System monitoringu i akwizycji parametrów energetycznych energii wiatru i słońca – budowa systemu, doświadczenia eksploatacyjne i wyniki badań parametrów energetycznych wiatru i słońca

W 1993 roku z inicjatywy Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk, reprezentowanym przez prof. dr hab. Ireneusza Solińskiego, została nawiązana współpraca z pracownikami Katedry Elektroniki Akademii Górniczo-Hutniczej w celu opracowania urządzenia do symulacji pracy elektrowni wiatrowej [1]. Konstruktorzy założyli, iż urządzenie umożliwiać będzie obliczanie energii wyprodukowanej przez elektrownię wiatrową. Danymi wejściowymi do urządzenia była krzywa mocy danej turbiny oraz pomiar prędkości wiatru. Sam symulator został opracowany od podstaw. Dzięki łatwiejszemu dostępowi do nowoczesnych technologii w latach 90-tych zdecydowano się na kontroler jednoukładowy firmy Intel 8051, jest on jednym z najpopularniejszych układów wysokiej skali integracji. Na wyposażenie symulatora składały się zewnętrzną pamięć programu o pojemności 32kB oraz zewnętrzną pamięć danych typu RAM do przechowywania danych pomiarowych (32kB). Wyświetlacz numeryczny LCD 4 i ½ cyfry oraz klawiatura złożona z sześciu przełączników dwustanowych i sześciu przycisków odpowiadały za komunikację z użytkownikiem Przełączniki realizowały „przejścia” do kolejnych funkcji a dzięki przyciskom możliwa była modyfikacji nastaw. Dane pomiarowe były sumowane i zapisywane co jedną godzinę, jeden dzień lub jeden tydzień. Urządzenie maiło możliwość obliczania energii wyprodukowanej przez modelowaną elektrownię w ciągu okresu pomiarowego. Krzywa mocy turbiny wiatrowej wprowadzana była przez komputer PC poprzez łącze RS232 lub ręcznie dzięki klawiaturze. Kanały pomiarowe zakładały liniowość czujników pomiarowych. Przy pomocy łącza RS232 możliwy był odczyt danych pomiarowych oraz zmiany parametrów pracy urządzenia. Sam symulator pracował z miernikiem prędkości wiatru produkcji Zootechnika-Kraków. Konstrukcja nie była dostosowana do pracy w terenie otwartym gdyż w przypadku braku zasilania sieciowego akumulator podtrzymującym o pojemności 1,2Ah zapewniał tylko zachowanie danych przez okres około 13 godzin. W wersji rozszerzonej symulatora przewidziano możliwość zapisu danych pomiarowych co 24 godziny do komputera PC włączanego przez symulator, jednakże sama komunikacja z komputerem mogła być opóźniona maksymalnie o godzinę. W przypadku braku zasilania, dane oraz nastawy symulatora były tracone. Na etapie eksploatacji symulatora konstruktorzy określili zalety i wady symulatora, które były bardzo istotne przy konstruowaniu następnych urządzeń.

Do zalet urządzenia należały [2]:

• możliwość wykorzystania kontrolera jednoukładowego do realizacji algorytmu sterującego pomiarem i rejestracją parametrów meteorologicznych,
• możliwość zastosowanie krzywej przeliczeniowej,
• możliwość pomiaru w czterech kanałach pomiarowych,
• zapamiętywanie danych pomiarowych i ich odczyt w formacie dogodnym do obróbki programami komputerowymi,
• bezobsługowa pracę urządzenia przy ciągłym zasilaniu,
• możliwość modyfikacji nastaw oraz programu.

Do wad zaliczono [2]:

• wysokie prawdopodobieństwo utraty danych pomiarowych,
• użycie do zapisu danych pomiarowych komputera, którego oprogramowanie uniemożliwiało jego wykorzystanie do innych celów w czasie współpracy z rejestratorem,
• ograniczenie możliwość gromadzonych w pamięci RAM,
• ograniczony sposób komunikacji z użytkownikiem tylko poprzez łącze RS232,
• skomplikowana konieczność inicjalizacji pracy urządzenia.

PIONIERSKIE PROFESJONALNE CAŁOROCZNE BADANIA PARAMETRÓW ENERGETYCZNYCH WIATRU

Stworzenie pierwszego dedykowanego rejestratora do pomiaru parametrów energetycznych wiatru pozwoliło na przeprowadzenie profesjonalnych pomiary prędkości wiatru na potrzeby energetyki wiatrowej w roku 1994. Równolegle go pierwszych pomiarów powstał pomysł oszacowania zasobów energetycznych wiatru na terenie tzw. Przełączy Dukielskiej.

