Szerzői

  • Dra. Raquel Simón Allué, K + F mérnök, EndeF Engineering
  • Óscar Puyal Latorre, IoT mérnök, Monitoring Osztály, EndeF Engineering
  • Dra. Isabel Guedea Medrano, projektmenedzser, vezérigazgató, EndeF Engineerin

Összegzés

A hibrid napelemeket a hő- és fotovoltaikus energia előállítása jellemzi ugyanabban a panelben. Ez a kettős gyártás optimalizálja a fedélzeten rendelkezésre álló helyet, lehetővé téve négyzetméterenként akár 40% -kal több energia előállítását, mint mindkét technológia külön-külön. Ebben a cikkben bemutatjuk az első hibrid vezérlőrendszert, a MeshControlt, amely képes a napelemes létesítmények termikus és/vagy elektromos termelésének nyomon követésére és szabályozására a keresleti profilok és a felhasználói igények alapján. Ez a rendszer a szabad technológia elvein és a tárgyak internetének koncepcióján alapszik az energia területén alkalmazott vezérlés megtervezéséhez. Ennek a vezérlésnek az első feltételezéseinek integrálása egy hibrid létesítménybe egy tipikus esetben 11% -os növekedést eredményezett az energiatermelésben, ami 66% -ot jelent a hagyományos napelemes rendszerekhez képest.

Kulcsszavak

Napenergia, hibrid napelem, figyelés, intelligens vezérlés, a tárgyak internete, energiahatékonyság

Bevezetés/háttér

A 2010/31/EU európai irányelv megállapítja, hogy az Európai Unióban 2020-tól minden új épületnek szinte nulla energiafogyasztásúnak kell lennie, elősegítve a hőburkolat javítását, a megújuló energia helyben történő előállítását és a magas fokú energiaforrások telepítését energiatakarékos berendezések. E kötelezettségvállalások teljesítése megköveteli a megújuló energia nagyobb termelését az építőiparban tiszta és megfizethető technológiák révén, amelyek közül a napenergia kiemelkedik az egyik legígéretesebb alternatívaként. A naptechnika fejlődésének kezdete óta kétféle panelt különböztetnek meg: fotovoltaikus modulok, amelyek villamos energiát termelnek, és hőkollektorok, amelyek melegítik a vizet. Mindkét technológia kombinációjából hibrid panelek keletkeznek, amelyek megkülönböztethetők azzal, hogy képesek a napsugárzást egyszerre villamos energiává és hővé alakítani, mindkét technológiát ugyanazon a panelen elhelyezve.

A hibrid panel közismert nevén PVT, rövidítése angolul (Photovoltaic/Thermal). Noha eredete az 1970-es években következett be, csak évek múlva alakult ki a technika fejlődése és az olcsóbb fotovoltaikus energia, amely lehetővé tette a hibrid napelemek kereskedelmi életképességének elérését. Fejlesztését három különböző koncepció motiválja, amelyek egyazon technológiai megoldás felé konvergálnak: a napsugárzás jobb kihasználása, a PV-laminátum hűtése annak hatékonyságának javítása érdekében és a tetőtér optimalizálása (Michael et al., 2015).

A hibrid panelek kettős energiatermelésének szintén kulcsfontosságú előnye van: lehetővé teszi a felhasználó számára, hogy vezérlő mechanizmusokat alkalmazzon a hő- vagy elektromos energia előállításának elősegítésére ugyanazon napelemes telepítésen belül. Eddig a piacon kapható szolárvezérlő rendszerek hő- vagy elektromos berendezések külön mérésére és szabályozására készültek (Resol, SolarLog stb.), A piacon nem létezett olyan gazdaságilag elfogadható termék, amely képes lenne mindkét hozzájárulás figyelemmel kísérésére és ellenőrzésére. ugyanaz az eszköz. A hibrid naptechnika piacának felbomlása azonban új ablakot nyit a napszabályozás területén, mivel lehetővé teszi az egyes energiafajták előállításának előnyét azáltal, hogy olyan belső működési paraméterekre hat, mint az áramlás, a hajlás, az üzemi hőmérséklet stb. . Ma ezt a vezérlést passzívan hajtják végre hibrid létesítményekben, a környezeti feltételek figyelemmel kísérése és a rendszer összegyűjtött adatainak felhasználásával az alkatrészekre (szivattyú vagy ventilátor fűtőberendezésekre) hatva a túlmelegedés vagy a fagyás ellen.

