ایستگاه شارژ مبتنی بر انرژی خورشیدی برای وسایل نقلیه الکتریکی

چکیده

در سال‌های اخیر، نیاز به پژوهش‌های عمیق‌تر در حوزه انرژی‌های تجدیدپذیر، راه را برای اجرای پروژه‌های دانشجویی متعددی در دانشگاه هموار کرده است. در این راستا، گروهی از دانشجویان خارجی نیز در قالب یک موضوع فنی نوآورانه تشکیل شده‌اند. این موضوع به طراحی یک ایستگاه شارژ مبتنی بر انرژی خورشیدی برای وسایل نقلیه الکتریکی مربوط می‌شود. هدف اصلی این دستگاه، شارژ یک باتری ایستاده از طریق پنل‌های خورشیدی با استفاده از یک کنترلر شارژ کلاسیک است. این فرآیند توسط یک مبدل که به وسیله یک میکروکنترلر PIC تنظیم شده، انجام می‌شود و به‌طور خاص برای این کاربرد توسعه یافته است. تبادل داده‌ها میان ایستگاه، وسیله نقلیه و سیستم‌های نظارتی از طریق یک شبکه با بهره‌گیری از ماژول‌های زیگبی صورت می‌پذیرد. نتایج اولیه این پروژه در ادامه به تفصیل بیان خواهد شد.

مقدمه

طی چند سال اخیر، آموزش و پژوهش در زمینه انرژی‌های تجدیدپذیر به سرعت جای خود را در برنامه‌های تحصیلی مهندسی برق تثبیت کرده است. این موضوع جذاب، موجب راه‌اندازی چندین پروژه در مؤسسه دانشگاهی فناوری (I.U.T) شده است. این دانشکده مهندسی در منطقه شمالی فرانسه واقع شده و به دانشگاه آرتوا (University of Artois) وابسته است. حدود یک هزار دانشجو در شش بخش فنی و علمی مرتبط به تحصیل پرداخته‌اند.

این مقاله به بررسی چند پروژه انجام شده در دپارتمان مهندسی برق I.U.T اختصاص دارد. در سال دوم دوره کارشناسی، دانشجویان قادرند یکی از تخصص‌های زیر را انتخاب کنند: خودکارسازی و سیستم‌ها یا مهندسی برق و انرژی‌های تجدیدپذیر. هر یک از این تخصص‌ها شامل تعداد مشخصی از ساعت‌های آموزشی است و به تدریج، ساعت‌های بیشتری به ماژول‌های مرتبط با تخصص انتخابی اختصاص می‌یابد. به‌علاوه، یک ماژول مربوط به انرژی‌های تجدیدپذیر در برنامه تحصیلی گنجانده شده که هدف آن اخذ دیپلم دانشگاهی فناوری (D.U.T) در مهندسی برق در سطح L2 است.

در I.U.T، آموزش عملی نقش بسیار مهمی ایفا می‌کند و تقریبا نیمی از کل ساعت‌های آموزشی به تمرین‌های آزمایشگاهی اختصاص یافته است. دپارتمان مهندسی برق چندین آزمایشگاه آموزشی مجهز به آخرین تجهیزات را در اختیار دارد. این آزمایشگاه‌ها با سیستم‌های الکتریکی واقعی تجهیز شده‌اند که پروژه‌ها و سیستم‌های طراحی شده در آنها به آزمایش گذاشته می‌شود. آموزش مبتنی بر پروژه، اولویت اصلی محسوب می‌شود و تأکید ویژه‌ای بر آن وجود دارد.

همکاری‌های بین‌المللی

مؤسسه I.U.T از سال ۲۰۰۶ به‌طور فعال در زمینه همکاری‌های بین‌المللی در حوزه انرژی‌های تجدیدپذیر فعالیت کرده است. گروهی از استادان دعوت‌شده که در مه ۲۰۰۶ در بَتوَن حضور داشتند، تصمیم به راه‌اندازی یک همکاری بین‌المللی در این عرصه گرفتند. هدف اصلی این همکاری، اجرای پروژه‌های مناسب از طریق ثبت‌نام دانشجویان (مانند کارآموزی‌ها یا دوره‌های کوتاه‌مدت) و جمع‌آوری نتایج علمی ناشی از پژوهش‌های انجام‌شده همانا است. این پروژه به‌گونه‌ای ساماندهی شده تا تمامی موارد لازم برای موفقیت دانشجویان تأمین گردد.

پروژه‌ای که در این مقاله به آن پرداخته می‌شود، عمدتاً توسط دانشجویانی که به دوره تبادل بین‌المللی در I.U.T بَتوَن رفته‌اند، به انجام رسیده است. این تبادل‌ها در راستای همکاری‌های بین‌المللی در زمینه انرژی‌های تجدیدپذیر صورت گرفته و نظارت بر پروژه نیز به‌عهده نویسندگان این مقاله بوده است.

