Autori

  • Dra. Raquel Simón Allué, inginer cercetare și dezvoltare, EndeF Engineering
  • Óscar Puyal Latorre, inginer IoT, Departamentul de monitorizare, EndeF Engineering
  • Dra. Isabel Guedea Medrano, Manager de proiect, CEO, EndeF Engineerin

rezumat

Panourile solare hibride se caracterizează prin generarea de energie termică și fotovoltaică în același panou. Această producție dublă optimizează spațiul disponibil pe punte, permițând să genereze cu până la 40% mai multă energie pe metru pătrat decât ambele tehnologii separat. În această lucrare prezentăm primul sistem de control hibrid, MeshControl, capabil să monitorizeze și să regleze generarea termică și/sau electrică a instalației solare pe baza profilurilor de cerere și a cerințelor utilizatorului în orice moment. Acest sistem se bazează pe principiile tehnologiei libere și pe conceptul de Internet al obiectelor pentru a proiecta un control aplicat domeniului energiei. Integrarea primelor ipoteze ale acestui control într-o instalație hibridă a produs o creștere de 11% în generarea de energie într-un caz tipic ridicat, o creștere care se ridică la 66% în comparație cu sistemele solare tradiționale.

Cuvinte cheie

Energie solară, panou solar hibrid, monitorizare, control inteligent, internet al obiectelor, eficiență energetică

Introducere/Context

Directiva europeană 2010/31/UE stabilește că toate clădirile noi construite în Uniunea Europeană începând cu 2020 trebuie să fie clădiri cu consum de energie aproape zero, promovând îmbunătățirea anvelopei termice, producția in situ de energie regenerabilă și instalarea echipamente eficiente din punct de vedere energetic. Respectarea acestor angajamente necesită o generare mai mare de energie regenerabilă în sectorul construcțiilor prin tehnologii curate și accesibile, printre care energia solară se remarcă ca una dintre cele mai promițătoare alternative. De la începutul dezvoltării tehnologiei solare, s-au diferențiat două tipuri de panouri: module fotovoltaice care generează electricitate și colectoare termice care încălzesc apa. Panourile hibride apar din combinația ambelor tehnologii, care se disting prin faptul că pot transforma simultan radiația solară în electricitate și căldură, suprapunând ambele tehnologii pe același panou.

Panoul hibrid este cunoscut în mod obișnuit ca PVT, pentru acronimul său în limba engleză (fotovoltaic/termic). Deși originea sa a avut loc în anii 1970, abia ani mai târziu, dezvoltarea tehnicii și a energiei solare fotovoltaice mai ieftine au permis panoului solar hibrid să atingă viabilitatea comercială. Dezvoltarea sa este motivată de trei concepte diferite care converg către aceeași soluție tehnologică: o mai bună utilizare a iradierii solare, răcirea laminatului PV pentru a-și îmbunătăți eficiența și optimizarea spațiului acoperișului (Michael și colab., 2015).

Producția de energie dublă a panourilor hibride are, de asemenea, un avantaj cheie: permite utilizatorului să utilizeze mecanisme de control pentru a promova generarea de energie termică sau electrică în cadrul aceleiași instalații solare. Până în prezent, sistemele solare de control disponibile pe piață erau destinate măsurării și reglării separat a instalațiilor termice sau electrice (Resol, SolarLog etc.), nu existând pe piață niciun produs acceptabil din punct de vedere economic capabil să monitorizeze și să controleze ambele contribuții în același dispozitiv. Cu toate acestea, irupția pe piață a tehnologiei solare hibride deschide o nouă fereastră în domeniul reglării solare, deoarece permite favorizarea producției fiecărui tip de energie acționând asupra parametrilor interni de funcționare, cum ar fi debitul, înclinația, temperatura de serviciu etc. . Astăzi, acest control se efectuează pasiv în instalații hibride, folosind date colectate din monitorizarea condițiilor de mediu și din sistem în sine pentru a acționa asupra componentelor sale (pompa sau încălzitorul ventilatorului) pentru a proteja împotriva supraîncălzirii sau înghețului.

Acest proiect propune să avanseze cu un pas mai departe în stadiul tehnicii, profitând de potențialul enorm al tehnologiilor emergente și internetul obiectelor pentru a exercita un control inteligent asupra producției de energie a unei instalații solare hibride. În acest scop, se propune proiectarea și fabricarea unui nou sistem de control și monitorizare special adaptat nevoilor centralelor hibride de panouri solare, care utilizează profilurile de consum specifice ale fiecărui utilizator, precum și prognozele meteo sau prețul electricului și kWh termic, pentru a gestiona funcționarea instalației hibride. Acest sistem de control este încă în curs de dezvoltare și se așteaptă ca un prototip să fie gata în următoarele luni. Beneficiile acestui control vor avea un impact nu numai asupra unei mai bune utilizări energetice a instalației, ci și asupra unui management mai bun al producției, care să conducă la economii economice în factura finală.

Descrierea soluției

Echipamentele prezentate aici sunt colectate sub numele MeshControl, care include atât un dispozitiv fizic, cât și un spațiu virtual găzduit în cloud. MeshControl este propus ca un sistem inteligent de management special orientat către tratamentul instalațiilor hibride.