Ez a projekt egy lépés előrelépését javasolja a technika állása szerint, kihasználva a feltörekvő technológiák és a dolgok internetének hatalmas lehetőségeit, hogy intelligensen ellenőrizzék a hibrid napelemek energiatermelését. Ebből a célból egy új, kifejezetten a hibrid napelemek igényeihez igazított vezérlő és felügyeleti rendszer tervezését és gyártását javasolják, amely felhasználja az egyes felhasználók sajátos fogyasztási profilját, valamint az időjárási előrejelzéseket vagy az elektromos áram árát termikus kWh, a hibrid létesítmény működésének kezelésére. Ez az ellenőrzési rendszer még fejlesztés alatt áll, és várhatóan a következő hónapokban elkészül egy prototípus. Ennek az ellenőrzésnek az előnyei nemcsak a létesítmény jobb energiafelhasználására, hanem a termelés jobb irányítására is hatással lesznek, amely gazdasági megtakarításokat eredményez a végszámlában.

Megoldás leírása

Az itt bemutatott berendezéseket MeshControl néven gyűjtik össze, amely egy fizikai eszközt és egy virtuális helyet is tartalmaz a felhőben. A MeshControlt intelligens irányítási rendszerként javasolják, amely kifejezetten a hibrid telepítések kezelésére irányul.

Kapcsolat a rendszerrel

Megfelelő működésének biztosítása érdekében a rendszer három különböző forrásból származó információkra támaszkodik, amelyek a rendszer inputjait képeznék:

Másrészt a vezérlőrendszer képes arra is, hogy befolyásolja és befolyásolja a környező környezetet, módosítva a berendezés üzemmódját anélkül, hogy fizikailag megváltoztatná azt. Ezen paramétereken belül, amelyeket a vezérlés módosíthat, és amelyeket rendszer kimeneteknek nevezünk, a következők:

Mindezek az intézkedések célja a megtakarítások biztosítása lenne a létesítmény felhasználója számára. Tekintettel azonban a felhőben található szoftver rugalmasságára, a kliens sajátos igényeinek megfelelően módosítható.

Építészeti leírás

A MeshControl intelligens vezérlőrendszer alkatrészek sorozatából áll, a fent említett szenzoroktól és működtetőktől kezdve a beltéri egység hardveréig és szoftveréig. A MeshControl által alkotott technológia nyitott, lehetővé teszi és megkönnyíti a hozzáférést azokhoz a gyártókhoz és telepítőkhöz, akik szeretnék bevezetni a rendszereikben. A termék forgalmazásának engedélye a GPL (General Public License), amely garantálja a felhasználók közötti együttműködést és a rendszer folyamatos fejlesztését eredményezi.

intelligens
2. ábra A MeshControl rendszert alkotó architektúra leírása.

Hardver

A nyílt technológia elveit követve a projekt hardverét ingyenes licencek alapján fejlesztették ki, hogy ezt a megoldást más alkalmazásokban is megismételhessék, vagy módosíthassák a telepítés speciális igényeihez igazítva. Ezért a projekthez kifejlesztett speciális hardver Atmel mikrokontrollereken alapul, amelyek az Arduino szívét jelentik. Nagyobb teljesítményt igénylő modulokhoz a Raspberry Pi és az Olimex hardvert használják.

Az egyes napelemes létesítményekben elérhető fizikai eszköz egy nyomtatott áramköri lapon (Printed Circuit Board) alapul, amelybe az egyik ilyen mikrovezérlőt integrálták, amely az információk ellenőrzéséért felelős. A mikrovezérlővel együtt az Espressif által gyártott integrált ESP 8266 is megtalálható, egy könnyen kezelhető és nagyon gazdaságos WIFI modul, amely bármilyen eszközt képes csatlakoztatni a hálózathoz, és amelynek felhasználása elsősorban az IoT megoldásokban terjed. Ezért ez a chip felelős a kapott információk továbbításáért a felhőbe.