Zebrane dane poddano obróbce w specjalistycznym oprogramowaniu komputerowym (m.in. WAsP), a rezultaty pomiarów potwierdziły wcześniejsze przypuszczenia, o występowaniu tam anomalii wiatrowej. Powodowała ona, że okoliczne stacje meteorologiczne z reguły źle zlokalizowane w terenie, wyposażone w urządzenia rejestrujące o słabej jakości pomiaru oraz umieszczone na wysokości 8 do 10 m nad poziomem gruntu, nie rejestrowały większych prędkości wiatru, które występowały na wyższych wysokościach w terenie otwartym, predysponowanym do instalowania elektrowni wiatrowych w Przełęczy Dukielskiej. Rezultaty pierwszych pomiarów potwierdziły, że w okolicach Przełączy Dukielskiej występują, korzystne dla energetyki wiatrowej warunki wiatrowe. Rysunek 1 przedstawia wyniki pierwszych pomiarów warunków wiatrowych w okolicach Przełęczy Dukielskiej.

Rys. 1. Średniomiesięczne prędkości wiatru

Źródło: Soliński I., Soliński B., „Przełęcz Dukielska „Polską Kalifornią Wiatrową”, Czysta Energia nr. 5(33)/2004

 

Analiza danych pozwoliła określić kluczowe parametry dla energetyki wiatrowej [1], takie jak:

• średnioroczną prędkość wiatru na wysokości 30 m. 6,16 m/s;
• parametry rozkładu Weibulla na wys. 30 m.
  • parametr skali – A = 6,7,
  • parametr kształtu – k = 1,33;
• gęstość mocy wiatru 436 W/m².

Pomysłodawcą oraz kierownikiem badań był prof. Ireneusz Soliński. Badanie te były przez kilka następnych lat, powtarzane w kilku lokalizacjach (rysunek 2). Pozwoliły na całkowitą zmianę postrzegania Przełączy Dukielskiej, jako terenu o wysokim potencjale dla rozwoju energetyki wiatrowej.

Rys. 2. Umiejscowienie pierwszych masztów pomiarowych w okolicach Przełączy Dukielskiej.

1 – Dukla I, 2 – Dukla II, 3 – Rymanów, 4 – Jasionka.

Źródło: opracowanie własne.

 

Pierwszą lokalizacją pomiarową była miejscowość Dukla drugi maszt pomiarowy w okolicach Dukli został uruchomiony w 2000 r. Następnie w latach 1996 – 1997 przeprowadzona cykl pomiarowy w rejonie Barwinka oraz w latach 1998 – 2000 w okolicach Rymanowa. Wszystkie dane pomiarowe potwierdzał tezę, iż teren Przełęczy Dukielskiej posiada korzystne warunki dla rozwoju energetyki wiatrowej.

Na korzystne warunki wiatrowe występujące na południowym Podkarpaciu wpływa wiele czynników. Począwszy od ukształtowania terenu, który jest terenem pagórkowatym, otwartym na kierunek południowy i południowo-wschodni, który jak wskazuje róża wiatrów (rysunek 3) wieje z największą prędkością i częstością. Kolejnym korzystnym czynnikiem jest to, iż są to tereny o przeznaczeniu rolniczym oraz niezbyt gęsto zabudowane.

Rys. 3. Róża wiatrów dla lokalizacji w Równem

Źródło: Soliński I., Soliński B., „Lokalizacja 7,5 MW farmy wiatrowej w Dukli”, Czysta Energia nr. 9(35)/2004

 

Tabele 1 i 2 przedstawiają porównanie samych warunków wiatrowych tej części Podkarpacia z miejscowościami:

• Lipie położona w województwie wielkopolskim, w powiecie wrzesińskim i w gminie Miłosław,
• Stróże położona w województwie małopolskim, w powiecie nowosądeckim i w gminie Grybów,
• Barzowice położona w województwie zachodniopomorskim, w powiecie sławieńskim i w gminie Darłowo.

Aby porównanie było miarodajne dane pomiarowe z Lipia zostały przeliczone w oparciu o wzór Sutona na średniomiesięczne prędkości wiatru na wysokości 10 m (klasa szorstkości 1 oraz współczynnik potęgowy 0,17) [2].

Tab. 1. Średnie miesięczne prędkości wiatru zarejestrowane w różnych punktach pomiarowych w rejonie Lipia, Stróż, Barzowic i rejonie południowo-wschodniej Polski

Źródło: opracowanie własne.

Tab. 2. Parametry energetyczne wiatru zarejestrowane w różnych punktach pomiarowych w rejonie Lipia, Stróż, Barzowic i Rymanowa.

Źródło: opracowanie własne.

 

Sprawą oczywistą jest, iż wyższa średnioroczna prędkości wiatru dla Rymanowa (6,16 m/s) korzystniej wpływa na potencjał energetyczny wiatru dla południowo-wschodniego Podkarpacia w stosunku do Polski środkowej. Charakterystyczną w porównaniu warunków wiatrowych dla obu lokalizacji są parametry A i k rozkładu Weibulla. Dzięki nim możemy stwierdzić, iż wiatr na Podkarpaciu osiąga częściej prędkości powyżej 10 m/s (ilość takich godzin jest odwrotnie proporcjonalna do parametry k rozkładu Weibulla) zatem w okresie roku więcej jest godzin, w których elektrownie wiatrowe pracują z mocą znamionową. Ten charakterystyczny czynnik potwierdza korzystną „specyfikę” wiatru na Podkarpaciu w porównaniu z innymi lokalizacjami w Polsce.

