Controllore autonomo del flusso energetico, la panoramica generale del quale è già stata condotta in articolo precedenteRiguarda la gestione ottimale dell'energia prodotta da Fonti Rinnovabili, con l'obiettivo di massimizzare l'efficienza del sistema. Più precisamente, il controllore fa parte di una microrete, dove coesistono produzione e consumo di energia, e il suo algoritmo, utilizzando dati meteorologici, determina l'utilizzo dell'energia menzionata.
Sono presentati in dettaglio gli elementi strutturali del sistema che operano sia come produttori che come consumatori di energia elettrica con le loro rispettive caratteristiche elettriche, oltre all'apparecchiatura (hardware) che verrà sviluppata e gestirà tutti questi dati. Infine, viene presentato il controller scelto per lo sviluppo del sistema con le relative caratteristiche.
Produttori e Consumatori di Energia Elettrica
Il sistema ibrido da sviluppare è composto dalle seguenti parti:
- Pannelli fotovoltaici con una potenza totale di 41,04 kW
- Pannelli fotovoltaici con una potenza totale di 41,04 kW
- Torre dell'acqua con un generatore idroelettrico da 2,00 kW
- Accumulatori di energia piombo-acido (RES OPzS), con una capacità totale di 220,00 kWh
- Réseau de Distribution d'Électricité
- Carichi di consumo dell'installazione con una potenza totale di 10,00kW
Alcuni di questi elementi funzionano come produttori di energia elettrica e alcuni come consumatori
Più specificamente, la generazione di elettricità deriva dai seguenti elementi
α)Pannelli fotovoltaici
β. Turbina eolica
c)Sistema di torre dell'acqua con idrogeneratore
d)Réseau de Distribution d'Électricité
e)Accumulatori (durante la fase di scarica)
L'energia elettrica è consumata dai seguenti elementi
α. Carichi di installazione
β. e)Accumulatori (durante la fase di scarica)
γ. Trivellazione (durante la fase di riempimento della torre dell'acqua)
Successivamente, verrà fornita una presentazione dettagliata di tutte le parti del sistema insieme alle loro caratteristiche tecniche ed elettriche.
Pannelli fotovoltaici
I pannelli fotovoltaici funzionano come generatore di elettricità. Il sistema fotovoltaico da installare avrà una potenza totale di 41,04 kW e sarà composto da 72 pannelli, ciascuno con una potenza di 570 Wp. I pannelli utilizzati saranno a una faccia, monocristallini, di silicio, con 72 celle.
I pannelli fotovoltaici generano energia elettrica assorbendo radiazioni solari. Fondamentalmente, si tratta della conversione dell'energia solare in elettricità. La corrente prodotta dai pannelli fotovoltaici è corrente continua (CC), mentre la tensione nominale a circuito aperto per un pannello è di 50,11V
Il sistema fotovoltaico sarà installato a terra, e i pannelli saranno posizionati su strutture di supporto metalliche fisse.
L'uscita di tutti i regolatori di carica sarà collegata a un sistema DC BUS a 48V DC. Questo sistema funge da punto di giunzione per collegare le uscite dei regolatori di carica e il punto di ingresso alle batterie. Il sistema DC BUS è responsabile della coordinazione della carica delle batterie, consentendo massima efficienza e utilizzo dell'energia generata dai sistemi fotovoltaici.DC BUS 48Vche verrà installato.
