Utilizarea calculatoarelor embedded pentru gestiunea sistemelor fotovoltaice de producere a energiei solare

Pentru ţara noastră, conform Hotărârii nr. 1069 din 5 septembrie 2007 privind aprobarea Strategiei energetice a României pentru perioada 2007-2020, potenţialul solar al ţării poate genera 1,2 TWh anual de electricitate, respectiv 2,5% din consumul naţional actual [1].
Tot în domeniul juridic, Legea regenerabilelor oferă şansa lansării domeniului energiei solare prin acordarea unor stimulente pentru investitori. Deşi posibilităţile tehnice actuale nu oferă un randament ridicat al conversiei, lucru ce desigur se resimte în costul unui MWh de energie solară, respectiv până de 7 ori mai ridicat decât al energiei convenţionale [2], cu sprijinul legislativ adecvat, dar totodată beneficiind de echipamente “inteligente” de gestiune a sistemelor de producere şi de distribuţie, soluţia “energiei verzi” rămâne viabilă atât pe timp scurt şi mediu, cât şi îndelungat.

Perspective asupra energiei solare
În prezent, subiectul “energia solară” este din ce în ce mai întâlnit în aproape toate domeniile începând cu domeniul tehnic şi sfârşind cu cel legislativ şi juridic. Acest lucru este cauzat de minimizarea cantităţii de combustibil fosil, utilizat pentru a produce energie electrică, pe de-o parte şi, de asemenea, din cauza caracterului poluant al combustibilului nuclear, pe de altă parte. Cum omenirea este dependentă de energia electrică, pentru a micşora dependenţa de sursele de energie convenţionale, inginerii, chimiştii, constructorii şi integratorii de sisteme încearcă să implementeze în proiectele lor acest tip de surse regenerabile. În timp s-au des­coperit diverse tipuri de surse regenerabile ce sunt bazate pe conversia diferitelor fenomene naturale, precum radiaţia solară, vântul, mareele, energia geotermală în energie electrică. Folosită încă anii ’60, cu scopul de a alimenta cu energie aparatele de bord instalate pe sateliţi şi alte nave cosmice [1], conversia luminii solare în curent electric rămâne cea mai răspândită şi mai utilizată dintre sursele de energie regenerabilă. Conversia radiaţiei solare de la suprafaţa Terrei se face, în principiu, cu ajutorul panourilor solare. Avantajul acesteia este implementarea uşoară a sistemelor cu panouri solare, costul din ce în ce mai redus, comparativ cu celelalte surse şi disponibilitatea Soarelui. Acest mod de a produce energie este de asemenea susţinut de guverne, acestea fiind responsabile cu introducerea diverselor stimulente pentru implementarea surselor de acest tip de energie. Încă un motiv pentru care se optează din ce în ce mai mult pentru energia solară este poluarea aproape inexistentă a atmosferei. Pe lângă caracterul inepuizabil, energia regenerabilă are marele avantaj de a nu produce impacte de mediu semnificative în urma conversiei, motiv pentru care a fost denumită şi “energie verde”.