Korzystne wyniki badań przyczyniły się do budowy kilku farm wiatrowych na Podkarpaciu m.in [4]:

• farma wiatrowa w Łękach Dukielskich, wybudowana 2009 roku. Składa się z 5 turbin wiatrowych REpower MM92 a moc całkowita farmy to 10,25 MW,
• farma wiatrowa w Bukowsku, wybudowana 2011 roku. Składa się z 9 turbin wiatrowych REpower MM92 a moc całkowita farmy to 18,45 MW,
• farma wiatrowa w Rymanowie, wybudowana 2013 roku. Składa się z 13 turbin wiatrowych REpower MM92 a moc całkowita farmy to 26,65 MW,
• farma wiatrowa Hnatkowice-Orzechowce k. Przemyśla wybudowana w 2008 r. Składa się ona z 6 turbin Gamesa G87 a moc całkowita farmy to 12 MW,
• budowana jest farma wiatrowa Galicja w okolicach Łańcuta, składać się będzie ona z 27 turbin GE 2.5 o mocy 2,5 MW, całkowita moc to 67,5 MW.

Lokalizacje wszystkich farm przedstawia rysunek 4.

Rys. 4. Umiejscowienie zawodowych farm wiatrowych na terenie Podkarpacia.

1- Farma wiatrowa w Łękach Dukielskich, 2 – Farma wiatrowa w Bukowsku, 3 – Farma wiatrowa w Rymanowie, 4 – Farma wiatrowa Hnatkowice-Orzechowce, 5 – Budowana jest farma wiatrowa Galicja.

Źródło: opracowanie własne.

 

TERENOWA STACJA POMIARU I REJESTRACJI PARAMETRÓW ENERGETYCZNYCH WIATRU

Aby możliwe było przeprowadzenie badań meteorologicznych pod kątem energetyki wiatrowej należało wcześniej opracować urządzenie, które w sposób ciągły rejestrowałoby dane meteorologiczne potrzebne naukowcom.

Wcześniejsze doświadczenia wynikające z całorocznej eksploatacji stacji monitoringu warunków wiatrowych, pozwoliły na sformułowanie wielu założeń projektowych dla urządzenia pracującego warunkach atmosferycznych, które także miało być urządzeniem bezobsługowym. W projekcie urządzenia w wersji polowej zostało ono pozbawione wyświetlacza alfanumerycznego. Urządzeniem wejścia-wyjścia była zaprojektowana konsola sterująca, której komunikacja odbywała się poprzez port szeregowy układu rejestratora oraz odpowiednie algorytmy sterujące. Sam projekt był projektem doświadczalnym, a układ w ciągu roku działania nie wykazał żadnych błędów projektowych i programowych.  Schemat ideowy układu przedstawia rysunek 5.

Rys. 5. Uproszczony schemat ideowy układu w wersji polowej

Źródło: Soliński I., Soliński B., Ostrowski J., Energia wiatru Komputerowy system monitoringu” Wyd. AGH, Kraków 2010

 

Jednostką centralną dla układu pozostał kontroler jednoukładowy Intel 89C55 U1.  Do głównych zadań konsoli sterującej należało: włączanie i wyłączanie kanałów, kasowanie danych, łączenie wejść pomiarowych, ustawianie zegara czasu rzeczywistego, zatrzymywanie pomiaru na czas wymiany pamięci EEPROM. Zaletą zrezygnowania z klawiatury oraz wyświetlacza było obniżenie kosztów urządzenia oraz wyeliminowanie wpływu działania warunków atmosferycznych na styki klawiatury. Układ elektroniczny konsoli przedstawia rysunek 6.

Rys. 6. Ideowy schemat układu konsoli obserwacyjno- sterującej

Źródło: Soliński I., Soliński B., Ostrowski J., Energia wiatru Komputerowy system monitoringu” Wyd. AGH, Kraków 2010

 

Podczas prac konstruktorskich nad algorytmem zarządzającym pracą rejestratora, uproszczono jego strukturę usuwając część programu odpowiedzialną za sterowanie wyświetlaczem alfanumerycznym LCD oraz procedurami związanymi z obsługą klawiatury. Funkcje zostały przejęte przez konsole obserwacyjno-sterującą. W samej konstrukcji urządzenia polowego pominięto również wysyłanie danych pomiarowych do dodatkowych urządzeń wskazujących. Ideę pomiaru i rejestracji danych meteorologicznych przedstawiona rysunek 7.