تعاملات و توسعه پروژه

شرکت‌کنندگان از طریق اینترنت به‌صورت دورکاری با یکدیگر در ارتباط خواهند بود و پروژه‌ها به‌صورت مشترک اجرا می‌شوند. برای تسهیل تبادل اطلاعات، از ابزارهای مدرن مانند فروم‌های اینترنتی استفاده خواهد شد. این همکاری تحت عنوان اختصاری I.C.E.E. (همکاری بین‌المللی در آموزش مهندسی) شناخته می‌شود. هر مؤسسه شرکت‌کننده ضرورت دارد یک پروژه مشترک را در موضوعی خاص و تحت نظارت یک معلم یا محقق محلی انجام دهد [۳ – ۴].

سیستم قدرت

یکی از کاربردهای فنی بالقوه در این پروژه، طراحی یک سیستم قدرت به‌منظور تقسیم به چند زیرسیستم است. این سیستم به عنوان واحدی برای تولید و مدیریت انرژی کشاورزی کار خواهد کرد که از انواع مختلف انرژی‌های تجدیدپذیر بهره می‌برد. در شکل ۱ نمای کلی از این سیستم مورد بررسی نمایش داده شده است.

در راستای توسعه پایدار، روش‌های متنوعی برای تولید و ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی وجود دارد؛ از جمله پنل‌های فتوولتائیک، توربین‌های بادی و توربین‌های هیدرولیکی. بارهای انرژی نیز بخشی از این سیستم قدرت در نظر گرفته می‌شوند. سیستم پمپاژ آب به‌طور خودکار به‌عنوان جزئی از سیستم مدیریت انرژی عمل می‌کند. انرژی‌ استفاده‌نشده در یک سیستم ذخیره‌سازی باتری جمع‌آوری شده و پس از فراهم شدن اتصال لازم به سیستم توزیع برق، به فروش خواهد رسید.

شکل ۱. نمای کلی از سیستم تولید و مدیریت برق یک واحد کشاورزی

شکل ۲. اصل ایستگاه شارژ

این سیستم پیشنهادی کاملاً باز است و می‌تواند بر حسب نیازهای شرکا به راحتی تغییر یابد. به عنوان مثال، یکی از شرکا ایده‌ای برای ساخت ایستگاه هواشناسی با سیستم انتقال داده‌های مبتنی بر فرکانس رادیویی ارائه کرده است. تا به امروز، شش موسسه در این همکاری مشارکت کرده‌اند. هماهنگ‌کنندگان این مؤسسات به شرح زیر هستند:

• L’I.U.T de Béthune، دانشگاه آرتو، فرانسه، دکتر پاتریک فاویر
• دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، کالج آلتونا، ایالات متحده، پروفسور سوحیل انور
• دانشکده کاندو کالمَن، بوداپست، مجارستان، دکتر لورانت ناگی
• D.I.T.، دابلین، ایرلند، پل توبین، دکتر جان مک گوری
• W.U.T.، ورشو، لهستان، پروفسور دزیره راسولومامپیونا
• دانشگاه کلاژ ناپوکا، کلاژ، رومانی، پروفسور ویرجییل مایر

هر شریک باید یک زیرسیستم خاص را برای کار انتخاب کرده و موضوعی را برای بررسی گروهی از دانشجویان در آزمایشگاه یا واحد تحقیقاتی خود پیشنهاد دهد. تقسیم وظایف بین شرکا به سادگی انجام شد و همه ابعاد کاربرد جهانی مورد بحث و بررسی قرار گرفت. به‌عنوان مثال، Béthune مسئول نصب فتوولتائیک، آلتونا مسئول سیستم پمپاژ، بوداپست مسئول کنترل ذخیره‌سازی باتری و دابلین مسئول ایستگاه هواشناسی بود. همچنین، ورشو بر روی یک سیستم هیبریدی با پنل‌های فتوولتائیک و سلول سوخت کار کرده و کلاژ نیز در زمینه انتخاب و اتوماسیون نصب فتوولتائیک فعالیت کرده است.

اجرای پروژه‌ها با توجه به تقویم دانشگاهی، نیازها و در دسترس بودن پرسنل هر دانشگاه در دوره‌های مختلف انجام شد. وظایف مختلف از طریق تمرینات عملی صورت گرفت و در دوره‌های آموزشی، پروژه‌ها تحت نظر متخصصان و در خارج از کشور برگزار شد. پاتریک فاویر وب‌سایت ویژه‌ای [۵] طراحی کرد تا اطلاعات پیشرفت‌های انجام‌شده به کل جامعه عرضه شود. این وب‌سایت اولیه در دانشگاه آرتو میزبانی شده و یک نسخه پشتیبان نیز در دانشگاه فناوری ورشو، موسسه سیستم‌های قدرت الکتریکی وجود دارد [۶]. این سایت شامل اطلاعات مربوط به شراکت بین‌المللی، جزئیات فنی و امکانات انتشار گزارش‌های پروژه دانشجویان است. این جنبه برای دانشجویان بسیار ارزشمند است چراکه نشان‌دهنده تعهد و قابلیت‌های شخصی آنها در پروژه می‌باشد. آنها به نشان دادن توانمندی‌های واقعی خود افتخار می‌کنند.

