Komputery przemysłowe w służbie środowisku - systemy śledzenia słońca

SYSTEMY ŚLEDZENIA SŁOŃCA

Rys. 1. Poglądowy schemat systemu sterującego ruchem ogniw fotowoltaicznych

W ostatnich latach w różnych krajach powstało wiele systemów automatycznego śledzenia ruchu słońca na niebie (Solar Tracking System). Systemy takie mają za zadanie zmaksymalizować wydajność procesu uzyskiwania energii elektrycznej poprzez ustawianie ogniw fotowoltaicznych w pozycjach zapewniających pełne ich wykorzystanie względem pozycji słońca. Aby lepiej zrozumieć ich rolę, trzeba przyjrzeć się kilku danym statystycznym oraz zapoznać się z konstrukcją ogniw fotowoltaicznych.

Do powierzchni planety dociera około 40% energii słonecznej emitowanej przez Słońce. Pozostałe 60% zostaje albo odbite przez atmosferę (40%) albo jest przez nią pochłaniane (20%). Powyższe dane to wartości uśrednione dla całego globu i mogą się znacznie różnić w konkretnych miejscach na Ziemi. Należy jednak pamiętać, że oświetlenie naszej planety nie jest równomierne, ponieważ zależy ono od szerokości geograficznej oraz pory roku i dnia.

Ponadto część promieniowania może ulegać rozproszeniu ze względu na różnego rodzaju zanieczyszczenia znajdujące się w atmosferze. W polskich warunkach, przy bezchmurnej pogodzie promieniowanie bezpośrednie może osiągnąć wartość nawet 90% promieniowania całkowitego i wynieść około 1000 W/m². Natomiast przy całkowitym zachmurzeniu wartość ta może spaść nawet do 100 W/m².

Ze względu na tak duże różnice oraz kwestie pozornej wędrówki słońca po niebie, systemy uzyskiwania energii elektrycznej z promieniowania słonecznego wyposaża się w urządzenia sterujące położeniami ogniw, tak aby w każdym momencie pozyskiwać największą możliwą wartość energii z promieniowania. Ogniwo fotowoltaiczne jest z kolei urządzeniem, które zamienia energię promieniowania słonecznego na energię elektryczną.

Bazuje ono na płytkach ze złączami półprzewodnikowymi typu p-n, gdzie pod wpływem działania fotonów dochodzi do migracji elektronów do obszaru n, a dziur do obszaru p. Takie przemieszczenie ładunków elektrycznych powoduje powstanie różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego. Cały system fotowoltaiczny w uproszczeniu składa się z: układu ogniw, urządzenia sterującego oraz urządzenia spełniającego funkcję magazynu energii (akumulatora).

W polskich realiach systemy fotowoltaiczne na razie nie zyskały dużej popularności, głównie ze względu na koszty inwestycji, niemniej na świecie systemy te stają się coraz bardziej popularne. W krajach takich jak Stany Zjednoczone lub Japonia uzyskuje się mniej więcej od 1000 do 2000 kWh energii elektrycznej z ogniw solarnych na jednego mieszkańca.

ROZWIĄZANIA FIRMY CSI W ENERGETYCE ODNAWIALNEJ

Rys. 2. Ekrany z możliwością ruchu jedynie względem 1 osi

Krakowska firma CSI Computer Systems for Industry, popierając politykę proekologicznego rozwoju przemysłu i gospodarki kraju, ma w swojej ofercie komputery przemysłowe, które przeznaczone są do systemów ekologicznego zarządzania energią lub wykorzystywane mogą być w systemach jej pozyskiwania. Przykładem takiego komputera jest kompaktowa jednostka PEC-3240.

Ten bezwentylatorowy komputer kompaktowy cechuje bardzo bogate wyposażenie: 2 porty szeregowe RS-232, 2 złącza LAN (10/100Base-T RJ45), 2 porty USB ze specjalnym mechanizmem uniemożliwiającym przypadkowe wypięcie kabla, 32-kanałowy moduł wejść/wyjść cyfrowych (16 wejść/16 wyjść), jedno złącze "4-axis Motion Control" oraz gniazdo na kartę CF.