Rys. 7. Protokół transmisji szeregowej rejestrator – konsola obserwacyjno- sterującą

Źródło: Soliński I., Soliński B., Ostrowski J., Energia wiatru Komputerowy system monitoringu” Wyd. AGH, Kraków 2010

 

W zbudowanym rejestratorze dane z poszczególnych kanałów były zapisywane w pojedynczych blokach o stałej objętości. Mierzona prędkość wiatru oprócz informacji o średniej prędkości wiatru zawierała informacje o odchyleniu standardowym oraz o maksymalnej prędkości wiatru, jaka wystąpiła w okresie pomiarowym. W porównaniu do urządzenia doświadczalnego oprogramowanie dokonywało uśredniania wszystkich danych pomiarowych w czasie 10 minut. Okres ten jest uznany za standardowy w metrologii wiatrowej. Dzięki dodatkowej informacji o maksymalnej prędkości wiatru i o odchyleniu standardowym prędkości, w tym okresie pomiarowym, możliwe jest oszacowanie nie tylko prędkości średniej, ale również turbulencji powietrza, co jest cenną informacją z punktu widzenia badań nad wpływem warunków wiatrowych na konstrukcję i eksploatację elektrowni wiatrowych. Maszt pomiarowy zawierał dwa nadajniki pomiarowe, anemometr odpowiadający za pomiar prędkości wiatru oraz miernik kierunku wiatru, a urządzenie rejestrujące zostało zainstalowane w dolnej części masztu pomiarowego (rysunek 8).

Rys. 8. Rejestrator na maszcie pomiarowym

Źródło: Soliński I., Soliński B., Ostrowski J., Energia wiatru Komputerowy system monitoringu” Wyd. AGH, Kraków 2010

LABORATORYJNA HYBRYDOWA ELEKTROWNIA WIATROWO-SŁONECZNA

W roku 2014, w ramach projektu POIG.01.03.01-30-056/12 “Badania nad opracowaniem wytycznych, technik i technologii dla systemów kompensacji mocy biernej, inteligentnego monitoringu wewnętrznych sieci elektroenergetycznych oraz ogniw fotowoltaicznych dedykowanych obiektom hybrydowym opartym wyłącznie o źródła odnawialne”,  na terenie AGH wybudowane zostało profesjonalne laboratorium wiatrowo-słoneczne. W ramach układu badawczego zainstalowano:

• cztery panele fotowoltaiczne zamontowane na stelażu aluminiowym,
• dwa panele fotowoltaiczne zainstalowane na układach nadążnych „solar track”, jedno- i dwuosiowym,
• dwie turbiny wiatrowe, jedną o pionowej poziomej osi obrotów, drugą o pionowej osi obrotu.
• układ do badania baterii ogniw laboratoryjnych, wykonanych w różnych technologiach.

Moc znamionowa układu to 2,1 kW (6 paneli fotowoltaicznych po 250 W i dwie turbiny wiatrowe o mocy 300 W każda). Elektroenergetyczną część laboratorium stanowią:

• inwertery sieciowe paneli fotowoltaicznych z funkcją MPPT (algorytmem poszukiwania maksymalnego punktu pracy panelu fotowoltaicznego),
• inwerter sieciowy turbiny wiatrowej,
• licznik dwukierunkowy energii elektrycznej.

Wszystkie elementy układu badawczego zlokalizowanego w laboratorium wiatrowo-słonecznym przedstawia rysunek 11.

Natomiast, jeżeli chodzi o historię badań efektywności energetycznej elektrowni hybrydowej wiatrowo-słonecznej rozpoczęła się wraz z zamontowaniem w roku 2006 pierwszego małego laboratoryjnego systemu produkcji energii elektrycznej, który składał się z [4]:

• elektrowni wiatrowa AirX o mocy 400W,
• modułu fotowoltaicznego z krzemu polikrystalicznego o mocy 120W,
• akumulatora żelowego o pojemności 100Ah,
• kontrolera ładowania akumulatora z baterii słonecznej Phocos CX,
• inwertera wyspowego o mocy 500W,
• masztu elektrowni wiatrowej o wysokości 8 metrów,
• przewodów połączeniowych.

Schemat ideowy układu wraz z składowymi przedstawia rysunek 9.

Rys. 9. Elektrownia hybrydowa małej mocy – schemat blokowy wraz z zdjęciami komponentów

Źródło: opracowanie własne na podstawie „Hybrydowy, wiatrowo-słoneczny system wytwarzania energii elektrycznej”, praca zbiorowa pod red. Solińskiego B., Wyd. Agencji Reklamowej TOP, Kraków 2014.

Całość zestawu została zainstalowana na dachu budynku AGH-A1. Pewną trudność badawczą stanowił fakt, iż elektrownia wiatrowa AirX posiadała wbudowany w gondolę kontroler ładowania i ograniczenia konstrukcyjne kontrolera ładowania akumulatora Phocos CX , które powodowały pewne ograniczenia, co do konstrukcji i implementacji systemu pomiarowego układu. Wraz z tymi ograniczeniami pomiar prądowo – napięciowy od strony turbiny wiatrowej oraz panelu fotowoltaicznego nie był możliwy. Zaprojektowano układ pomiarowy, w tym przypadku umoż­liwiał jedynie śledzenie wielkości energii pozyskiwanej z elektrowni wiatro­wej, elektrowni słonecznej oraz energii odbieranej z całej elektrowni hybrydowej. Punkty pomiarowe napięcia „V” i prądu „A” pokazano na rysunku 9.