سازماندهی و نحوه اجرای پروژه

سازماندهی و نحوه اجرای پروژه در جلسه پاییزی با شرکای بین‌المللی که در Béthune در سال ۲۰۰۸ برگزار شد، مشخص گردید. در این جلسه تصمیم بر ادامه پروژه‌ها در سال تحصیلی ۲۰۰۸/۲۰۰۹ گرفته شد و موضوع اصلی انرژی‌های تجدیدپذیر همانند قبل باقی ماند. همکاری با شرکای جدید توسعه یافته و جستجو برای ارتباط گروه‌های دانشجویی با یکدیگر ادامه دارد. در اکتبر ۲۰۰۸، یک جلسه سالانه از تمام شرکای بین‌المللی در Béthune برگزار شد؛ در این رویداد، همکاری‌ها معرفی شدند و کارگاهی در زمینه مهندسی برق جهت تشویق سایر شرکای احتمالی به شرکت در همکاری تشکیل گردید.

در طول سال تحصیلی، تمامی شرکا پروژه‌های جدید را شروع کرده یا پروژه‌های در حال اجرا را ادامه دادند. برای تسهیل تبادل اطلاعات میان دانشجویان، یک فروم اینترنتی راه‌اندازی شده است که دانشجویان از کشورهای مختلف در آن ثبت‌نام کرده‌اند.

پروژه فنی و پیشرفت آن

نمودار عملکرد ایستگاه شارژ مبتنی بر انرژی خورشیدی به‌منظور شارژ وسایل نقلیه الکتریکی نمایش داده شده است. این ایستگاه به مجموعه‌ای از پنل‌های خورشیدی مجهز است که باتری‌های ۲۴ ولتی ویژه‌ای به نام باتری‌های ایستگاه را شارژ می‌کند. عملیات شارژ باتری‌ها از طریق یک کنترلر شارژر خورشیدی کلاسیک انجام می‌شود. مبدل BOOST تقویت‌کننده، که تحت کنترل یک میکروکنترلر PIC قرار دارد، به‌عنوان جزء اصلی سیستم عمل می‌کند. این مبدل دو وظیفه دارد: نخست تنظیم جریان و دیگری اندازه‌گیری مقادیر مختلف. پس از آن میکروکنترلر داده‌های اندازه‌گیری شده را به یک ماژول ZigBee ارسال می‌کند که این اطلاعات را به باتری‌های وسایل نقلیه که ولتاژ آنها ۴۸ ولت است منتقل می‌نماید.

این پروژه

این پروژه با طراحی و ساخت یک گوکارت الکتریکی آغاز شده است که منبع تغذیه آن با ولتاژ ۴۸ ولت کار می‌کند. مدارهای الکترونیکی این پروژه در سال ۲۰۰۶ توسط دانشجویان سال دوم دانشگاه صنعتی (I.U.T) طراحی و ساخته شدند. هرچند طراحی این گوکارت هیچ ارتباطی با فعالیت‌های کشاورزی که پیش از این ذکر شد ندارد، اما وسیله نقلیه الکتریکی تولید شده به منظور تحقق شارژر و ماژول ارتباطی ZigBee میان ایستگاه شارژ، وسیله نقلیه الکتریکی و شبکه LAN مورد استفاده قرار گرفته است.

مبدل خروجی

پیاده‌سازی ایستگاه شارژ مبتنی بر انرژی خورشیدی از سال ۲۰۰۸ آغاز شد و این متن بررسی امکان‌سنجی مبدل را که در شکل ۲ نشان داده شده است، ارائه می‌دهد. این مطالعه و توسعه یک نمونه اولیه توسط دو دانشجوی سال دوم در رشته مهندسی برق – با تخصص در مهندسی برق و انرژی‌های تجدیدپذیر – انجام شد. پروژه با طراحی یک مدل مبدل که در کنترل جریان حلقه باز کار می‌کند، در سال ۲۰۰۹ به اتمام رسید.

یکی از دانشجویان دانشگاه ریزیتا در رومانی، به مدت ۳ ماه دوره کارآموزی خود را تحت برنامه تحرک اراسموس سپری کرده و در حال اتمام دوره کارشناسی خود در سال ۲۰۱۰ بود. او بر روی طراحی و پیاده‌سازی مدار الکترونیکی کنترل IGBT، و همچنین یک برد برای اندازه‌گیری مقادیر آنی و میانگین جریان و ولتاژ شارژ فعالیت داشت. در صورتی که مقادیر از آستانه تعریف شده تجاوز کند، سنسورهای اثر هال فعال می‌شوند و ایزولاسیون گالوانیک بین واحد کنترل و واحد قدرت برقرار می‌گردد. پس از اجرای بردهای مورد بحث، می‌توان به سیم‌کشی کنترل الکترونیکی و حفاظتی نیز توجه کرد.

