Автори

  • Дра Ракел Симон Алуе, инженер по научноизследователска и развойна дейност, EndeF Engineering
  • Carscar Puyal Latorre, инженер на IoT, отдел за наблюдение, EndeF Engineering
  • Дра Изабел Гудея Медрано, ръководител на проекта, главен изпълнителен директор, инженер EndeF

Обобщение

Хибридните слънчеви панели се характеризират с генериране на топлинна и фотоволтаична енергия в същия панел. Това двойно производство оптимизира наличното пространство на покрива, позволявайки да се генерират до 40% повече енергия на квадратен метър от двете технологии поотделно. В тази статия представяме първата хибридна система за управление, MeshControl, способна да контролира и регулира топлинното и/или електрическото производство на слънчевата инсталация по всяко време въз основа на профилите на търсенето и потребителските изисквания. Тази система се основава на принципите на свободната технология и концепцията за Интернет на нещата за проектиране на контрол, приложен в областта на енергетиката. Интегрирането на първите предположения на този контрол в хибридна инсталация е довело до увеличение от 11% в производството на енергия в типичен повдигнат случай, увеличение, което възлиза на 66% в сравнение с традиционните слънчеви системи.

Ключови думи

Слънчева енергия, хибриден слънчев панел, мониторинг, интелигентен контрол, интернет на нещата, енергийна ефективност

Въведение/Предистория

Европейската директива 2010/31/ЕС установява, че всички нови сгради, построени в Европейския съюз от 2020 г., трябва да бъдат сгради с почти нулево потребление на енергия, насърчаващи подобряването на топлинната обвивка, производството на възобновяема енергия на място и инсталирането на силно енергийно ефективно оборудване. Изпълнението на тези ангажименти изисква по-голямо генериране на възобновяема енергия в строителния сектор чрез чисти и достъпни технологии, сред които слънчевата енергия се откроява като една от най-обещаващите алтернативи. От началото на развитието на слънчевата технология са обособени два вида панели: фотоволтаични модули, които генерират електричество и топлинни колектори, които загряват водата. От комбинацията от двете технологии възникват хибридни панели, които се отличават с това, че могат да трансформират слънчевата радиация в електричество и топлина едновременно, наслагвайки двете технологии върху един и същ панел.

Хибридният панел е известен като PVT, заради неговия акроним на английски (Photovoltaic/Thermal). Въпреки че нейният произход е възникнал през 70-те години, едва години по-късно развитието на техниката и по-евтината слънчева фотоволтаична енергия позволиха на хибридния слънчев панел да достигне търговска жизнеспособност. Развитието му е мотивирано от три различни концепции, които се сближават към едно и също технологично решение: по-добро използване на слънчевото облъчване, охлаждане на PV ламинат за подобряване на ефективността му и оптимизиране на покривното пространство (Michael et al., 2015).

Двойното производство на енергия от хибридни панели също има ключово предимство: позволява на потребителя да използва контролни механизми за насърчаване на генерирането на топлинна или електрическа енергия в рамките на една и съща слънчева инсталация. Досега предлаганите на пазара системи за слънчево управление бяха предназначени за измерване и регулиране на топлинни или електрически инсталации поотделно (Resol, SolarLog и др.), Като на пазара нямаше икономически приемлив продукт, способен да наблюдава и контролира и двата приноса в едно и също устройство. Нарушаването на пазара на хибридни слънчеви технологии обаче отваря нов прозорец в областта на слънчевата регулация, тъй като позволява да се благоприятства производството на всеки вид енергия, като се въздейства върху вътрешните работни параметри като дебит, наклон, работна температура и т.н. . Днес този контрол се извършва пасивно в хибридни инсталации, като се използват данни, събрани от мониторинга на условията на околната среда и самата система, за да въздейства върху нейните компоненти (помпа или нагревател на вентилатора), за да се предпази от прегряване или замръзване.

Този проект предлага да се направи една стъпка по-напред в състоянието на техниката, като се възползва от огромния потенциал на нововъзникващите технологии и интернет на нещата, за да се упражнява интелигентен контрол върху производството на енергия от хибридна слънчева инсталация. За тази цел се предлага проектирането и производството на нова система за контрол и наблюдение, специално адаптирана към нуждите на хибридни централи за слънчеви панели, която използва специфичните профили на потребление на всеки потребител, както и прогнозите за времето или на цената на електрическия и топлинна kWh, за управление на работата на хибридната инсталация. Тази система за контрол все още се разработва и се очаква прототип да бъде готов през следващите месеци. Ползите от този контрол ще окажат влияние не само върху по-доброто използване на енергията на инсталацията, но и върху по-доброто управление на производството, което води до икономически спестявания в окончателната сметка.