W zaprojektowanym i wykonanym układzie istniała możliwość ste­rowania elektrownią poprzez przekaźniki, możliwe było załączanie, wyłączanie obu elektrowni oraz hamowanie elektrowni wiatrowej. Układ energetyczny (rysunek 10) zostały umieszczone pod dachem budynku AGH A1.

Rys. 10. Układ energetyczny i pomiarowy laboratoryjnej hybrydy znajdujący się pod budynkiem AGH

Źródło: „Hybrydowy, wiatrowo-słoneczny system wytwarzania energii elektrycznej”, praca zbiorowa pod red. Solińskiego B., Wyd. Agencji Reklamowej TOP, Kraków 2014.

 

Połączenie z laboratorium stanowiła linia energetyczna 230V z wyjścia in­wertera, a za komunikacje odpowiadało łącze RS232. Zaprojektowana i wykonana została także aplikacja monitorująca, której okno komunikacyjne pokazano na rysunku 11. Dzięki aplikacji możliwe było sterowanie elektrownią oraz wizualizację wyników pomiaru uśrednionych w czasie 10 minut oraz ich zapisywanie na dysku twardym komputera.  Układ kontrolno-pomiarowy oraz oprogramowanie zostały opracowane i wykonane przez pracowników AGH.

Rys. 11. Aplikacja kontrolno-sterująca laboratoryjnej elektrowni hybrydowej wraz z podglądem zapisu danych

Źródło: „Hybrydowy, wiatrowo-słoneczny system wytwarzania energii elektrycznej”, praca zbiorowa pod red. Solińskiego B., Wyd. Agencji Reklamowej TOP, Kraków 2014.

Doświadczenia zdobyte w trakcie eksploatacji elektrowni hybrydowej były podstawą do konstrukcji i budowy elektrowni hybrydowej większej mocy. Celem konstruktorów nowej elektrowni hybrydowej było pełne wykorzystywanie wyprodukowanej energii elektrycznej oraz pełne opomiarowanie produkcji z wszystkich jej elementów składowych. Przyjęto następujące możliwości układu pomiarowego:

• testowanie, pomiar i porównanie wydajności paneli fotowoltaicznych wykonanych w różnych technologiach,
• badanie wpływu zastosowania układów jedno i dwuosiowych „solar track” na efektywność energetyczną paneli fotowoltaicznych,
• testowanie i pomiar warunków pracy baterii fotowoltaicznych,
• pomiar efektywności energetycznej elektrowni wiatrowych o poziomej i pionowej osi obrotu.

LABORATORIUM WIATROWO-SŁONECZNE AGH

W roku 2014 na terenie AGH wybudowane zostało profesjonalne laboratorium wiatrowo-słoneczne. W ramach układu badawczego zainstalowano:

• cztery panele fotowoltaiczne zamontowane na stelażu aluminiowym,
• dwa panele fotowoltaiczne zainstalowane na układach nadążnych „solar track”, jedno- i dwuosiowym,
• dwie turbiny wiatrowe, jedną o pionowej osi obrotów, drugą o pionowej osi obrotu.
• układ do badania baterii ogniw laboratoryjnych, wykonanych w różnych technologiach.

Moc znamionowa układu to 2,1 kW (6 paneli fotowoltaicznych po 250 W i dwie turbiny wiatrowe o mocy 300 W każda). Elektroenergetyczną część laboratorium stanowią:

• inwertery sieciowe paneli fotowoltaicznych z funkcją MPPT (algorytmem poszukiwania maksymalnego punktu pracy panelu fotowoltaicznego),
• inwerter sieciowy turbiny wiatrowej,
• licznik dwukierunkowy energii elektrycznej.

Wszystkie elementy układu badawczego zlokalizowanego w laboratorium wiatrowo-słonecznym przedstawia rysunek 11.

Rys. 11. Układ energetyczny i pomiarowy laboratorium wiatrowo-słonecznego

Źródło: Soliński B., Matusik M., Ostrowski J., Soliński I., Turoń K., „Modelowanie funkcjonowania hybrydowych wiatrowo-słonecznych systemów wytwarzania energii elektrycznej”, Wyd. AGH, Kraków 2015

 

