Автори

  • Дра Ракель Сімон Аллуе, інженер з досліджень і розробок, EndeF Engineering
  • Carскар Пуял Латорр, інженер IoT, відділ моніторингу, EndeF Engineering
  • Дра Ізабель Гедеа Медрано, керівник проекту, генеральний директор, інженер EndeF

Резюме

Гібридні сонячні панелі характеризуються генерацією теплової та фотоелектричної енергії в одній і тій же панелі. Це подвійне виробництво оптимізує наявний простір на палубі, дозволяючи виробляти на 40% більше енергії на квадратний метр, ніж обидві технології окремо. У цій роботі ми представляємо першу гібридну систему управління MeshControl, здатну постійно контролювати та регулювати теплову та/або електричну генерацію сонячної установки на основі профілів попиту та вимог користувачів. Ця система базується на принципах вільних технологій та концепції Інтернету речей для розробки управління, що застосовується в галузі енергетики. Інтеграція перших припущень цього управління в гібридну установку призвела до збільшення виробництва енергії на 11% у типовому підвищеному випадку, збільшення, яке становить 66% у порівнянні з традиційними сонячними системами.

Ключові слова

Сонячна енергія, гібридна сонячна панель, моніторинг, інтелектуальне управління, Інтернет речей, енергоефективність

Вступ/Передумови

Європейська Директива 2010/31/ЄС встановлює, що всі нові будівлі, побудовані в Європейському Союзі з 2020 року, повинні бути будівлями з майже нульовим споживанням енергії, що сприяє вдосконаленню теплової оболонки, виробництву відновлюваної енергії на місці та встановленню енергоефективне обладнання. Виконання цих зобов’язань вимагає більшого виробництва відновлюваної енергії у будівельному секторі за допомогою чистих та доступних технологій, серед яких сонячна енергія виділяється як одна з найбільш перспективних альтернатив. З початку розвитку сонячних технологій було розмежовано два типи панелей: фотоелектричні модулі, що генерують електроенергію, та теплові колектори, які нагрівають воду. Гібридні панелі виникають завдяки поєднанню обох технологій, які відрізняються можливістю перетворення сонячного випромінювання в електрику та тепло одночасно, накладаючи обидві технології на одну панель.

Гібридна панель широко відома як PVT, через її скорочення англійською мовою (Photovoltaic/Thermal). Незважаючи на те, що його походження відбулося в 1970-х роках, лише через роки розвиток техніки та дешевша сонячна фотоелектрична енергія дозволили гібридній сонячній панелі досягти комерційної життєздатності. Його розвиток мотивовано трьома різними концепціями, які сходяться до одного і того ж технологічного рішення: краще використання сонячного опромінення, охолодження PV-ламінату для підвищення його ефективності та оптимізація простору даху (Michael et al., 2015).

Подвійне виробництво енергії гібридних панелей також має ключову перевагу: це дозволяє користувачеві використовувати механізми управління для сприяння виробленню теплової або електричної енергії в рамках однієї і тієї ж сонячної установки. До цього часу наявні на ринку сонячні системи управління були призначені для вимірювання та регулювання теплових або електричних установок окремо (Resol, SolarLog тощо), оскільки на ринку не було економічно прийнятного продукту, здатного контролювати та контролювати обидва внески в той самий пристрій. Однак порушення на ринку гібридних сонячних технологій відкриває нове вікно у галузі регулювання сонячної енергії, оскільки це дозволяє сприяти виробництву кожного виду енергії, діючи на внутрішні робочі параметри, такі як витрата, нахил, робоча температура тощо. . Сьогодні цей контроль здійснюється пасивно в гібридних установках, використовуючи дані, зібрані з моніторингу умов навколишнього середовища та від самої системи, щоб впливати на її компоненти (насос або тепловентилятор) з метою захисту від перегріву або замерзання.

Цей проект пропонує просунутися на крок уперед у сучасному рівні, використовуючи величезний потенціал нових технологій та Інтернету речей, щоб здійснювати інтелектуальний контроль над виробництвом енергії гібридної сонячної установки. З цією метою пропонується проектування та виготовлення нової системи управління та моніторингу, спеціально адаптованої до потреб гібридних сонячних панелей, яка використовує специфічні профілі споживання кожного користувача, а також прогнози погоди або ціни на електроенергію. і теплової кВт-год для управління роботою гібридної установки. Ця система управління все ще розробляється, і прототип, як очікується, буде готовий у найближчі місяці. Переваги цього контролю матимуть вплив не тільки на краще використання енергії установки, але і на краще управління виробництвом, що призведе до економічної економії в кінцевому рахунку.

Опис рішення

Представлене тут обладнання зібране під назвою MeshControl, яке включає як фізичний пристрій, так і віртуальний простір, розміщений у хмарі. MeshControl пропонується як інтелектуальна система управління, спеціально орієнтована на обробку гібридних установок.