szoftver

A különböző bemeneti csatornákon keresztül kapott információkat a felhőben található adatbázis tárolja, különösképpen az egyes telepítésekhez engedélyezett kiszolgálón. Az információ továbbítása a helyi forrásból a szerverre a Restful és az Mqtt protokollok használatával valósul meg, melyeket az IoT megoldásokban széles körben használnak az alacsony erőforrás-felhasználás miatt. Más, szolár rendszerekhez tervezett vezérlőrendszerektől eltérően, az adott MeshControl szoftvert közvetlenül a szerveren tárolják, így a kapott információkat közvetlenül ott dolgozzák fel. Ez a tény alapvető előnyt jelent, mivel megkönnyíti hozzáférését az internetkapcsolat bármely pontjáról, miközben elősegíti az integrációt a felhőben tárolt egyéb szolgáltatásokkal. A kifejlesztett szerver PHP-n és JavaScript-en alapul, amelyek lehetővé teszik mind a felelős technikus, mind a végfelhasználó számára, hogy közvetlenül hozzáférjenek regisztrált adataikhoz, megtekinthessék a statisztikákat és a fogyasztásokat, vagy módosítsák a rendszer működési paramétereit. Ehhez az Emoncms szoftvert vették referenciaként, amelyet úgy módosítottak, hogy megfeleljen a hibrid napelemes rendszerek igényeinek.

A szerver és az aktuátorok közötti kommunikáció a Restful és az Mqtt protokollokon keresztül is zajlik. Külön hangsúlyt fektettek a webprotokollok és a WIFI-hálózatok használatára az ellenőrzési rendszer rugalmasságának növelése érdekében, mivel így a kábelezési infrastruktúrák és az azokhoz kapcsolódó tipikus problémák csökkennek. Ezenkívül a WIFI eszközök jelenleg robusztus, széles körben elterjedt technológia, nagyon versenyképes áron, ami az információk Mqtt protokollon keresztül történő küldésével együtt nagyon alacsony energiafogyasztást eredményez.

A felhőszerver megvalósítása közvetlenül támogatja a tárgyak internetét, mivel az információkat az internetről fogadják, jelenítik meg és kezelik. Ennek a kezelésnek számos fő előnye van a szoláris technológiákban gyártott más vezérlőrendszerekkel szemben.

Először is, a vezérlő rendszert a fizikai telepítésen kívül szállítja, ami elkerüli a szakember átadását a valós környezetbe, valahányszor módosítást kell végrehajtani vagy hibát kijavítani. Éppen ellenkezőleg, ezt a vezérlést olyan felhőkörnyezetben hajtják végre, amely minden ügynök (technikus, telepítő, végfelhasználó) számára könnyen elérhető, és amely egyszerű internetkapcsolattal érhető el. Az egyes telepítésekhez szerver létrehozásával csökken a nagy számú felhasználót érintő problémák kialakulásának kockázata, másrészt előnyben részesítik a szoftver alkalmazkodását az egyes telepítések igényeihez. Végül egy olyan környezet létrehozása a felhőben, ahol a végfelhasználó rendszeresen áttekintheti otthonának termelését és fogyasztását, elősegíti saját energiagazdálkodásuk, valamint a napelemes intelligens vezérlés révén elért előnyök vizualizálását és tudatosítását. hozzájárulhat az ilyen technológiák iránti bizalom növeléséhez.

A rendszer robusztus jellege

A szenzorhálózatról információkat gyűjtő és a műveleteket végrehajtó mikrovezérlők leolvassák a felhőrendszerről, hogy mi legyen a viselkedése (frissítik szoftverüket), amely védi a MeshControlt a kommunikációban vagy magában a szerverben fellépő hibák ellen. Ez a szolgáltatás egy robusztus rendszert biztosít, amely minden esetleges helyzetben működik, és amely ugyanakkor a felhőben való tartózkodás összes előnyét kihasználja.