Turbina eolica
L'aerogeneratore funziona come generatore di energia elettrica. L'aerogeneratore da installare sarà ad asse verticale, con una potenza di 5,00kW e sarà posizionato su un palo di supporto metallico alto 12,00m
La corrente generata dalla turbina eolica è corrente alternata (AC) con una tensione di 220V. All'uscita della turbina eolica, sarà collegato un regolatore di carica con una tensione di uscita di 48V e una corrente di uscita di 105A. Il regolatore di carica gestirà il processo di ricarica degli accumulatori e lo interromperà quando verrà rilevata la loro piena carica. Allo stesso tempo, permetterà il riavvio automatico del processo di ricarica degli accumulatori quando verrà rilevato che la loro tensione è scesa al di sotto di un livello di carica specifico. Inoltre, il regolatore di carica monitorerà la deviazione dell'energia in eccesso dalla turbina eolica al carico di scarico. L'uscita di questo regolatore di carica sarà collegata al BUS DC da 48V che verrà installato
Idrogenatore
La turbina idrogenica funge da generatore di energia elettrica. Un sistema verrà installato e sarà composto da una torre dell'acqua e una turbina idrogenica da 2,00 kW. Lo stesso sistema sarà collegato a una trivella geotermica da 4,50 kW, che verrà attivata in base alle esigenze energetiche del sistema in fase di sviluppo. La corrente generata dalla turbina idrogenica è corrente alternata (AC), con tensioni di 38V, 75V, 150V o 200V (a seconda del modello).
All'uscita dell'idrogeneratore sarà collegato un regolatore di carica 48|105 con una tensione di uscita di 48V e una corrente di uscita di 105A.
Il regolatore di carica controllerà il processo di ricarica delle batterie e lo interromperà quando sarà rilevata la loro carica completa.
Il regolatore di carica controllerà il processo di ricarica delle batterie e lo interromperà quando sarà rilevata la loro carica completa. L'uscita di questo regolatore di carica sarà collegata al BUS DC a 48V che verrà installato. Di seguito lo schema di collegamento dei circuiti del generatore di idrogeno e le caratteristiche tecniche ed elettriche del regolatore di carica che verrà installato
All'uscita del generatore idroelettrico sarà collegato un regolatore di carica 48|105 con una tensione di uscita di 48V e una corrente di uscita di 105A. Il regolatore di carica controllerà il processo di ricarica delle batterie e lo interromperà una volta rilevata la loro carica completa. Allo stesso tempo, permetterà il riavvio automatico del processo di ricarica della batteria quando la loro tensione scende al di sotto di un livello di carica specifico. L'uscita di questo regolatore di carica sarà collegata al BUS DC 48V installato. Di seguito sono riportati lo schema di collegamento dei circuiti del generatore idroelettrico e le specifiche tecniche ed elettriche del regolatore di carica che verrà installato.
Accumulatori di energia
Le batterie accumulatori di energia operano come generatore di energia elettrica durante la fase di scarica e come consumatore di energia elettrica durante la fase di ricarica.
In entrambi i casi, la corrente delle batterie sarà continua (DC), a tensione di 48V.
In questa specifica applicazione è richiesta l'installazione di batterie con una capacità di stoccaggio pari a 220 kWh. Saranno utilizzati due array di batterie in parallelo di tipo RES OPzS al piombo-acido.
Ciascun array sarà composto da 24 batterie con tensione di 2V e capacità di 2286AH.
I banchi batterie saranno collegati al BUS centrale (DC BUS 48V).
Réseau de Distribution d'Électricité
Gli array delle batterie saranno collegati al bus centrale. produttore energia elettrica. La corrente di rete è trifase, alternata (AC), voltaggio 400V e frequenza 50Hz.
La rete DEDDIE sarà collegata ad un accordo BUS AC, come descritto sotto.
Carichi di consumi
I carichi dell'installazione funzionano come consumatori la potenza totale dei carichi di consumo è pari a 10,00kWI carichi sono suddivisi nelle seguenti tre categorie
- Carichi critici 1,50kWSi tratta di carichi che richiedono alimentazione elettrica continua e ininterrotta (PC, illuminazione, alimentatori)
- Carichi normali 4,00kWSi tratta dei carichi rimanenti dell'installazione (PCs)
- Carico geotermico 4,50kW: Si tratta del pozzo che sarà collegato al sistema torre dell'acqua-generatore idroelettrico e sarà operativo in base alle esigenze energetiche del sistema.