Układ ma możliwość pracy w systemie on-grid i off-grid oraz możliwość magazynowania energii wyprodukowanej przez elektrownie wiatrowe w akumulatorze. Każdy element wytwórczy hybrydy posiada własny mikroinwerter DC/DC lub w przypadku elektrowni wiatrowych AC/DC. Dzięki temu możliwy jest pomiar prądu, czyli równocześnie mocy chwilowej wytwarzanej przez dany element hybrydy. Wyjścia inwerterów DC połączono równolegle i tworzą wewnętrzną szynę stałonapięciową 350V. Do szyny tej dołączone są również obie elektrownie wiatrowe. Napięcie przemienne z generatorów wiatrowych jest najpierw konwertowane na napięcie stałe, przy czym inwertery pracują równocześnie jako kontrolery ładowania zasobnika energii. Od strony odbiorników szyna 350V podłączona jest równocześnie do inwertera off-grid oraz do sieci energetycznej przez inwerter on-grid (aktywny prostownik dwukierunkowy) i licznik dwukierunkowy. Układ dzięki swojej budowie ma możliwość łatwej rozbudowy w przyszłości.  Każdy z inwerterów układu można niezależnie włączyć/wyłączyć oraz ustawić sposób sterowania za pomocą odpowiednich komend wysłanych poprzez interfejs szeregowy RS232. Klasyczny algorytm ładowania akumulatora przez turbiny wiatrowe do napięcia U_max (domyślnie 13.8V) wymusza oddanie energii do sieci przez inwerter wiatrowy w chwili przekroczenia napięcia na akumulatorze wartość U_min (domyślnie 13.6V) Włączenie/wy­łączenia poszczególnych przetwornic oraz ustalanie napięć progowych Umin oraz Umax jest realizowane poprzez interfejs RS232. Dzięki umieszczaniu na dachu budynku A1 AGH wszystkich składowych wytwórczych hybrydy wiatrowo-słonecznej cała struktura energetyczna i pomiarowa musi być odpowiednio zabezpieczona odgromowo, na przewodach energetycznych instalacja zamontowano układy przeciw przepięciowe.  Wszystkie urządzenia są programowane przy pomocy złącza RS 232. Tym samym złączem mogą być odczytywane dane o stanie urządzenia. Odpowied­ni protokół transmisyjny dostarcza informacji na temat napięcia i prądów we wszystkich jednostkach wytwórczych elektrowni. Uzupełnieniem całego urządzenia jest rozdzielnica zawierająca pozostałe, niezbędne urządzenia elektroinstalacyjne m.in; ochronniki przeciwprzepięcio­we, rozłączniki izolacyjne, zabezpieczenia nadprądowe oraz zasilacz 24V DC do układów układu śledzenia słońca „solar-track”. Na rysun­ku 12 pokazano inwertery, szafy sterownicze systemu, zainstalowane panele fotowoltaiczne oraz turbiny wiatrowe.

Rys. 12. Składowe systemu badawczego hybrydy wiatrowo-słonecznej,

a – inwertery i szafy sterownicze, b – panele fotowoltaiczne, c – dwuosiowy układ nadążny paneli fotowoltaicznych „solar track”,  d – jednoosiowy układ nadążny paneli fotowoltaicznych „solar track”,  e – turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu, f – turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu

Źródło: opracowanie własne

 

Z uwagi na dużą zależność efektywności energetycznej paneli fotowoltaicznych na temperaturę panelu, kluczowym elementem systemu jest układ do pomiaru temperatury paneli fotowoltaicznych. Uzupełnieniem całego laboratorium jest układ służący do pomiaru efektywności energetycznej prototypowych baterii ogniw fotowoltaicznych. Układ ten nie stanowią elementu systemu energetycznego całego laboratorium. Do głównych zadań laboratorium hybrydowego należą badania efektywnością energetyczną różnych typów ogniw i modułów fotowoltaicznych, efektywnością energetyczną różnych typów elektrowni wiatrowych. Tak określony zakres badań wymusił zaprezentowaną wcześniej konfigurację elek­trowni hybrydowej od strony rozwiązań energetycznych. We wszystkich składowych układu mierzone jest napięcie V oraz prąd wyjściowy I oraz temperatura t każdego panelu fotowoltaicz­nego poprzez zamontowane bezpośrednio do dolnej części panelu termopary pomiarowe PT100. Za pomiar temperatury paneli fotowoltaicznych oraz do pomiar wydajności energetycznej ogniw doświadczalnych odpowiada zintegrowany układ kon­trolno-pomiarowy firmy National Instruments (Compact Rio: cRIO- 9075). Składa się on z mikrokontrolera czasu rzeczywistego taktowanego sygnałem zegarowym do 400MHz, programowalny układ logiczny Spartan-6 LX25, Port Ethernet 10/100BASE-TX, 128 M-Bajtów pamięci DRAM, 256 M-bajtów nieulotnej pamięci, port szeregowy RS-232, 4 gniazda rozszerzeń umożliwiające dołączenie dodatkowych układów wejścia–wyjścia.    Programowanie układu jest możliwe z użyciem środowiska programowego Lab-View. Wszystkie dane pomiarowe przesyłane są do serwera umieszczonego w laboratorium w 10-cio minutowych zbiorach danych a z stamtąd trafiają do baz danych MySQL.