بعد از آن، یک دانشجوی لهستانی از دانشگاه فناوری ورشو، در فوریه ۲۰۰۹ کار بر روی پروژه را ادامه داد. او مسئول طراحی و پیاده‌سازی ماژول‌های ارتباطی ZigBee برای تبادل داده‌ها و همچنین ایستگاه نظارتی از طریق خدمات وب بوده است. به علاوه، او بخش تله‌متری را نیز پیاده‌سازی کرد که در بخش بعدی با جزئیات بیشتری مورد بحث قرار خواهد گرفت.

از نیمه آوریل تا نیمه ژوئن، دو دانشجوی مراکشی به تیم پیوستند تا دوره کارشناسی خود را در رشته الکترونیک و علوم کامپیوتر تکمیل کنند. یکی از آن‌ها مسئول برنامه‌نویسی میکروکنترلر برای ایستگاه شارژ، کنترل باتری وسیله نقلیه و تبادل اطلاعات با محیط خارجی بود. دانشجوی دوم به بهبود بهره‌وری انرژی مبدل پرداخته و مسئول تحلیل مقایسه‌ای نتایج شبیه‌سازی و تجربی است. او همچنین بر روی نرم‌افزاری که عملیات شروع/توقف سیستم و کنترل دما را مدیریت می‌کند، کار می‌کند.

این آزمایشات در ابتدا فرصت تأیید امکان‌سنجی چنین شارژری را فراهم می‌آورد. جزئیات بیشتری با ثبت‌های تجربی از [۷] موجود است. در واقع، مشاهده می‌شود که کارایی نسبتاً خوب و حدود ۸۳٪ است، اما با افزایش قدرت، کارایی کاهش می‌یابد. این نتیجه تا حدودی منطقی به نظر می‌رسد، زیرا اتلافات عمدتاً ناشی از اثر ژول هستند. احتمالاً با طراحی بهتری از اجزای شارژر، این کارایی قابل بهبود خواهد بود.

این مطالعه تجربی نشان می‌دهد که شارژ آهسته با نرخ جریان پایین به منظور افزایش طول عمر باتری توصیه می‌شود. با این حال، این امکان را برای انجام شارژ سریع (با نرخ‌های جریان بالا) فراهم می‌آورد که در مواقع ضروری جهت بازیابی فوری وسیله نقلیه الکتریکی بسیار حائز اهمیت است.

رگولاتور بار ورودی

ایستگاه به طور مستقل از شبکه برق کار می‌کند و باتری‌ها از طریق پنل‌های فتوولتائیک (PV) شارژ می‌شوند. انتقال انرژی تحت کنترل رگولاتور بار انجام می‌گیرد. عملکرد اصلی این دستگاه الکترونیکی، جلوگیری از شارژ بیش از حد باتری‌های ایستگاه است. شکل ۳ ساختار رگولاتور بار ما را نمایان می‌کند.

شکل ۳. ساختار رگولاتور بار

یک میکروکنترلر PIC (μC) (16F877) واحد دیجیتال برای کنترل یک ترانزیستور MOS قدرت است. ولتاژ باتری‌ها (Vbat) اندازه‌گیری و به سطح ۰,+۵ ولت ورودی آنالوگ μC تطبیق می‌شود. این میکروکنترلر Vbat را با ولتاژهای آستانه برنامه‌ریزی شده مقایسه می‌کند.

ولتاژ اسمی باتری‌های ایستگاه ۲۴ ولت است. هنگامی که Vbat زیر ۲۶.۶ ولت باشد، به معنای این است که باتری‌ها به درستی شارژ نشده‌اند؛ در این حالت، μC ترانزیستور را قفل می‌کند و جریان از پنل‌های فتوولتائیک به باتری‌ها برای شارژ برقرار می‌شود. دوایر مدار مجتمع مخصوصی برای راه‌اندازی گیت ترانزیستور MOS طراحی شده است. این مدار TLP250 سیگنال دیجیتال ۰+۵ ولت خروجی μC را به ولتاژ گیت ۰+۱۵ ولت VGS تبدیل می‌کند. یک دیود به این سیستم اضافه شده که اجازه می‌دهد انرژی از پنل‌های فتوولتائیک به باتری‌ها منتقل شود و از هدایت معکوس در صورت عدم تابش نور بر روی پنل‌ها جلوگیری می‌کند.

زمانی که باتری‌ها تقریباً شارژ شده‌اند، ولتاژ Vbat به ۲۶.۶ ولت افزایش می‌یابد. پس از این آستانه، ترانزیستور به صورت دوره‌ای روشن می‌شود تا جریان متوسط به باتری‌ها کاهش یابد. هنگامیکه ترانزیستور در حال هدایت است، جریان PV از طریق آن به مدار شنت منتقل می‌شود. این عملکرد سوئیچینگ به تدریج شارژ را به پایان می‌رساند. هنگامی که ولتاژ Vbat به ۲۸ ولت افزایش می‌یابد، باتری‌ها به طور کامل شارژ می‌شوند و μC ترانزیستور را به طور مداوم روشن نگه می‌دارد تا از توقف جریان در باتری‌ها اطمینان حاصل شود. نمایشگری LCD اطلاعاتی مانند ولتاژ باتری، وضعیت کار و غیره را در اختیار کاربر قرار می‌دهد.

