Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Design and implementation of an off-grid power supply using photovoltaic panels

Michał Karpiński

Abstract

This work show how to build a residential solar power system, used to power small electric appliances with a nominal voltage of 230V, along with heating of residential water. The main components of the system are solar panels, controller, batteries, uninterruptible power supply (UPS) and resistive water heater. This work briefly describes the principle of solar panel operation, types of systems using solar panels and the methods for the maximum power point tracking of solar panel. Electrical system schematics are shown along with system components and their functions. This work describes in details design and implementation process of a power controller based on Arduino platform. All the important elements are described of the given controller, its division into modules along with their tasks, and communication. Problems and roadblocks that occurred during this project will also be presented. Principles of algorithms and their operations within the system are briefly described. The electricity produced in solar cells flows directly into the controller, which it then delivers power to individual system components. The battery is charged throughout this process. In parallel, power is delivered by means of UPS to electrical devices plugged into the system. Excess energy is directed to the water heater. To increase output power of the solar panel system, the controller is programed with maximum power point tracking algorithm (MPPT). A microcontroller monitors and controls the system through programed software. The microcontroller is tasked with monitoring battery parameters during charging and discharging, implementation of the MPPT algorithm, logging of system operating parameters on SD card, displaying selected information on LCD monitor, and control of the amount of energy delivered to the water heater. To build the system, the following commonly available components were used: an uninterruptible power supply, gel batteries, inductors, and custom built components such as steel frame for solar panel mounting allowing the panels to be rotated. All aspects of this project, from concept to operating device, are the sole works of the author. This includes such details as definition of principles of operation, electrical diagrams, physical structure, and the controller with it is operating software.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Michał Karpiński (FPAE) Michał Karpiński,, Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Title in Polish
Projekt i budowa wyspowego układu zasilania wykorzystującego panele fotowoltaiczne
Supervisor
Krzysztof Rafał (FPAE/IHE) Krzysztof Rafał,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Certifying unit
Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Affiliation unit
The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)
Study subject / specialization
, Energetyka (Power Engineering)
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
12-02-2016
Issue date (year)
2016
Pages
60
Internal identifier
MEL; PD-3497
Reviewers
Krzysztof Rafał (FPAE/IHE) Krzysztof Rafał,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE) Tadeusz Skoczkowski (FPAE/IHE) Tadeusz Skoczkowski,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Keywords in Polish
sterownik MPPT, panele fotowoltaiczne, off-grid
Keywords in English
MPPT controller, photovoltaic panels, off-grid
Abstract in Polish
Poniższa praca przedstawia projekt budowy domowej instalacji fotowoltaicznej, służącej do zasilania niewielkich odbiorników elektrycznych o napięciu pracy 230 V oraz podgrzewu ciepłej wody użytkowej. Głównymi elementami systemu są panele fotowoltaiczne, sterownik, bateria akumulatorów, zasilacz UPS oraz grzałka wody. W ramach niniejszej pracy został wykonany sterownik zarządzający przepływem mocy w instalacji złożony z przekształtników energoelektronicznych oraz mikroprocesorowego układu sterowania. W pracy pokrótce opisano zasadę działania ogniw fotowoltaicznych, rodzaje systemów wykorzystujących panele fotowoltaiczne i metody śledzenia punktu mocy maksymalnej paneli. Przedstawiono schemat elektryczny systemu wraz z elementami wchodzącymi w jego skład oraz pełnionymi funkcjami. Opisano szczegółowo proces projektowania, wykonania oraz testy sterownika opartego na popularnej platformie mikrokontrolera Arduino. Omówiono wszystkie ważne elementy wykonanego sterownika, jego podział na moduły, ich zadania, wzajemną komunikację oraz problemy, które wystąpiły podczas wszystkich etapów prac. Przybliżono zasadę działania użytych algorytmów i ich fizyczne odzwierciedlenie w układzie. Energia elektryczna wytworzona w ogniwach słonecznych trafia bezpośrednio do sterownika, który rozdziela ją na poszczególne elementy systemu. Kierowana jest do baterii akumulatorów, ładując ją. Równolegle poprzez zasilacz UPS przesyłana jest do pracujących w domu urządzeń elektrycznych. Nadmiar energii kierowany jest do grzałki elektrycznej zainstalowanej w bojlerze z ciepła wodą użytkową. Aby zwiększyć ilość produkowanej przez panele energii elektrycznej, sterownik wyposażony jest w algorytm śledzenia punktu mocy maksymalnej paneli (MPPT). Sercem układu jest programowalny mikrokontroler, który w oparciu o zaprojektowany algorytm steruje całym systemem. Zadania jakie realizuje to między innymi: monitorowanie parametrów baterii akumulatorów w czasie procesu ładowania i rozładowania, realizacja algorytmu MPPT, zapis parametrów pracy układu na karcie SD, wyświetlanie wybranych informacji na wyświetlaczu LCD oraz sterownie ilością energii dostarczanej do grzałki. Do budowy całego systemu użyte zostały powszechnie dostępne urządzenia, jak np. zasilacz UPS czy akumulatory żelowe oraz elementy, które zostały wykonane samodzielnie i jest to np. konstrukcja stalowa umożliwiająca obracanie paneli, a także cewki użyte w sterowniku. Począwszy od koncepcji i założeń przez narysowane schematy, oprogramowanie i fizyczną budowę, aż po gotowe i działające urządzenie, sterownik jest autorskim dziełem twórcy pracy.
File
  • File: 1
    Michał_Karpiński_252287.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 9062

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUT9741bf03966f42aa99f8b9c2a3471b73/
URN
urn:pw-repo:WUT9741bf03966f42aa99f8b9c2a3471b73

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page