Energia solară şi calculatoarele embedded
După cum am discutat în prima parte a acestui articol, calculatoarele au de asemenea un rol esenţial în sistemele bazate pe energie solară. Acestea sunt deosebit de utile când discutăm despre maximizarea eficienţei producţiei şi distribuţiei energiei.
Calculatoarele embedded sunt ideale pentru utiliza­rea împreună cu sistemele inteligente de administrare a energiei solare [4]. Printre caracteristicile importante ale acestora enumerăm:
1. Dimensiunile compacte: În comparaţie cu calculatoarele personale tradiţionale, calculatoarele embedded sunt suficient de compacte pentru a încăpea în diverse dulapuri sau carcase de dimensiuni reduse;
2. Proiectarea robustă: Calculatoarele embedded sunt lipsite de ventilatoare, de cabluri şi, în loc să se folosească un hard disc, se folosesc carduri (cartele) CompactFlash (în stare solidă). Prin intermediul implementării sistemului de calcul fără elemente în mişcare, este asigurată funcţionarea fiabilă a între­gului sistem 24 de ore pe zi, 7 zile pe săptămână.
3. Datorită consumului scăzut de putere şi al sistemului de operare dedicat (pre-construit), acest tip de calculatoare sunt proiectate pentru a fi folosite cu aplicaţii specifice. În general, un calculator embedded execută doar câteva funcţii, iar sistemul de operare pre-construit ajută inginerii la dezvoltarea şi optimizarea aplicaţiilor specifice bazate pe platforma respectivă de calcul. Având în vedere dimensiunile lor compacte şi versatilitatea acestora, calculatoarele embedded au un consum redus, desigur comparativ cu calculatoarele personale tradiţionale.
4. Poate cea mai importantă trăsătură, rămâne proiectarea robustă în contextul utilizării acestora în medii dure şi extreme. Un astfel de calculator poate funcţiona fără probleme atât în deşerturi şi pădurile tropicale cât şi în climat arctic (sau polar). Vom continua cu descrierea unui sistem tipic de producere şi distribuţie a energiei solare. Prin intermediul radiaţiei soare, incidentă pe panourile instalaţiei, celulele fotovoltaice produc un flux constant de electroni sub formă de curent continuu. Prin intermediul unui invertor, fluxul de electroni este transformat în curent alternativ.
Pasul final este “combinarea” electricităţii create de către sistemul solar fotovoltaic cu electricitatea furnizată de către compania locală de distribuţie a energiei electrice. Energia rezultată va fi ulterior direcţionată către clădiri, instalaţii industriale sau diverse aşezăminte sau localităţi.
În ultimii ani, pentru a monitoriza eficienţa acestora, sistemele de producere a energie solare au primit aportul unor sisteme inteligente de gestionare a conversiei fotovoltaice. Pentru sistemele distribuite, este de asemenea posibilă conectarea sistemului de gestionare la un centru de control prin­cipal pentru a îmbunătăţi semnificativ monito­ri­zarea în timp real şi pentru a integra datele pro­venite de la mai multe sisteme bazate pe energie solară. Implementarea unei interfeţe de monitori­zare şi control prin Internet simplifică procesul de verificare a cantităţii de energie economisite de către sistem şi de furnizare a accesului la serviciul de facturare pentru utilizatori.

Controlerul integrat Moxa
Prin utilizarea calculatoarelor embedded de la Moxa, ca nucleu al unor sisteme de control, utilizatorii au obţinut rezultate foarte bune. Deoarece datele provin din mai multe surse, precum invertorul, contorul de electricitate şi încărcătoare, pentru a monitoriza aceste date simultan din toate sursele, sistemul de control utilizează un controler integrat distribuit. Datele obţinute de aparatele de măsură sunt transmise prin porturile seriale, redirecţionate fie prin reţeaua LAN, fie printr-o conexiune wireless şi ajung, în final, la unul din terminalele configurate de utilizator. Avantajul major pentru care calculatorul embedded de la Moxa este ideal pentru utilizarea într-un sistem bazat pe energie solară este faptul că suportă o gamă largă de tipuri de conexiuni pentru comunicaţie [4].

EXEMPLU DE INTERCONEXIUNI PENTRU UN CALCULATOR EMBEDDED INDUSTRIAL

1. Interfaţa pentru comunicaţie serială: RS-232/422/485
Dispozitivele de nivel inferior au adesea nevoie să comunice cu controlerul de front-end pentru a realiza transmisia serială. UART 3-in-1 patentat de Moxa suportă interfeţe RS-232/422/485 şi viteză de transmisie non-standard.
2. USB
Asigură o opţiune de extindere suplimentară şi permite adăugarea unor dispozitive externe de stocare şi/ sau dispozitive USB cu destinaţii speciale. În diferite aplicaţii, utilizatorii ar putea avea nevoie sa instaleze un driver pentru dispozitivul lor.
3. Reţea: Ethernet, Control Area Network
Este adesea utilizată în aplicaţii industriale şi reprezintă calea de transmisie a datelor.
4. Intrări / ieşiri discrete: intrări / ieşiri cu scop general (GPIO)
Sunt intrări/ ieşiri programabile şi au scopul de a controla dispozitivele aflate la intrarea/ ieşirea sistemului. În funcţie de aplicaţie, utilizatorii îşi pot configura modul de intrare/ieşire.
5. Convertor analog-digital / Convertor digital – analog (ADC/DAC)
Sunt utilizate pentru a controla dispozitivele de intrare/ ieşire analogice sau digitale.