برای آزمایش نمونه اولیه، ما از شش پنل فتوولتائیک نوع FEE ۱۴-۱۲ از کارخانه Free Energy استفاده کردیم. ویژگی‌های یک پنل به شرح زیر است: توان خروجی 12Wp، ۰.75A در 16V، سیلیکون آمورف. این پنل‌ها به دو گروه در سری متصل شده و هر گروه شامل سه پنل در حالت موازی است. این ژنراتور PV قادر است 72Wp، ۲.25A در 32V تحت شرایط استاندارد ارائه دهد. باتری‌های ایستگاه شامل دو باتری اسید-سرب ۱۲ ولت، 55Ah هر یک هستند که به صورت سری متصل شده و یک باتری ۲۴ ولت، 55Ah را شکل می‌دهند. مدت زمان شارژ بسته به شرایط تابش خورشید، مکان، جهت نصب پنل‌ها، دوره زمانی سال و شرایط جوی متغیر است.

مدت شارژ

مدت زمان شارژ به دلیل قدرت پایینی که ژنراتور فتوولتائیک (PV) ما دارد، نسبتاً طولانی است. برای دستیابی به شارژ کامل، به چندین روز زمان نیاز داریم. در حال حاضر تنها شش پنل فتوولتائیک را متصل کرده‌ایم که این موضوع فقط برای تست پروتوتایپ ما می‌باشد.

برای کوتاه‌تر کردن مدت زمان شارژ، امکان افزایش قدرت سیستم وجود دارد. حداکثر قدرت میدانی که مجاز به اتصال آن هستیم، بستگی به نیمه‌هادی‌های رگولاتور الکترونیکی دارد. ترانزیستور مورد استفاده، از نوع MOS قدرت STE53NA50 است که قادر به تحمل حداکثر جریان مداوم ۵۳ آمپر (A) می‌باشد. همچنین دیود قدرت BYT30 با حداکثر جریان مستقیم ۳۰ آمپر (A) نیز به کار گرفته شده است. با جایگذاری یک باتری بزرگتر در ایستگاه، می‌توانیم انرژی بیشتری را ذخیره کنیم.

رگولاتور شارژ

این رگولاتور توسط دو دانشجوی فرانسوی در سال تحصیلی ۲۰۰۹-۲۰۱۰ طراحی و پیاده‌سازی شده است. آنان در طول سال دوم دوره‌ تخصصی I.U.T در زمینه الکتروانرژی و انرژی‌های تجدیدپذیر، بر روی این پروژه کار کردند. نتایج نهایی این تلاش‌ها در شکل زیر به نمایش درآمده است (شکل ۴). در این شکل، قسمت قدرت در بالای تصویر قابل مشاهده است؛ ترمینال‌های سمت چپ به پنل‌های فتوولتائیک و ترمینال‌های سمت راست به باتری‌های ایستگاه متصل شده‌اند. برد الکترونیکی با میکروکنترلر (μC) در موقعیت مرکزی قرار دارد و صفحه نمایش LCD در گوشه پایین سمت راست همراه با کلیدهایی برای کنترل عملکرد دستگاه تعبیه شده است.

شکل ۴. تصویر نمونه رگولاتور شارژ

دانشجویان در طی این فرآیند، وظایف متعددی از جمله ساخت چارچوب مکانیکی، مونتاژ و اتصال اجزای الکترونیکی و طراحی برد الکترونیکی را بر عهده داشتند. برنامه‌نویسی میکروکنترلر (μC) به زبان C صورت گرفت و آنان موفق به اشکال‌زدایی آن شدند. جزئیات بیشتر این پروژه را می‌توانید در گزارش دانشجویان در وب‌سایت ICEE مشاهده کنید [۵] [۶].

ارتباط Zigbee

قسمت دوم این مقاله به ارائه نتایج تحقیق دانشجوی دانشگاه WUT در طول دوره کارآموزی‌اش در I.U.T می‌پردازد. همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، وظیفه او شامل پیاده‌سازی مسیر ارتباطی در عناصر مختلف مبتنی بر تکنولوژی Zigbee بوده است.

قسمت ارتباطی این پروژه به دو زیرقسمت مرتبط تقسیم می‌شود. اولین زیرقسمت به توسعه یک شبکه محلی (LAN) اختصاص داده شده است که هدف آن مدیریت ارتباط بین کارت برقی، ایستگاه شارژ و یک سرور اصلی به منظور نظارت و کنترل ایستگاه شارژ است. از آنجا که کارت برقی به صورت متحرک عمل می‌کند، تنها راه ارتباطی ممکن یک راه‌حل بی‌سیم است. به همین دلیل، تکنولوژی انتخابی ZigBee می‌باشد که در پاراگراف‌های بعدی توضیحات بیشتری درباره آن ارائه خواهد شد.