Relația cu sistemul

Pentru a asigura buna funcționare a acestuia, sistemul se bazează pe informații obținute din trei surse diferite, care ar constitui intrările sistemului:

Pe de altă parte, sistemul de control are, de asemenea, capacitatea de a influența și de a acționa asupra mediului înconjurător, modificând modul de operare al instalației fără a-l modifica fizic. În cadrul acestor parametri care pot fi modificați de control, pe care îi numim ieșiri de sistem, se află:

Toate aceste măsuri ar avea ca scop asigurarea de economii economice pentru utilizatorul instalației. Cu toate acestea, având în vedere flexibilitatea software-ului localizat în cloud, acesta ar putea fi modificat în funcție de nevoile specifice ale clientului.

Descrierea arhitecturii

Sistemul inteligent de control MeshControl este alcătuit dintr-o serie de componente, de la senzorii și dispozitivele de acționare menționate mai sus, până la software-ul și hardware-ul unității interioare. Tehnologia din care este compus MeshControl este deschisă, permițând și facilitând accesul producătorilor și instalatorilor care doresc să-l implementeze în sistemele lor. Licența sub care va fi distribuit produsul este GPL (General Public License), care garantează colaborarea între utilizatori și are ca rezultat îmbunătățirea continuă a sistemului.

energiei
Figura 2. Descrierea arhitecturii care alcătuiește sistemul MeshControl.

Hardware

Urmând principiile tehnologiei deschise, hardware-ul proiectului a fost dezvoltat sub licențe gratuite, astfel încât această soluție să poată fi reprodusă în alte aplicații sau modificată pentru a o adapta la nevoile specifice ale unei instalații. Prin urmare, hardware-ul specific dezvoltat pentru acest proiect se bazează pe microcontrolerele Atmel, care sunt inima Arduino. Pentru module care necesită performanțe mai ridicate, sunt utilizate hardware-ul Raspberry Pi și Olimex.

Dispozitivul fizic care va fi disponibil în fiecare instalație solară se bazează pe un PCB (circuit imprimat), la care a fost integrat unul dintre aceste microcontrolere, care se ocupă de controlul informațiilor. Alături de microcontroler, este inclus și ESP 8266 integrat, fabricat de Espressif, un modul WIFI ușor de utilizat și foarte economic, capabil să conecteze orice dispozitiv la rețea și a cărui utilizare se răspândește în special în soluțiile IoT. Prin urmare, acest cip este responsabil pentru transmiterea informațiilor primite în cloud.

software

Informațiile obținute prin diferitele canale de intrare sunt stocate într-o bază de date situată în cloud, în mod special pe un server activat pentru fiecare instalare. Transmiterea informațiilor de la sursa locală la server se face prin protocoale Restful și Mqtt, acestea din urmă utilizate pe scară largă în soluțiile IoT datorită consumului redus de resurse pe care îl implică. Spre deosebire de alte sisteme de control, concepute pentru sisteme solare, software-ul specific MeshControl este găzduit direct pe server, astfel încât informațiile primite să fie procesate direct acolo. Acest fapt constituie un avantaj fundamental, deoarece facilitează accesul său din orice punct cu o conexiune la internet, favorizând în același timp integrarea cu alte servicii găzduite în cloud. Serverul dezvoltat se bazează pe PHP și JavaScript care permit atât tehnicianului responsabil, cât și utilizatorului final să acceseze direct datele înregistrate, să vizualizeze statistici și consumuri sau să modifice parametrii de operare ai sistemului. Pentru aceasta, software-ul Emoncms a fost luat ca referință, care a fost modificat pentru a satisface cerințele sistemelor solare hibride.

Comunicarea dintre server și actuatori este, de asemenea, executată prin protocoale Restful și Mqtt. Un accent special a fost pus pe utilizarea protocoalelor web și a rețelelor WIFI pentru a crește flexibilitatea sistemului de control, deoarece în acest fel infrastructurile de cablare și problemele tipice asociate acestora sunt reduse. În plus, dispozitivele WIFI sunt în prezent o tehnologie robustă, răspândită, cu un preț foarte competitiv, ceea ce, împreună cu transmiterea de informații prin protocolul Mqtt, are ca rezultat un consum de energie foarte redus.

Implementarea serverului cloud acceptă direct premisa Internet of Things, deoarece informațiile sunt primite, afișate și gestionate de pe internet. Acest tratament are mai multe avantaje cheie față de alte sisteme de control realizate în tehnologiile solare.

În primul rând, transportă sistemul de control în afara instalației fizice, ceea ce evită transferul tehnicianului specialist în mediul real de fiecare dată când trebuie efectuată o modificare sau reparată o defecțiune. Dimpotrivă, acest control se realizează într-un mediu cloud care este ușor accesibil de toți agenții (tehnician, instalator, utilizator final) și care poate fi accesat printr-o simplă conexiune la internet. Prin crearea unui server pentru fiecare instalație, riscul de a provoca probleme care afectează un număr mare de utilizatori este redus, în timp ce, pe de altă parte, este favorizată adaptarea software-ului la nevoile fiecărei instalații. În cele din urmă, crearea unui mediu în cloud în care utilizatorul final poate revizui periodic producția și consumul casei sale, ajută la vizualizarea și conștientizarea propriului management al energiei și a beneficiilor obținute prin controlul inteligent al instalației solare, care poate contribuie la creșterea încrederii în astfel de tehnologii.