Взаємозв'язок із системою

Щоб забезпечити належне функціонування, система спирається на інформацію, отриману з трьох різних джерел, які становлять вихідні дані системи:

З іншого боку, система управління також має можливість впливати і впливати на навколишнє середовище, змінюючи режим роботи установки, не змінюючи його фізично. У межах цих параметрів, які можна змінити за допомогою елемента керування, який ми називаємо системними виходами, є:

Всі ці заходи мали б на меті забезпечити економічну економію для користувача установки. Однак, враховуючи гнучкість програмного забезпечення, розташованого в хмарі, його можна модифікувати відповідно до конкретних потреб клієнта.

Опис архітектури

Інтелектуальна система управління MeshControl складається з ряду компонентів, починаючи від вищезазначених датчиків і приводів, закінчуючи програмним та апаратним забезпеченням внутрішнього блоку. Технологія, з якої складається MeshControl, є відкритою, що дозволяє та полегшує її доступ виробникам та установникам, які хочуть застосувати її у своїх системах. Ліцензією, за якою буде розповсюджуватися продукт, є GPL (Загальнодоступна ліцензія), яка гарантує співпрацю між користувачами та призводить до постійного вдосконалення системи.

вашої
Рисунок 2. Опис архітектури, з якої складається система MeshControl.

Апаратне забезпечення

Дотримуючись принципів відкритої технології, апаратне забезпечення проекту було розроблено на основі безкоштовних ліцензій, щоб це рішення можна було відтворити в інших додатках або змінити, щоб адаптувати його до конкретних потреб інсталяції. Тому спеціальне обладнання, розроблене для цього проекту, базується на мікроконтролерах Atmel, які є серцем Arduino. Для модулів, що вимагають більш високої продуктивності, використовується апаратне забезпечення Raspberry Pi та Olimex.

Фізичний пристрій, який буде доступний у кожній сонячній установці, базується на друкованій платі (PCB), до якої вбудований один із цих мікроконтролерів, який відповідає за контроль інформації. Поряд з мікроконтролером входить також інтегрований ESP 8266, вироблений Espressif, модуль WIFI, простий у використанні та дуже економічний, здатний підключити будь-який пристрій до мережі і використання якого значно поширюється в рішеннях IoT. Тому цей чіп відповідає за передачу отриманої інформації в хмару.

програмне забезпечення

Інформація, отримана за допомогою різних вхідних каналів, зберігається в базі даних, розташованій у хмарі, зокрема на сервері, увімкненому для кожної інсталяції. Передача інформації з локального джерела на сервер здійснюється за допомогою протоколів Restful та Mqtt, останні широко використовуються в рішеннях Інтернету речей через низьке споживання ресурсів. На відміну від інших систем управління, призначених для сонячних систем, конкретне програмне забезпечення MeshControl розміщується безпосередньо на сервері, так що отримана інформація обробляється безпосередньо там. Цей факт є фундаментальною перевагою, оскільки він полегшує доступ до нього з будь-якої точки з підключенням до Інтернету, одночасно сприяючи інтеграції з іншими службами, розміщеними в хмарі. Розроблений сервер базується на PHP та JavaScript, які дозволяють як відповідальному спеціалісту, так і кінцевому користувачеві безпосередньо отримувати доступ до своїх зареєстрованих даних, переглядати статистику та споживання або змінювати робочі параметри системи. Для цього в якості посилання було взято програмне забезпечення Emoncms, яке було модифіковано з урахуванням потреб гібридних сонячних систем.

Зв'язок між сервером та виконавчими механізмами також здійснюється за допомогою протоколів Restful та Mqtt. Особливий акцент був зроблений на використанні веб-протоколів та мереж WIFI з метою підвищення гнучкості системи управління, оскільки таким чином зменшується кабельна інфраструктура та пов'язані з ними типові проблеми. Крім того, в даний час пристрої WIFI є надійною, широко розповсюдженою технологією з дуже конкурентоспроможною ціною, що разом із передачею інформації через протокол Mqtt призводить до дуже зниженого споживання енергії.

Реалізація хмарного сервера безпосередньо підтримує передумови Інтернету речей, оскільки інформація отримується, відображається та управляється з Інтернету. Ця обробка має кілька ключових переваг перед іншими системами управління, виготовленими в сонячних технологіях.