Описание на решението

Представеното тук оборудване е събрано под името MeshControl, което обхваща както физическо устройство, така и виртуално пространство, хоствано в облака. MeshControl се предлага като интелигентна система за управление, специално ориентирана към лечението на хибридни инсталации.

Връзка със системата

За да осигури правилното си функциониране, системата използва информация, получена от три различни източника, които биха представлявали входа на системата:

От друга страна, системата за управление също има способността да въздейства и въздейства върху околната среда, като променя режима на работа на инсталацията, без да я променя физически. Сред тези параметри, модифицируеми от контролата, която ние наричаме системни изходи, са:

Всички тези мерки ще бъдат насочени към осигуряване на икономически икономии за потребителя на инсталацията. Въпреки това, предвид гъвкавостта на софтуера, разположен в облака, той може да бъде модифициран в съответствие с конкретните нужди на клиента.

Описание на архитектурата

Интелигентната система за управление MeshControl се състои от поредица от компоненти, вариращи от гореспоменатите сензори и изпълнителни механизми до софтуера и хардуера на вътрешното тяло. Технологията, от която е съставен MeshControl, е отворена, позволяваща и улесняващ достъпа му до производителите и инсталаторите, които искат да го внедрят в своите системи. Лицензът, под който ще се разпространява продуктът, е GPL (General Public License), което гарантира сътрудничество между потребителите и води до непрекъснато подобряване на системата.

енергия
Фигура 2. Описание на архитектурата, която изгражда системата MeshControl.

Хардуер

Следвайки принципите на отворената технология, хардуерът на проекта е разработен под безплатни лицензи, така че това решение може да бъде възпроизведено в други приложения или модифицирано, за да го адаптира към специфичните нужди на дадена инсталация. Следователно, специфичният хардуер, разработен за този проект, се основава на микроконтролери Atmel, които са сърцето на Arduino. За модули, които изискват по-висока производителност, се използват хардуерът Raspberry Pi и Olimex.

Физическото устройство, което ще бъде достъпно във всяка слънчева инсталация, се основава на печатни платки (печатни платки), към които е интегриран един от тези микроконтролери, който отговаря за контрола на информацията. Заедно с микроконтролера е включен и интегрираният ESP 8266, произведен от Espressif, WIFI модул, който е лесен за използване и много икономичен, способен да свърже всяко устройство към мрежата и чието използване се разпространява значително в IoT решенията. Следователно този чип е отговорен за предаването на получената информация в облака.

софтуер

Информацията, получена чрез различните входни канали, се съхранява в база данни, разположена в облака, по-специално на сървър, активиран за всяка инсталация. Предаването на информация от локалния източник на сървъра се осъществява чрез протоколи Restful и Mqtt, като последният се използва широко в IoT решенията поради ниското потребление на ресурси, което предполага. За разлика от други системи за управление, предназначени за слънчеви системи, специфичният софтуер MeshControl се хоства директно на сървъра, така че получената информация се обработва директно там. Този факт представлява основно предимство, тъй като улеснява достъпа му от всяка точка с интернет връзка, като същевременно благоприятства интеграцията с други услуги, хоствани в облака. Разработеният сървър се основава на PHP и JavaScript, които позволяват както на отговорния техник, така и на крайния потребител да имат директен достъп до регистрираните си данни, да преглеждат статистически данни и консумации или да променят операционните параметри на системата. За това софтуерът Emoncms е взет за справка, който е модифициран, за да отговори на изискванията на хибридните слънчеви системи.

Комуникацията между сървъра и изпълнителните механизми също се осъществява чрез протоколи Restful и Mqtt. Специален акцент е поставен върху използването на уеб протоколи и WIFI мрежи, за да се увеличи гъвкавостта на системата за управление, тъй като по този начин се намаляват кабелните инфраструктури и свързаните с тях типични проблеми. В допълнение, понастоящем WIFI устройствата са здрава, широко разпространена технология с много конкурентна цена, която заедно с изпращането на информация чрез протокола Mqtt води до много намалена консумация на енергия.

Реализацията на облачния сървър директно поддържа предпоставката за Интернет на нещата, тъй като информацията се получава, показва и управлява от интернет. Това лечение има няколко ключови предимства пред другите системи за управление, направени в слънчевите технологии.