Nella tabella seguente sono riportati tutti gli elementi dell'impianto da progettare con le relative caratteristiche elettriche
Carichi di consumi
| Carico | Potenza (kW) | Tipo (3Φ/1Φ) |
|---|---|---|
| Carichi critici | ||
| PC 1 | 0.25 | 1Φ |
| PC 2 | 0.25 | 1Φ |
| PC 3 | 0.25 | 1Φ |
| Illuminazione | 0.3 | 1Φ |
| Trasformatori | 0.45 | 1Φ |
| Somma parziale | 1.5 | 1Φ |
| Carichi normali | ||
| PC 1 | 0.45 | 1Φ |
| PC 2 | 0.45 | 1Φ |
| PC 3 | 0.45 | 1Φ |
| PC 4 | 0.45 | 1Φ |
| PC 5 | 0.45 | 1Φ |
| PC 6 | 0.45 | 1Φ |
| PC 7 | 0.45 | 1Φ |
| PC 8 | 0.45 | 1Φ |
| PC 9 | 0.4 | 1Φ |
| Somma parziale | 4 | 1Φ |
| Carico di perforazione | ||
| Perforazione | 4.5 | 3Φ |
| Somma parziale | 4.5 | 3Φ |
| Totale | 10 | 3Φ |
Caratteristiche elettriche del sistema
| Elementi di sistema | Tipo (AC/DC) | Tensione di uscita (V) | Potenza totale (kW) | Capacità (kWh) |
|---|---|---|---|---|
| Produttori | ||||
| Pannelli fotovoltaici | DC | 50.11 | 7.4 | – |
| Turbina eolica | AC | 220 | 5 | – |
| Idrogenatore | AC | 38,00V 75,00V 150,00V ή 200,00V | 2 | |
| Accumulatori | DC | 48 | – | 220 |
| Réseau de Distribution d'Électricité | AC | 400 | – | – |
| Consumatori | ||||
| Accumulatori | DC | 48 | – | 220 |
| Carichi di installazione | AC | 400 | 10 | – |
I carichi delle utenze saranno collegati alla stessa disposizione BUS AC al quale sarà collegata anche la rete DEDDIE.
Tra i due BUS (AC BUS, DC BUS 48V) verranno collegati tre inverter/caricabatterie monofase 15,00KW ognuno. Gli inverter convertiranno la corrente continua in alternata per alimentare i carichi dell'impianto e allo stesso tempo verranno utilizzati per caricare gli accumulatori nei casi in cui ciò sia ritenuto necessario dal controllore centrale del sistema. Verrà collegata l'uscita degli inverter AC BUS Installare il dispositivo per fornire il carico del dispositivo. Di seguito vengono descritte le caratteristiche tecniche ed elettriche dell'inverter installato, nonché lo schema di collegamento di tutti i circuiti relativi alla rete e al carico installato
Si precisa che il sistema da sviluppare è espandibile e possono essere collegati eventuali dispositivi aggiuntivi come H/Z, generatore di idrogeno, generatore eolico, fotovoltaico ecc.
Controllorisistemico
Il controllore del sistema per il controllo delle microgriglie è un Raspberry Pi 4 Model B, che è l'ultimo prodotto della serie di computer Raspberry Pi. Si tratta di un sistema informatico completo su scheda composto da un'unità centrale di elaborazione (CPU), un processore grafico integrato (GPU), spazio di archiviazione, memoria RAM e porte di input/output (GPIO).
Specificamente, il Raspberry Pi 4 Model B è dotato di un processore quad-core ARM Cortex-A72 a 64-bit con una frequenza di 1,5 GHz. La memoria RAM è di tipo LPDDR4 con una capacità di 4 GB, il che consente l'esecuzione di processi complessi e paralleli. L'alimentazione è fornita tramite USB-C a 5V e 3A. Inoltre, la connettività può essere cablata tramite la porta Ethernet o wireless tramite Wi-Fi. Inoltre, c'è la possibilità di trasferimento dati tramite Bluetooth 5.0.