Za pomiar danych meteorologicznych odpowiada zamontowana da dachu budynku AGH profesjonalna stacja meteorologiczna (rysunek 13) z czujnikami zamontowanymi na maszcie pomiarowym. W skład stacji wchodzą:

• dwa umieszczone na wysokości 1 i 5 m anemometry mechaniczne fir­my NRG Systems, NRG #40C. Są to anemometry mechaniczne, trójczaszowe, wyposażone w prze­twornik indukcyjny. Zakres prędkości mierzonych wynosi od 1 m/s do 96 m/s. Generują sygnał sinusoidalny, o częstotliwości proporcjonalnej do prędkości wiatru od 0 do 125 Hz. Zakres temperatur pracy wynosi od –55°C do 60° Dokładność czujnika wynosi ±0,06 m/s przy prędko­ści 10 m/s.
• dwa czujniki kierunku wiatru typu NRG #200P. Czujniki są wyposażone w przetworniki potencjometryczne, które za­silone napięciem stałym pełnią rolę dzielników napięcia. Umożliwiają pomiar kierunku wiatru od 0 do 360°C z 8°–wym polem martwym. Minimalna prędkość wiatru, umożliwiająca pomiar kierunku wynosi 1 m/s. Zakres temperatur pracy wynosi od –55°C do 60° Błąd pomiaru, wynikający z nieliniowości potencjometru wynosi 1%.
• dwa pyranometry Kipp-Zonen CMP6. Jeden odpowiada za pomiar promieniowania rozproszonego a drugi za pomiar promieniowania odbitego. Pyranometr Kipp-Zonen CMP6 jest czujnikiem natężenia promieniowania słonecznego. Elementem mierzącym jest termopara. Zakres pomiarowy wnosi od 0 w/m² do 2000 W/m². Zakres temperatur pracy wynosi od –40°C do 80°
• miernik ciśnienia atmosferycznego Apogee Instruments SB-100. Jest czujnikiem piezorezystancyjnym z wbudowany wzmacniaczem za­silanym napięciem 5V. Zakres pomiarowy wynosi od 15kPa do 115 kPa. Zakres temperatur pracy wynosi –40°C do 125° Dokładność pomiaru wynosi ± 1,5%.
• miernik opadów atmosferycznych ADCON GmbH, RG1. Jest miernikiem mechanicznym generującym sygnał w postaci impul­sów o ilości proporcjonalnej do ilości opadów. Rozdzielczość pomiaru wynosi 0,1 mm, przy powierzchni czynnej 400 cm² a dokładność pomia­rów 3%.
• czujnik temperatury i wilgotności z osłoną radiacyjną: ABNsoft THP100. Jest zintegrowanym urządzenie umożliwiającym pomiar temperatury w zakresie od –40°C do 105°C oraz pomiar wilgotności względnej od 0% do 100%. Dokładność pomiaru temperatury wynosi ±0,3°C, a pomiaru wilgotności ±1,8%.
• rejestrator danych Thermo Fisher Inc., DATATAKER DT80. Posiada 15 analogowych kanałów pomiarowych. 12 cyfrowych kanałów pomiarowych. Programowalna częstotliwość pomiaru wynosi od 1s do 24h. Wbudowana pamięć 128MB umożliwia akwizycję danych. Istnie­je możliwość zapisywania danych na kartach SD, nośnikach typu Pen­drive, komunikacji z komputerem przy pomocy złącza USB. Możliwość zdalnej akwizycji danych na serwerze FTP. Kontrolę poprawności pracy rejestratora ułatwia wyświetlacz alfanumeryczny LCD, 6-cio przycisko­wa klawiatura i wyświetlacz statusu urządzenia.
• system transferu danych GPRS- Cinterion BGS2,
• moduł fotowoltaiczny z akumulatorem.

Tak skonfigurowana stacja meteorologiczna pozwala na monitorowanie wszystkich ważnych dla pracy jednostek wytwórczych elektrowni hybrydowej warunków atmosferycznych, archiwizację danych pomiarowych oraz późniejszą we­ryfikację obliczonej na podstawie informacji o prędkości wiatru i nasłonecznieniu spodziewanej produkcji energii z produkcją rzeczywistą. Również w przypadku tego urządzenia odbywa się ciągła akwizycja danych w bazie MySQL.

Rys. 13. Stacja meteorologiczna zainstalowana na dachu budynku AGH A1

Źródło: Soliński B., Matusik M., Ostrowski J., Soliński I., Turoń K., „Modelowanie funkcjonowania hybrydowych wiatrowo-słonecznych systemów wytwarzania energii elektrycznej”, Wyd. AGH, Kraków 2015

Rysunek 14 przedstawia schemat transmisji danych pomiędzy stacją meteorologiczną zainstalowaną na dachu budynku AGH A1 a serwerem danych.

Rys. 14. Schemat transmisji danych pomiędzy stacją meteorologiczną a serwerem danych

Źródło: opracowanie własne

 

Tak zaprojektowany układ pozwala dokładnie i rzetelnie mierzyć oraz archiwizować dane meteorologiczne. Największą trudnością przy konfiguracji układu była synchronizacją poszczególnych etapów, które musi przejść pojedyncza wartość pomiarowa od czujnika pomiarowego do aplikacji klienckiej, która umożliwia odczyt danych we wszystkich lokalizacjach z dostępem do sieci internetowej. Układ ze względu na swoją specyfikę możemy nazwać zbiorem danych „Big Data”. Tylko w trakcie jednej godziny do serwera wpływa 46 800 pomiarów warunków meteorologicznych.