На първо място, той транспортира системата за управление извън физическата инсталация, което избягва прехвърлянето на специалист техник в реалната среда всеки път, когато трябва да се извърши модификация или да се отстрани неизправност. Напротив, този контрол се извършва в облачна среда, която е лесно достъпна за всички агенти (техник, инсталатор, краен потребител) и до която може да се стигне с проста интернет връзка. Чрез създаването на сървър за всяка инсталация се намалява рискът от проблеми, засягащи голям брой потребители, докато от друга страна се облагодетелства адаптирането на софтуера към нуждите на всяка конкретна инсталация. И накрая, създаването на среда в облака, където крайният потребител може периодично да преглежда производството и потреблението на дома си, помага да се визуализират и осъзнаят собственото им управление на енергията и ползите, получени чрез интелигентния контрол на слънчевата инсталация, който може спомагат за увеличаване на доверието в такава технология.

Здравината на системата

Микроконтролерите, които събират информацията от сензорната мрежа и изпълняват действията, четат от облачната система какво трябва да бъде нейното поведение (те актуализират своя софтуер), което предпазва MeshControl от откази в комуникациите или на самия сървър. Тази функция осигурява стабилна система, която ще функционира при всякакви непредвидени обстоятелства и която в същото време се възползва от всички предимства на това да бъдете в облака.

Сценарии - казус

Въпреки че системата за управление все още е във фаза на разработка (прототип), е възможно да се направи предварителна апроксимация на ефекта, който прилагането на интелигентно управление би имало върху типичен казус с високи топлинни и електрически изисквания. За това е избран хотел с 4 *, разположен в Барселона с капацитет за 150 души, чиито топлинни и електрически изисквания са известни. Слънчевата инсталация е разположена на покрива, обърната на юг и има полезна площ от 163 м 2. Предлага се сравнението на производствата, обхващащо полезната повърхност с:

  • Традиционен монтаж: 40 термоколектора + 50 фотоволтаични модула
  • Хибридна инсталация: 100 слънчеви панела
  • Хибридна инсталация + MeshControl

За всички случаи се приема една и съща полезна водосборна повърхност. В термоколекторите и хибридната инсталация без MeshControl се счита за фиксиран номинален поток, докато включването на системата MeshControl позволява интелигентно регулиране на потока с цел по-добро адаптиране към крайното търсене. За изчисляването на икономическите икономии и емисиите на CO2 са взети предвид официалните данни, публикувани за Испания през 2017 г., като за справка са взети цените на природния газ и електроенергията, предоставени от Евростат (Евростат - Статистика обяснява: Статистика на цените на електричеството - Данни 2017/Евростат - Обяснена статистика: Статистика на цените на природния газ - данни за 2017 г.); в първия случай и тези, определени от Министерството на земеделието и рибарството, храните и околната среда за втория.

Резултати и получени данни

За сравнение на трите казуса са използвани ежегодно измервани стойности на производството на енергия, въпреки че ползите от тях могат да бъдат показани и от ежедневните профили. Профилите за търсене на енергия и производство са показани на фигура 5 за годишен период, а числените резултати са събрани в таблица I.

Таблица I. Обобщение на общите резултати, сравняващи трите казуса.

Въз основа на посоченото в тази таблица се забелязва значително увеличение на топлинното и електрическото производство, когато се прилага хибридната технология в сравнение с традиционните слънчеви системи от колектори и фотоволтаични ламинати, увеличение, което се подобрява, когато първите се внедрят в хибрида принципи на системата за управление MeshControl.

Фигура 3. Годишни профили на търсене на енергия и производство.

Заключения

Тази статия представя развитието на интелигентна система за управление, насочена към лечение на хибридни слънчеви инсталации, способни да генерират топлинна и фотоволтаична енергия в същия панел. Предвид двойствеността на това производство, параметрите могат да се променят дистанционно, така че производството на енергия да се адаптира към специфичните профили на потребление на всеки потребител, оптимизирайки производителността и водещо до директни икономии на крайния потребител.

За това е проектирана система за управление, която варира от физическите сензори, които ще бъдат въведени в инсталацията, до хардуера и софтуера, разработени специално за това приложение. Системата се основава на принципите на свободната технология и концепцията за Интернет на нещата, приложена в този случай за производство на енергия. Въпреки че системата все още е във фаза на разработване, беше установено, че чрез прилагане на първите принципи на регулиране на потока в типичен случай на хибридна инсталация е възможно да се подобри нейното производство на енергия с 11%. Това подобрение в производството е свързано с икономична икономия от 9%, с последващото намаляване на времето за връщане на инсталацията и общо намаляване на емисиите на CO2 с 10% в сравнение със същата инсталация без система за управление MeshControl. Във финалната фаза на разработка на прототипа се очаква да се въведат данни от мрежата, така че системата за контрол да отчита прогнозата за времето или профилите на средното потребление на потребителя, за да подобри своята регулация. Предлага се също да се действа върху външното съхранение на енергия (топлинно или електрическо) за насърчаване на икономическите икономии.