Per quanto riguarda l'utilizzo del controller nel sistema, il Raspberry Pi sarà collegato tramite i relè della scheda ai relè del quadro elettrico dell'impianto, fornendo così comandi per gestire i flussi di energia
Sistema di controllo
Lo scopo del progetto di ricerca è la progettazione e lo sviluppo di un dispositivo (hardware) che fornirà la capacità di gestire e distribuire tutti i flussi energetici derivanti dai suddetti produttori e consumatori. Il dispositivo riceverà in input i seguenti dati:
- Dati climatici με πρόβλεψη 4-5 ημερών (ηλιοφάνεια, ταχύτητα ανέμου κλπ.)
- Consumo critici di carichi
- Consumo normali di carichi
A seconda dei dati ricevuti, il dispositivo sarà in grado di controllare tutti gli elementi collegati e gestire la distribuzione dell'energia per ottenere la massima efficienza. Ad esempio, durante una giornata di sole, se i pannelli fotovoltaici di un'abitazione generano energia e gli accumulatori non sono completamente carichi, il dispositivo prenderà una decisione. Se le previsioni del tempo indicano nuvolosità il giorno successivo, caricherà gli accumulatori per mantenere una riserva energetica sufficiente. Al contrario, se è previsto il sole, il dispositivo indirizzerà l'energia in eccesso verso la rete elettrica.
Tutti i dati di input verranno inseriti in un software su un computer che riceverà istantaneamente dati dai circuiti del dispositivo e determinerà le corrispondenti direzioni del flusso di energia. Per raggiungere questo obiettivo, sarà sviluppato un controller Raspberry Pi Model B della serie di computer Raspberry Pi. Fondamentalmente, il controller riceverà comandi specifici per aprire o chiudere i contatti degli interruttori (relè), controllando la distribuzione dell'energia da e verso tutti gli elementi del sistema (pannelli solari, turbina eolica, idrogeneratore, accumulatori, rete DEDDIE, carichi di consumo e qualsiasi altro dispositivo che potrebbe essere collegato)
I relè sulla scheda verranno alimentati da un alimentatore da 12V, 3A, 36W. Inoltre, sarà aggiunto allo schema precedente un touchscreen da 7 pollici con risoluzione di 1024×600. Sarà collegato al Raspberry Pi tramite un cavo HDMI e riceverà alimentazione tramite un cavo USB. Di seguito, è mostrato l'alimentatore da utilizzare (a sinistra), insieme allo schermo da collegare al Raspberry Pi (a destra).
Per quanto riguarda il funzionamento del controller per il controllo dei relè del sistema, la procedura seguita è la seguente:"
- Collegare i relè del sistema a quelli sulla scheda
- Sviluppo di software che viene eseguito su Raspberry Pi.
- Nel software, lettura dei dati dal cloud.
- In base ai valori dei dati e alla logica del programma (codice), cambiare lo stato dei relè sulla scheda in Normal Close o Normal Open per ulteriori azionamenti (alimentazione) dei relè del sistema
- Visualizzazione dei dati sullo schermo collegato al Raspberry Pi e possibilità di ulteriore controllo, come ad esempio disabilitare l'intera microrete e monitorare vari flussi energetici.
Sullo schermo del controller in cui sono presenti tutte le informazioni sul sistema controllato. Osservando le immagini in figura si può concludere che l'applicazione preposta alla visualizzazione dei dati è composta da tre menù principali. Una caratteristica comune a tutti e tre è che lo schermo è diviso in sei finestre più piccole.
Infine, è importante notare che il tipo di applicazione sviluppata per il controllo del sistema e la visualizzazione dei dati sullo schermo può essere un'applicazione web, desktop o mobile..
Più nel dettaglio il sistema di controllo e decisione è presentato nel testoControllore di flusso energetico autonomo: Hardware“
Finanziamento
Il AmEFC (EMION) è finanziato dal Segretariato Generale per la Ricerca e l'Innovazione della Repubblica Ellenica, con il numero di proposta [T2ΕΔΚ-02878], finanziato dall'Unione Europea.
Il progetto è realizzato sotto l'egida del Servizio Speciale per la Gestione e l'Attuazione delle Azioni nei settori della Ricerca, dello Sviluppo Tecnologico e dell'Innovazione (EYDE ETAKE), con il cofinanziamento della Grecia e dell'Unione Europea.
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