زیرقسمت دوم به توسعه یک وب سرور اختصاص یافته است که وظیفه‌اش ذخیره پارامترهای جمع‌آوری شده از ایستگاه شارژ و ارسال آن از طریق شبکه LAN است. این امکان فراهم می‌آید که از طریق یک لینک امن، از کامپیوتری متصل به اینترنت با سرور ارتباط برقرار شود؛ به این ترتیب می‌توان پارامترهای مختلف سیستم شارژ مانند عملکرد شارژر، باتری‌های کارت برقی و خود ایستگاه شارژ را نظارت و کنترل کرد.

ویژگی‌های ZigBee

ZigBee یک شبکه شخصی بی‌سیم با مصرف کم انرژی (LP-WPAN) است و ویژگی‌های آن به شرح زیر است:

• نرخ انتقال داده‌های پایین (حداکثر ۲۵۰ کیلوبیت در ثانیه)، اما به دلیل حجم کم داده‌های مبادله شده، برای پروژه ما کاملاً مناسب است.
• محدوده عملکردی بین چند متر تا چند صد متر، که مطابق با استانداردهای فرانسوی و اروپایی برای انتقال فرکانس رادیویی (حداکثر ۳ dBm) می‌باشد.
• حالت آماده به کار با مصرف انرژی بسیار پایین (۱۰۰ میکرو وات)، که به ZigBee این امکان را می‌دهد که با استفاده از باتری‌های معمولی برای ماه‌ها فعال باشد.

پروژه ZigBee در سال ۱۹۹۸ آغاز شد، اما استاندارد نهایی IEEE ۸۰۲.۱۵.۴ که تمامی ویژگی‌های خاص این پروژه را توضیح می‌دهد، در ماه مه ۲۰۰۳ منتشر گردید [۸]. اطلاعات اصلی موجود در این استاندارد، به تعریف لایه‌های فیزیکی و ارتباطی مربوط می‌شود.

شکل ۵. ماژول ZigBee

ماژول‌های ZigBee برای ارتباط سیستم‌های مستقل و Embedded نظیر سنسورها، عملگرها، فرمان و کنترل استفاده می‌شوند. ماژول‌های ZigBee که به این سنسورها مربوط می‌شوند، به دلیل نیاز روزافزون به سیستم‌های ارتباطی هوشمند و کم‌هزینه در صنعت، کاربردهای بیشتری پیدا کرده‌اند. شبکه‌های بی‌سیم سنسور، مانند IWSN (Industrial Wireless Sensor Network)، مزایای قابل توجهی نسبت به سیستم‌های کنترلی سنتی مبتنی بر کابل ارائه می‌دهند. همچنین مطالعاتی به منظور امکان‌سنجی سیستم‌های کنترلی Wi-Fi برای مدیریت تسهیلات خانگی در دست اقدام است [۹].

در این پروژه، یک شبکه متشکل از سه ماژول ZigBee به صورت توپولوژی ستاره پیشنهاد شده است. ماژول‌های «کارت برقی» و «ایستگاه» به ماژول «سرور»، که به آن «هماهنگ‌کننده» نیز گفته می‌شود، متصل هستند. تمامی پیام‌های ارسالی از طریق هماهنگ‌کننده منتقل می‌شوند و ارتباطات مستقیم میان سایر ماژول‌ها مسدود شده است. از آنجا که نقش هماهنگ‌کننده بسیار حائز اهمیت است، مصرف انرژی آن به‌طور قابل توجهی بالاتر می‌باشد؛ بنابراین «سرور» به طور مداوم با استفاده از یکی از پورت‌های USB خود تأمین انرژی می‌شود. شکل ۵ نمونه‌ای از ماژول ZigBee نصب شده بر روی کارت برقی را به تصویر می‌کشد.

سیستم ارتباطی

بخش دیگری از سیستم ارتباطی به طراحی و ایجاد یک سرور وب اختصاص دارد که نظارت بر ایستگاه شارژ و کارت‌ران را در دستور کار خود دارد و اطلاعات مبادله شده از طریق آن به کاربران متصل منتقل می‌شود. وظایف اصلی نظارت شامل موارد زیر است:

• نظارت بر عملکرد ایستگاه شارژ و سطح باتری – باتری‌های کارت‌ران نباید بیش از حد شارژ یا تخلیه شوند.
• ایستگاه شارژ و کارت‌ران به‌طور منظم هر ۵ ثانیه اطلاعاتی را از طریق ماژول‌های ZigBee ارسال می‌کنند.
• این اطلاعات در کامپیوتر ذخیره می‌شوند. تاریخچه‌ای از پارامترهایی مانند ولتاژ ایستگاه شارژ برای ۲۴ ساعت گذشته و نمودارهای آنلاین پارامترهایی همچون دمای اندازه‌گیری شده در مکان‌های مختلف برای بصری‌سازی فوری در دسترس است.
• همچنین اطلاعاتی درباره تاریخچه خطاها و نقص‌های ممکن در حین انتقال انرژی (مانند خطای کنترل جریان) بین “ایستگاه” و “کارت‌ران” در دسترس می‌باشد.
• در صورت بروز هرگونه مشکل، برنامه باید به کاربر این امکان را بدهد که ایستگاه شارژ را قطع کرده یا فرآیند شارژ جدید باتری‌های کارت‌ران را آغاز کند.