По-перше, він транспортує систему управління за межі фізичної установки, що дозволяє уникнути переходу спеціаліста-спеціаліста в реальне середовище кожного разу, коли доводиться проводити модифікацію або усувати несправність. Навпаки, цей контроль здійснюється в хмарному середовищі, до якого легко доступні всі агенти (технік, установник, кінцевий користувач) і до якого можна дістатись за допомогою простого Інтернет-з'єднання. Створюючи сервер для кожної інсталяції, зменшується ризик виникнення проблем, що зачіпають велику кількість користувачів, тоді як, з іншого боку, сприяє адаптації програмного забезпечення до потреб кожної конкретної інсталяції. Нарешті, створення середовища в хмарі, де кінцевий користувач може періодично переглядати виробництво та споживання свого будинку, допомагає наочно уявити та усвідомити власне управління енергією та переваги, отримані завдяки інтелектуальному контролю сонячної установки, який може сприяти підвищенню довіри до такої технології.

Надійність системи

Мікроконтролери, які збирають інформацію з сенсорної мережі та виконують дії, зчитують із хмарної системи, якою має бути її поведінка (вони оновлюють своє програмне забезпечення), що захищає MeshControl від збоїв у зв'язку або на самому сервері. Ця функція забезпечує надійну систему, яка буде працювати в будь-яких непередбачених обставинах і яка водночас виграє від усіх переваг перебування в хмарі.

Сценарії - Тематичне дослідження

Хоча система управління все ще перебуває на стадії розробки (прототип), вдалося зробити попереднє наближення ефекту, який застосування інтелектуального управління мало б на типовий випадок з високими тепловими та електричними вимогами. Для цього було обрано 4-зірковий готель у Барселоні, що вміщує 150 осіб, теплові та електричні вимоги якого відомі. Сонячна установка розташована на даху, що виходить на південь, і має корисну площу 163 м 2. Запропоновано порівняння виробництв, що охоплює корисну поверхню з:

  • Традиційна установка: 40 теплових колекторів + 50 фотоелектричних модулів
  • Гібридна установка: 100 сонячних панелей
  • Гібридна установка + MeshControl

Для всіх випадків передбачається однакова корисна поверхня водозбору. У теплових колекторах та гібридній установці без MeshControl це вважається фіксованим номінальним потоком, тоді як включення системи MeshControl дозволяє інтелектуальне регулювання потоку з метою кращого пристосування до кінцевої потреби. Для розрахунку економічної економії та викидів СО2 були враховані офіційні дані, опубліковані для Іспанії у 2017 році, беручи за посилання ціни на природний газ та електроенергію, надані Євростатом (Євростат - Пояснення статистики: Статистика цін на електроенергію - Дані 2017/Євростат - Пояснена статистика: Статистика цін на природний газ - дані за 2017 рік); у першому випадку та тих, що встановлені Міністерством сільського господарства та рибного господарства, продовольства та навколишнього середовища для другого.

Результати та отримані дані

Для порівняння трьох тематичних досліджень використовувались вимірювані щорічно величини виробництва енергії, хоча їх переваги можна також показати з щоденних профілів. Профілі споживання енергії та виробництва наведені на рисунку 5 за річний період, а чисельні результати зібрані в таблиці I.

Таблиця I. Підсумок загальних результатів порівняння трьох тематичних досліджень.

Виходячи із зазначеного в цій таблиці, спостерігається помітне збільшення виробництва теплової та електричної енергії при впровадженні гібридної технології порівняно з традиційними сонячними системами колекторів та фотоелектричних ламінатів, збільшення, яке покращується, коли перша гібридна установка впроваджує принципи система управління MeshControl.

Рисунок 3. Щорічні профілі споживання та виробництва енергії.

Висновки

У цій роботі представлена ​​розробка інтелектуальної системи управління, спрямованої на обробку гібридних сонячних установок, здатних генерувати теплову та фотоелектричну енергію в одній панелі. Враховуючи подвійність цього виробництва, параметри можуть бути змінені дистанційно, щоб генерація електроенергії адаптувалася до конкретних профілів споживання кожного користувача, оптимізуючи продуктивність та приводячи до прямої економії для кінцевого споживача.

Для цього була розроблена система управління, яка варіюється від фізичних датчиків, що вводяться в установку, до апаратного та програмного забезпечення, розробленого спеціально для цієї програми. Система базується на принципах вільних технологій та концепції Інтернету речей, що застосовується в даному випадку до виробництва енергії. Хоча система все ще перебуває на стадії розробки, було встановлено, що застосовуючи перші принципи регулювання потоку в типовому випадку гібридної установки, можна поліпшити її виробництво енергії на 11%. Це поліпшення виробництва пов'язане з економічною економією на 9%, з подальшим зменшенням часу повернення установки та загальним зменшенням викидів CO2 на 10% порівняно з тією ж установкою без системи управління MeshControl. На завершальній стадії розробки прототипу передбачається введення даних із мережі, щоб система управління враховувала прогноз погоди або середні профілі споживання користувачами для поліпшення її регулювання. Також пропонується діяти щодо зовнішнього накопичення енергії (теплової чи електричної) для сприяння економічній економії.