzlazni pretvarač i

upravljačku jedinicu baziranu na otvorenoj računarskoj i hardverskoj platformi Arduino.

Prikazani su i opisani i ostali dijelovi osim kompresora i spremnika stlačenog zraka koji su

potrebni za izradu stanice za automatsko pumpanje zračnica gume. Pomoću dva senzora

tlaka očitava se pritisak unutar spremnika stlačenog tlaka i zračnice gume. U odnosu na

očitanja sa senzora i željenog tlaka zraka unutar zračnice gume otvara se i zatvara

elektromagnetski ventil koji propušta zrak prema zračnici gume. Rađena su testiranja na

tri algoritma za pumpanje. Prvi algoritam se pokazao nepreciznim jer u određenom

vremenskom periodu koji je fiksno zadan pumpa zračnicu gume, zatvara elektromagnetski

ventil i nakon smirivanja tlaka očitava vrijednost statičkog tlaka. U slučaju prepumpavanja

zračnice gume ne postoji mogućnost ispumpavanja jer se koristi 2/2 elektromagnetski

ventil, a ispumpavanje bi bilo moguće u slučaju da se koristi 5/3 elektromagnetski ventil.

Drugi algoritam očitava dinamički tlak i na temelju očitanja otvara i zatvara

elektromagnetski ventil. Ovisan je o zatvorenosti prigušnog ventila koji određuje tlak

unutar sustava za pumpanje i kada su očitanja blizu željene vrijednosti imamo učestalo

paljenje i gašenje elektromagnetskog ventila. Treći algoritam se temelji na estimaciji tlaka.

Algoritam pumpanja je dovoljno brz, a preciznost je unutar 0,1 bar. Glavna mana ovog

algoritma je precizno određivanje konstante k jer ovisi o zatvorenosti prigušnog ventila,

otporu crijeva, kao i samom otporu priključka na ventil zračnice.

Izrađena je i energetska bilanca cijelog sustava koja pokazuje koliko bi se moglo

napumpati zračnica gume tijekom jednog sunčanog dana, a i izrađena su mjerenja koja

pokazuju da pretvarač sa MPPT algoritmom prati promjenu napona na izvoru koje je

imitiralo fotonaponski panel. Mjerenja u realnim uvjetima su pokazala brz odziv algoritma

na promjene koje se događaju kao što je zasjenje panela i slično.

93

Literatura

[1] http://sindikatbiciklista.hr/razvoj-cikloturizma-u-hrvatskoj/

[2] http://www.zagreb.hr/UserDocsImages/Biciklisticka%20karta%20Zagreba.pdf

[3] http://www.bikefixtation.com/

[4] http://www.durhamgeo.com/pdf/Rem-pdf/manuals/

SolarNAPL_Manual_Nov_2010.pdf

[5] http://www.burnscontrols.com/v/vspfiles/assets/images/Solar%20Powered

%20Air%20Compressor%20System%20Bulletin%202015%20April%20Rev

%20A-web.pdf

[6] Bilić, Z. Napajanje udaljenog stambenog objekta pomoću energije vjetra i

sunčevog zračenja, diplomski rad, Elektrotehnički fakultet Osijek, Osijek, 2006.

[7] Betti, T. Testiranje fotonaponskih modula u realnim uvjetima, magistarski rad,

Fakultet elektrotehnike, računarstva i brodogradnje Split, Split, 2005.

[8] Photovoltaics Report, Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, 2014.

[9] Kokot, M. Emulator rada fotonaponskog panela i neizraziti regulator za

praćenje točke maksimalne snage na njegovim strujno-naponskim

karakteristikama, diplomski rad, Fakultet elektrotehnike i računarstva Zagreb,

Zagreb, 2011.

[10] Gilbert M. Masters, Renewable and Efficient Electric Power Systems, John

Wiley& Sons, INC., New Jersey, 2004.

[11] http://marjan.fesb.hr/~itolj/mjerenja/Kompresori%2027.09.2010..doc

[12] Duffie J., Beckman W., SolarEngineeringofThermalProcesses, FourthEdition,

Solar Energy Laboratory, UniversityofWisconsin-Madison, 2013., str. 402-

404

[13] https://en.wikipedia.org/wiki/Pressure_vessel.