اندازه‌گیری از راه دور

با توجه به قابلیت‌های اندازه‌گیری ذکر شده، تصمیم بر این شد که اندازه‌گیری از راه دور سرعت و جریان در حین عملیات کارت‌ران مورد بررسی قرار گیرد. این تل متری با استفاده از دو ورودی ADC1 و ADC2 ماژول‌های ZigBee انجام می‌شود. سیگنال‌های آنالوگ به‌دست‌آمده به سیگنال‌های دیجیتال تبدیل می‌شوند. در این فرایند، ده اندازه‌گیری در ورودی ADC1 هر نیم ثانیه انجام می‌گیرد و سپس ده اندازه‌گیری بعدی در ورودی ADC2 صورت می‌گیرد. پس از آن، یک کامپیوتر قابل حمل به ماژول ZigBee متصل شده و برنامه‌ای ساده در حالت حلقه اجرا می‌شود. این برنامه داده‌ها را دریافت کرده و میانگین هر کانال (سرعت و جریان) را محاسبه می‌کند. نتایج به‌دست‌آمده می‌توانند برای پردازش‌های بیشتر با استفاده از نرم‌افزار گرافیکی بصری‌سازی شوند. تنها چالش در این عملیات این است که برنامه نظارت بر ایستگاه شارژ و برنامه اندازه‌گیری از راه دور (تل متری) نمی‌توانند به‌طور همزمان عمل کنند. نمونه‌ای از نمودارهای به‌دست‌آمده در شکل ۶ ارائه شده است؛ در این نمودارها، جریان (منحنی قرمز) و سرعت (منحنی سبز) ثبت شده‌اند.

نتایج و پیشرفت پروژه

نتایج به‌دست‌آمده نشان‌دهنده قابلیت اجرایی پروژه به عنوان یک مجموعه پیچیده هستند. همچنین، آزمایشات خارجی نشان داد که پوشش اندازه‌گیری از راه دور به حدود ۵۰ متر می‌رسد.

پس از اتمام آزمایش‌های قابلیت اجرایی، دو دانشجوی اهل آفریقای جنوبی از دانشگاه پوتچفسٹرم، این پروژه را در حین یک دوره کارآموزی که در I.U.T برگزار شد، ادامه دادند. هدف این کارآموزی توسعه و بهبود طراحی و پیاده‌سازی شبکه LAN بود که به داده‌های کارت‌ران و ایستگاه شارژ دسترسی می‌دهد. افزون بر این، آنها یک پلتفرم ارتباطی بین میکروکنترلرها و ماژول‌های ZigBee طراحی کردند. با وجود این شبکه LAN، ارتباطات بسیار مؤثرتر شد چرا که تعداد داده‌های مبادله شده (مانند ولتاژ، جریان، دما و غیره…) به طرز محسوسی افزایش یافت.

تمامی این پروژه‌ها به‌طرز شدیدی به یکدیگر وابسته هستند. ضمن اینکه بر اساس پیشنهادات دانشجویان و کادر آموزشی ارزیابی شده‌اند. ارتباط متقابل، پیشرفت پروژه، مساعدت‌های متقابل بین دانشجویان و نظارت مشترک نیروی کار، شرایط ضروری برای دست‌یابی به این پروژه محسوب می‌شوند.

نتیجه‌گیری

یک نمونه اولیه از ایستگاه شارژ برای وسایل نقلیه الکتریکی توسط کادر و دانشجویان در I.U.T Béthune مورد بررسی و پیاده‌سازی قرار گرفته است و کارایی آن به نتایج رضایت‌بخشی دست یافته است. عملکردهای کنترل شارژ و دشارژ به‌طور کامل در سیستم شارژ ادغام شده‌اند. همچنین ارتباط Wi-Fi بین ماژول‌های مختلف با کارکرد نظارت نیز بررسی و پیاده‌سازی شده است. این سیستم به‌راحتی می‌تواند برای سطوح مختلف ولتاژ سازگار شود و به بهبود مبدل از نظر کارایی انرژی نیز می‌توان اشاره کرد. کاربرد واقعی نیاز به محاسبه دقیق تعداد پنل‌های فتوولتائیک، ظرفیت باتری و کالیبراسیون اجزای الکترونیکی طبق توان مورد انتظار و نسبت استفاده از ایستگاه شارژ دارد. دو حالت استفاده می‌تواند در نظر گرفته شود: زمانی که ایستگاه فتوولتائیک در یک منطقه جداگانه نصب شده یا به سیستم توزیع انرژی متصل باشد.