Forgatókönyvek - Esettanulmány

Bár az irányítási rendszer még fejlesztési fázisban van (prototípus), sikerült előzetesen közelíteni azt a hatást, amelyet az intelligens vezérlés alkalmazása egy tipikus esettanulmányra jelentene, magas hő- és elektromos igényekkel. Ehhez egy Barcelonában található 4 * szállodát választottak 150 fő befogadására, amelynek hő- és elektromos igényei ismertek. A napelemes létesítmény a tetőn helyezkedik el, déli irányban, hasznos területe 163 m 2. Javasoljuk a produkciók összehasonlítását, amely a hasznos felületet lefedi:

  • Hagyományos telepítés: 40 hőgyűjtő + 50 fotovoltaikus modul
  • Hibrid telepítés: 100 napelem
  • Hibrid telepítés + MeshControl

Minden esetben ugyanazt a hasznos vízgyűjtő felületet feltételeztük. A hőgyűjtőkben és a MeshControl nélküli hibrid telepítésben ez fix névleges áramlásnak számít, míg a MeshControl rendszer beépítése lehetővé teszi az áramlás intelligens szabályozását, hogy jobban alkalmazkodhasson a végső igényhez. A gazdasági megtakarítások és a CO2-kibocsátás kiszámításához a Spanyolországra vonatkozóan 2017-ben közzétett hivatalos adatokat vették figyelembe, referenciaként figyelembe véve az Eurostat által szolgáltatott földgáz- és villamosenergia-árakat (Eurostat - A statisztika magyarázata: Villamosenergia-ár-statisztika - Adatok 2017/Eurostat - A statisztika magyarázata: Földgázár-statisztika - 2017. évi adatok); az első esetben, és azokat, amelyeket a Földművelésügyi és Halászati, Élelmezésügyi és Környezetvédelmi Minisztérium határoz meg a második esetben.

Eredmények és kapott adatok

A három esettanulmány összehasonlításához évente mért energiatermelési értékeket alkalmaztunk, bár ezek előnyei a napi profilokból is kimutathatók. Az energiaigény és a termelési profilokat az 5. ábra mutatja egy éves időszakra, a numerikus eredményeket pedig az I. táblázat tartalmazza.

I. táblázat: A három esettanulmányt összehasonlító általános eredmények összefoglalása.

Az ebben a táblázatban leírtak alapján figyelemre méltó hő- és villamosenergia-termelés növekedése figyelhető meg, amikor a hibrid technológiát a kollektorok és a fotovoltaikus laminátumok hagyományos szolárrendszereihez képest alkalmazzák, ami az első hibrid telepítés végrehajtásakor javul. a MeshControl vezérlőrendszer.

3. ábra Éves energiaigény és termelési profilok.

Következtetések

Ez a munka egy olyan intelligens vezérlőrendszer kifejlesztését mutatja be, amelynek célja a hibrid napelemek kezelése, amelyek képesek termikus és fotovoltaikus energia előállítására ugyanazon a panelen. Tekintettel e termelés kettősségére, a paraméterek távolról módosíthatók, így az energiatermelés alkalmazkodik az egyes felhasználók egyedi fogyasztási profiljaihoz, optimalizálva a teljesítményt és közvetlen megtakarítást eredményezve a végfelhasználó számára.

Ehhez olyan vezérlőrendszert terveztek, amely a telepítéskor bevezetendő fizikai érzékelőktől kezdve egészen a kifejezetten ehhez az alkalmazáshoz kifejlesztett hardverig és szoftverig terjed. A rendszer a szabad technológia és a tárgyak internete koncepciójának elvein alapult, amelyeket ebben az esetben az energiatermelésre alkalmaznak. Bár a rendszer még fejlesztési fázisban van, kiderült, hogy az áramlásszabályozás első alapelveinek alkalmazásával egy tipikus hibrid telepítés esetén 11% -kal javítható az energiatermelés. A termelés ezen javulása 9% -os gazdasági megtakarítással jár, aminek következtében csökken a létesítmény visszatérési ideje, és a CO2-kibocsátás összesen 10% -kal csökken ugyanahhoz a MeshControl vezérlőrendszer nélküli telepítéshez képest. A prototípus utolsó fejlesztési szakaszában várhatóan a hálózatból származó adatok kerülnek bevezetésre, így az ellenőrzési rendszer az időjárás előrejelzését vagy az átlagos felhasználói fogyasztási profilokat figyelembe veszi a szabályozás javításán. A gazdasági megtakarítások előmozdítása érdekében javasoljuk a külső (hő- vagy elektromos) energiatárolásra való fellépést is.