[14] http://www.unidu.hr/datoteke/majelic/ABP-5.pdf

[15] https://www.fer.unizg.hr/_download/repository/PREDAVANJE-3w.pdf

[16] https://hr.wikipedia.org/wiki/Sigurnosni_ventil

[17] Jäger K., Olindo I., H.M. Smets A., van Swaaij R., Zeman M., Solar Energy,

Fundamentals ,Technlogyand Systems, 2014., str. 104

94

[18] http://www.infineon.com/cms/de/product/power/power-mosfet/20v-650v-

automotive-mosfet/20v-40v-n-channel-automotive-mosfet/IPD100N04S4-

02/productType.html?

productType=db3a304420896b4a0120aca80031241e#ispnTab7

[19] http://www.infineon.com/cms/de/product/power/power-mosfet/20v-650v-

automotive-mosfet/20v-40v-n-channel-automotive-mosfet/IPD100N04S4-

02/productType.html?

productType=db3a304420896b4a0120aca80031241e#ispnTab7

[20] Šitum, Željko, Regulacija hidrauličkih i pneumatskih sustava, autorizirana

predavanja

[21] Hauke B., Basic Calculation of a BoostConverter's Power Stage, Texas

Instruments, 2014.

[22] Zrakić, Bono, Istosmjerni pretvarač servisne stanice za bicikle, diplomski rad,

Fakultet elektrotehnike i računarstva Zagreb, Zagreb, 2016.

[23] http://www.burnscontrols.com/v/vspfiles/assets/images/Solar%20Powered

%20Air%20Compressor%20System%20Bulletin%202015%20April%20Rev

%20A-web.pdf

[24] http://www.srednja.hr/Novosti/Hrvatska/U-tri-i-pol-mjeseca-150-tisuca-

bicikala-proslo-Zagrebom

95

SUSTAV POHRANE KOMPRIMIRANOG ZRAKA I ZADAVANJA TLAKA U

SERVISNOJ STANICI ZA BICIKL

Sažetak

U novije vrijeme sve više raste ekološka osvještenost kod ljudi. Iz tog razloga, a i zbog sve

većih gužvi u velikim gradovima se koriste načini prijevoza koji nisu štetni za okoliš. Jedan

od takvih načina je i putovanje biciklom i zbog toga se krenulo u izradu servisne stanice za

bicikle.

U radu su predstavljena postojeća rješenja servisnih stanica za bicikle. Prikazana su idejna

rješenja, odnosno moguće strukture stanice. Treća cjelina se bavi teorijskim dijelom

osnovnih elemenata stanice, a to su: fotonaponski modul, kompresor, spremnik zraka,

akumulatorska baterija, uzlazni pretvarač, elektromagnetski ventil, senzor pritiska i

sigurnosni ventil. U četvrtoj cjelici prikazane su veličine gume i oblici ventila bicikala.

Nakon toga napravljena je energetska bilanca sustava. U zadnjem poglavlju je opisan

eksperimentalni model. Korišteni su komercijalni fotonaponski panel, kompresor,

spremnik, senzori tlaka i baterija, dok je tiskana pločica projektirana pomoću programa

Eagle i u konačnici izrađena. Pločica sadrži pretvarač i mikroprocesor za upravljanje

sustavom. Izrađen je i algoritam za automatsko pumpanje zračnica gume. Na kraju su

napravljena mjerenja na samom sustavu.

96

THE SYSTEM OF COMPRESSED AIR STORAGE AND SETTING THE AIR

PRESSURE IN THE BICYCLE SERVICE STATION

Summary

In recent time it is growing environmental awareness at people. For this reason and

because of traffic jams in big cities, more and more people uses modes of transportation

that is environmentally friendly. One of them is the way to travel by bicycle and because

of that we started to make the prototype of service station for bikes.

This paper describes the existing solutions for the service station after which conceptual

designs are shown. Third part is about theory of primary elements of station, that is:

photovoltaic module, compressor, pressure vessel, battery, boost converter,

electromagnetic valve, pressure sensor and safety valve. In the fourth part bike tires and

valves are being described. After that is made balance of power based on information

about final system. In the last part experimental model is described. Commercial PV

panel, compressor, pressure vessel, pressure sensor and battery are used and PCB is

designed with Eagle software. PCB contains converter and microprocessor for system

control. Also, there was made the algorithm for automatic tire pumping. Lastly,

measurement on real model is made.

97