6. Interfaţa wireless: WiFi, GSM, GPRS, CDMA
Este utilizată pentru a recepţiona sau a transmite date cu ajutorul infrastructurii wireless.
De obicei, această interfaţă este utilizată în aplicaţii de monitorizare, controlate de la distanţă, ce sunt amplasate într-o zonă în care nu se poate realiza o reţea LAN prin cablu.

Exemple de aplicaţii ale energiei solare

Aplicaţia 1
Comunităţile ale căror nevoi energetice se bazează numai pe energia solară trebuie să implementeze, în mod obligatoriu, sisteme de monitorizare de la distanţă caracterizate prin stabilitate şi fiabilitate. Pentru acest tip de sistem, se recomandă utilizarea calculatoarelor embedded W325 şi UC-7112 de la Moxa, ele îndeplinind funcţia de nucleu

al sistemului de control şi monitorizare. W325 şi UC-7112 pot fi folosite simultan plasându-le la intrarea sistemului, respectiv la ieşirea acestuia, între ele conectându-se direct invertorul PV, modulul cu intrări analogice AI şi modulul de intrare al contorului de energie electrică. De asemenea, aceste două calculatoare embedded pot fi folosite pentru monito­rizarea de la distanţă, achiziţia şi înregistrarea datelor, precum şi pentru conversia protocoalelor.

Aplicaţia 2
Energia solară poate fi utilizată pentru alimentarea semnalelor din trafic, semafoarelor, panourilor de afişare de pe marginea drumurilor şi pentru diverse alte dispozitive periferice din domeniul transportului. În cazul acestor tipuri de aplicaţii, calculatoarele embedded pot fi utilizate în controlul, gestionarea şi monitorizarea de la distanţă nu doar a dispozitivelor din trafic, ci şi a echipamentelor ce compun sistemul de conversie din energie solară în energie electrică. Calculatorul embedded UC-7408 de la Moxa prezintă 8 porturi seriale şi un card PCMCIA pentru transmisie wireless şi reprezintă o alegere ideală pentru o gamă largă de sisteme de transport.

Aplicaţia 3
Centralele electrice pe bază de energie solară şi alte soluţii sofisticate bazate pe energie solară utilizează sisteme de urmărire pentru a maximiza cantitatea de energie solară ce poate fi absorbită din razele soarelui.
În acest caz, calculatorul embedded ser­veşte ca şi controller central pentru cartografierea şi urmărirea soarelui. Calculatoarele embedded Moxa V468, bazat pe x86 şi IA261-I, bazat pe RISC, sunt o alegere potrivită pentru a controla un sistem de urmărire şi pentru a trimite date între dispozitivul de urmărire şi centrul principal de control.
Fie că este utilizată ca sursă de energie alternativă sau pentru simpla electroalimentare a unor dispo­zitive, de exemplu senzori plasaţi în zone înde­părtate, fără acces la liniile electrice, energia obţinută prin conversia energiei luminoase, provenite de la Soare, în energie electrică, va avea un rol marcant în dezvoltarea societăţii omeneşti. Dezavantajul major va rămâne eficienţa scăzută a acestui proces, lucru ce duce la costuri de producţie
ridicate. Sistemele inteligente de monitorizare şi control ale distribuţiei nu sunt o opţiune ci, mai mult, o necesitate. MOXA propune o gamă completă de produse atât pentru monitorizare (familia ioLogik), pentru gestiune şi control – calculatoare embedded, după cum am discutat în acest articol, cât şi soluţii pentru transferul la distanţă a datelor obţinute de la măsurări, pe de-o parte, de asemenea a informaţiilor de comandă şi control, pe de altă parte (familiile NPort, OnCell etc.).

Ing. Roxana Elena CRISTEA,
Ing. Sergiu-Cristian COSMESCU

IMPERIAL ELECTRIC S.A.
Tel.: +40213240414
Fax: +40213240417
www.imperialelectric.ro