PEC-3240 jest również wyposażony w procesor Intel Celeron M 1 GHz oraz ma wlutowaną pamięć 512MB. Złącze 4-axis Motion Control charakteryzują następujące cechy: liczba osi 4, typ wyjścia: CW/CCW lub Pulse/Direction, maksy malna przepustowość: 4Mp/s, interpolacja: 2~3 axis linear oraz 2-axis circular. Interface wykorzystanego enkodera to: ×1, ×2, ×4 A/B phase lub CW/CCW .

CASE STUDY: PROJEKT W CHINACH

Rys. 3. Ekrany z możliwością ruchu względem dwóch różnych osi

Ze względu na wymienione powyżej cechy, do budowy systemu śledzenia słońca, uruchomionego w ostatnich latach w Chinach, wybrany został właśnie komputer PEC-3240. Założeniem projektowym całego systemu było maksymalne wykorzystanie promieniowania słonecznego, co w praktyce oznaczało skomplikowany system wieloosiowego sterowania ogniwami, tak aby przez cały dzień "podążały" one za słońcem, ustawiając się do niego pod odpowiednim kątem.

Na rysunku 1 przedstawiono poglądowy schemat systemu. Ogniwa fotowoltaiczne zamontowane zostały w dużych grupach na specjalnych wielkogabarytowych ekranach, do budowy których posłużyły profile aluminiowe i stalowe. Zależnie od nachylenia i budowy geologicznej terenu część tych ekranów ma możliwość ruchu jedynie względem 1 osi, tak jak pokazano to na rysunku 2. Jednakże większość ekranów tego systemu może poruszać się względem 2 różnych osi (rysunek 3).

Bardzo ważnym elementem systemu jest przemysłowy moduł wejść analogowych ADAM-4117, który wyposażony jest w obsługę magistrali Modbus/RTU. Moduł ten ma 8 niezależnych kanałów różnicowych, charakteryzuje się rozdzielczością efektywną na poziomie 16 bitów oraz oferuje szeroki zakres pomiarowy wejść napięciowych (0~150mV, 0~500mV, 0~1V, 0~5V, 0~10V, 0~15V) i prądowych: ±20mA, 4÷20mA.

Jego zadaniem jest pomiar sygnału napięciowego na wejściach, który podawany jest z czujników natężenia promieniowania. Pozwala to określić, z którego kierunku pochodzi w danej chwili największe promieniowanie słoneczne. Informacja ta trafia następnie do komputera PEC-3240, który odpowiada za sterowanie silnikiem lub serwonapędem odpowiadającym za przemieszczenie ekranów.

PEC-3240 przelicza różnice między wskazaniami poszczególnych czujników, tak aby ustawić ekrany w optymalnej pozycji względem słońca. Ze względu na nieustanną ekspozycję na działanie bezpośredniego światła słonecznego oraz zmiennych warunków atmosferycznych, wszystkie elementy systemu, łącznie z komputerem PEC-3240 oraz modułem ADAM-4117, zostały dobrane z uwzględnieniem możliwości pracy w wysokich temperaturach oraz warunkach dużej wilgotności.

PRZYSZŁOŚĆ

Rosnąca świadomość ekologiczna ludzkości sprawia, że z roku na rok pojawia się coraz więcej systemów pozyskiwania energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych. Ten trend napędza również rozwój złożonych układów sterowania, których zadaniem jest zoptymalizować te systemy pod kątem wydajności. Jest jednak o co walczyć! Różnica wydajnościowa pomiędzy systemem ze śledzeniem słońca a wolno stojącymi ogniwami to w skali globalnej około 40% (wartość ta uzależniona jest oczywiście od szerokości geograficznej czy typu terenu).

Grzegorz Czarny
Kierownik Działu Technicznego
CSI Computer Systems for Industry
www.csi.net.pl