Robustețea sistemului

Microcontrolerele, care colectează informațiile din rețeaua de senzori și execută acțiunile, citesc din sistemul cloud care ar trebui să fie comportamentul acestuia (își actualizează software-ul), care protejează MeshControl împotriva defecțiunilor în comunicații sau în serverul însuși. Această caracteristică oferă un sistem robust care va funcționa în orice situație de urgență și care beneficiază în același timp de toate avantajele de a fi în cloud.

Scenarii - Studiu de caz

Deși sistemul de control este încă în faza de dezvoltare (prototip), a fost posibil să se facă o aproximare preliminară a efectului pe care îl va avea aplicarea unui control inteligent asupra unui studiu tipic de caz cu cerințe termice și electrice ridicate. Pentru aceasta, a fost ales un hotel de 4 * situat în Barcelona cu o capacitate de 150 de persoane, ale cărui cerințe termice și electrice sunt cunoscute. Instalația solară este amplasată pe acoperiș, orientată spre sud și are o suprafață utilă de 163 m 2. Se propune compararea producțiilor, acoperind suprafața utilă cu:

  • Instalație tradițională: 40 colectoare termice + 50 module fotovoltaice
  • Instalare hibridă: 100 de panouri solare
  • Instalare hibridă + MeshControl

Pentru toate cazurile, sa presupus aceeași suprafață utilă de captare. În colectoarele termice și instalația hibridă fără MeshControl, este considerat un debit nominal fix, în timp ce includerea sistemului MeshControl permite reglarea inteligentă a debitului pentru a se adapta mai bine la cererea finală. Pentru calcularea economiilor economice și a emisiilor de CO2, au fost luate în considerare datele oficiale publicate pentru Spania în 2017, luând ca referință prețurile gazelor naturale și ale energiei electrice furnizate de Eurostat (Eurostat - Statisticile explicate: Statisticile prețurilor la energie electrică - Date 2017/Eurostat - Statistici explicate: statistici privind prețul gazelor naturale - date 2017); în primul caz și cele stabilite de Ministerul Agriculturii și Pescuitului, Alimentației și Mediului pentru al doilea.

Rezultate și date obținute

Pentru a compara cele trei studii de caz, au fost utilizate valorile producției de energie măsurate anual, deși beneficiile lor pot fi de asemenea arătate din profilurile zilnice. Cererile de energie și profilurile de producție sunt prezentate în Figura 5 pentru o perioadă anuală, iar rezultatele numerice sunt colectate în Tabelul I.

Tabelul I. Rezumatul rezultatelor generale comparând cele trei studii de caz.

Pe baza celor menționate în acest tabel, se observă o creștere notabilă a producției termice și electrice atunci când tehnologia hibridă este implementată comparativ cu sistemele solare tradiționale de colectoare și laminate fotovoltaice, o creștere care este îmbunătățită atunci când prima instalație hibridă este implementată principiile de sistemul de control MeshControl.

Figura 3. Profilul anual de cerere și generare de energie.

Concluzii

Această lucrare prezintă dezvoltarea unui sistem inteligent de control care vizează tratarea instalațiilor solare hibride, capabile să genereze energie termică și fotovoltaică în același panou. Având în vedere dualitatea acestei producții, parametrii pot fi modificați de la distanță, astfel încât generarea de energie să se adapteze la profilurile de consum specifice ale fiecărui utilizator, optimizând performanța și rezultând economii directe pentru utilizatorul final.

Pentru aceasta, a fost proiectat un sistem de control care variază de la senzorii fizici care urmează să fie introduși în instalație, până la hardware-ul și software-ul dezvoltat special pentru această aplicație. Sistemul s-a bazat pe principiile tehnologiei libere și pe conceptul de Internet al obiectelor, aplicat în acest caz la generarea de energie. Deși sistemul este încă în faza de dezvoltare, s-a constatat că prin aplicarea primelor principii de reglare a debitului într-un caz tipic de instalație hibridă, este posibilă îmbunătățirea producției sale de energie cu 11%. Această îmbunătățire a producției este asociată cu o economie economică de 9%, cu reducerea consecutivă a timpului de întoarcere a instalației și o scădere totală a emisiilor de CO2 de 10% comparativ cu aceeași instalație fără sistemul de control MeshControl. În faza finală de dezvoltare a prototipului, se așteaptă introducerea datelor din rețea, astfel încât sistemul de control să ia în considerare prognoza meteo sau profilurile de consum mediu ale utilizatorilor pentru a-și îmbunătăți reglementarea. De asemenea, se propune acționarea asupra stocării externe a energiei (termice sau electrice) pentru a promova economiile economice.