تست بنچ پیشنهادی به‌طرز نوآورانه‌ای در حوزه آموزش مهندسی برق است. دانشجویان از کشورهای مختلف با پیشینه‌های آموزشی متفاوت و سطوح مختلف دانش، با یک روش مشابه بر روی یک پروژه مشترک کار می‌کنند. جنبه مدرن این پروژه مشترک برای کاربرد انرژی‌های تجدیدپذیر برای همه دانشجویان حاضر در این همکاری بین‌المللی بسیار جذاب و امیدوارکننده بود. این پروژه فنی، حوزه‌های مختلف مهندسی برق را گرد هم می‌آورد – از جمله الکترونیک، سنسورها، اتوماسیون، تنظیم و کنترل، انرژی‌های تجدیدپذیر، فناوری اطلاعات، میکروکنترلرها و ایجاد صفحات وب. نمونه پروتوتایپی که پیاده‌سازی شده است، به عنوان یک پلتفرم دانش برای انجام تمرینات آزمایشگاهی برای دانشجویان آینده در درس سیستم‌های قدرت به کار خواهد رفت. با توجه به اینکه موضوعاتی مانند انتقال فناوری و همکاری صنعتی در I.U.T به‌خوبی شناخته شده‌اند، این سیاست موسسه را به سمت توسعه پایدار محیط زیست هدایت خواهد کرد.

منابع

1. S.Anwar, P.Favier, K.Mikszath « طراحی و پیاده‌سازی یک کنترلر آتش‌سوزی مبتنی بر میکروکنترلر PIC برای یک یکسو کننده تریستوری سه‌فاز » Technology Interface Journal ۷(۱) اکتبر ۲۰۰۶، http://technologyinterface.nmsu.edu/Fall06/
2. S.Anwar, P.Favier, P.Vida « طراحی و پیاده‌سازی یک سیستم احتراق مبتنی بر میکروکنترلر » Technology Interface Journal ۸(۱) ۲۰۰۷، http://technologyinterface.nmsu.edu/Fall07/
3. S.Anwar, P.Favier, D.Jouglet، « یک همکاری بین‌المللی مبتنی بر پروژه در آموزش مهندسی » ASEE ۲۰۰۸ Annual Conference Proceedings جلسه ۲۱۶۰

[۴] P.Favier, S.Anwar «یک همکاری بین‌المللی در آموزش مهندسی»، موسسه کاندو کلمان، کنفرانس کاندو ۲۰۰۸، ۶-۷ نوامبر ۲۰۰۸، بوداپست

[۵] وب‌سایت ICEE ما: http://www.univ-artois.fr/icee

[۶] وب‌سایت ICEE ما: آینه وب‌سایت ICEE: http://www.ien.pw.edu.pl/icee

[۷] F.Maeght, PY.Cresson, P.Favier «ایستگاه شارژ خورشیدی برای وسایل نقلیه الکتریکی»، REE n°۱۱، دسامبر ۲۰۰۹، صفحات ۹۲-۹۹

[۸] Gang Ding, Zafer Sahinoglu, Philip Orlik, Jinyun Zhang, Bharat Bhargava «پخش داده مبتنی بر درخت در شبکه‌های IEEE ۸۰۲.۱۵.۴ و ZigBee»، IEEE Transactions on Mobile Computing، جلد ۵، شماره ۱۱، نوامبر ۲۰۰۶

[۹] Jean Pierre Blanc، «ZigBee، سیستم ارتباط بی‌سیم بین Bluetooth و Wifi»، Techniques de l’ingénieur، دسامبر ۲۰۰۸

نویسندگان:

• پروفسور Désiré D. Rasolomampionona ایمیل: desire.rasolomampionona@ien.pw.edu.pl، موسسه مهندسی قدرت الکتریکی، دانشگاه فناوری ورشو، ul. Koszykowa ۷۵ ۰۰-۶۶۲ Warszawa
• دکتر François Maeght، ایمیل: francois.maeght@univ-artois.fr
• دکتر Pierre-Yves Cresson، ایمیل: pyves.cresson@univ-artois.fr
• دکتر Patrick Favier، ایمیل: patrick.favier@univ-artois.fr

آدرس:

I.U.T. de Béthune، departamento G.E.I.I.، دانشگاه آرتواز، ۱۲۳۰ rue de l’Université، ۶۲۴۰۸ Béthune، فرانسه

منبع و شناسه ناشر:

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (بررسی الکتریکی)، ISSN ۰۰۳۳-۲۰۹۷، R. ۸۷ NR ۶/۲۰۱۱

منتشر شده توسط PQBlog

مهندس برق

مشاهده پست‌های بیشتر

پرسش‌های متداول

ایستگاه شارژ خورشیدی چیست؟

ایستگاه شارژ خورشیدی دستگاهی است که با استفاده از انرژی خورشیدی به شارژ وسایل نقلیه الکتریکی می‌پردازد.

چگونه می‌توان از ایستگاه شارژ خورشیدی استفاده کرد؟

با اتصال وسیله نقلیه به ایستگاه، انرژی خورشیدی تولید شده را برای شارژ باتری‌های آن استفاده می‌کنید.

فواید ایستگاه شارژ خورشیدی چیست؟

این ایستگاه‌ها به دلیل استفاده از منبع انرژی پایدار و تجدیدپذیر کمک شایانی به حفظ محیط زیست می‌کنند.

منبع: powerquality.blog