BADANIA PARAMETRÓW ENERGETYCZNYCH WIATRU I SŁOŃCA

Jak już wspomniano odpowiednio zaprojektowany układ pomiarowy pozwala na bardzo dokładny pomiar warunków meteorologicznych i pracy całego systemu wytwórczego. Poniżej przedstawiono wyniki pomiaru jednego z elementów całego układu pomiarowego , dotyczącego rejestracji parametrów energetycznych wiatru i słońca.  Dzięki szczegółowemu pomiarowi, który odbywa się co sekundę, dane pozwalają dokładnie obserwować zachodzące zmiany warunków meteorologicznych, które w przypadku uśredniania nie są tak wyraźne. Dla zobrazowanie tego zjawiska na rysunkach 15-18 przedstawiono różnice pomiędzy danymi uśrednianymi dziesięciominutowo i minutowo, a danymi sekundowymi.

Rys. 15. Róża wiatrów w oparciu o dane:

a – dziesięciominutowe, b – minutowe, c- sekundowe

Źródło: opracowanie własne

W przypadku pomiaru kierunku wiatru można stwierdzić, iż uśrednianie danych powoduje swoiste uwypuklenie kierunków wiatru, które występowały najczęściej (od 30° do 150°), w wyniku uśrednienia dane o kierunkach 0° – 30° oraz 150° – 180° nie są widoczne na róży wiatru (rysunek 15 a).

Rys. 16. Wykres prędkość wiatru w oparciu o dane:

a – dziesięciominutowe, b – minutowe, c-sekundowe

Źródło: opracowanie własne

W przypadku prędkości wiatru dane uśrednione nie pokazują chwilowych zmian prędkości wiatru sięgających nawet 2 m/s. Ma to duże znaczenie w przypadku energetyki wiatrowej gdzie energia kinetyczna strumienia wiatru zależy od prędkości wiatru podniesionej do potęgi trzeciej [2].

Rys. 17. Wykres promieniowania słonecznego w oparciu o dane:

a – dziesięciominutowe, b – minutowe, sekundowe

Źródło: opracowanie własne

Natomiast uśrednione dane promieniowania słonecznego eliminują możliwość zaobserwowania tzw. efektu chmury. Ma on kluczowe znaczenie w przypadku chwilowych spadków produkcji energii elektrycznej przez panele fotowoltaiczne.

Rys. 18. Wykres temperatury, wilgotności, temperatury punktu rosy oraz ciśnienia atmosferycznego w oparciu o dane: a – dziesięciominutowe, b – minutowe, sekundowe

Źródło: opracowanie własne

Jak widać na rysunku 18 uśrednianie pomiarów temperatury, wilgotności, temperatury punktu rosy oraz ciśnienia atmosferycznego nie wpływa znacząco na przydatność danych. Parametry te są parametrami, które znacząco zmieniają się w okresach czasu dłuższych niż 10 minut.

Rysunki 15 – 16 tylko potwierdzają założenia projektantów układu pomiaru oraz transmisji danych pomiędzy stacją meteorologiczną a serwerem danych zbudowanego w Laboratorium Wiatrowo-Słonecznym. Parametry atmosferyczne kluczowe dla energetyki odnawialnej takie jak kierunek i prędkość wiatru oraz promieniowani słoneczne są mierzone i archiwizowane w ujęciu sekundowym dają więcej możliwości analizy samych danych jak i danych o produkcji energii elektrycznej przez turbiny wiatrowe czy panele fotowoltaiczne.

Dane uzyskane w ramach projektu NCBiR nr POIG.01.03.01-30-056/12, pn.: “Badania nad opracowaniem wytycznych, technik i technologii dla systemów kompensacji mocy biernej, inteligentnego monitoringu wewnętrznych sieci elektroenergetycznych oraz ogniw fotowoltaicznych dedykowanych obiektom hybrydowym opartym wyłącznie o źródła odnawialne”

Więcej informacji na stronie projektu: www.wiet-poig.agh.edu.pl

BIBLIOGRAFIA

1. Soliński I., Soliński B., „Przełęcz Dukielska „Polską Kalifornią Wiatrową”, Czysta Energia nr. 5(33)/2004
2. Soliński I., Soliński B., Ostrowski J., Energia wiatru Komputerowy system monitoringu” AGH, Kraków 2010
3. Soliński I. „Energetyczne i ekonomiczne aspekty wykorzystania energii wiatrowej”, Instytutu GSMiE. PAN, Kraków 1999
4. „Hybrydowy, wiatrowo-słoneczny system wytwarzania energii elektrycznej”, praca zbiorowa pod red. Solińskiego B., Wyd. Agencji Reklamowej TOP, Kraków 2014.
5. Soliński B., Matusik M., Ostrowski J., Soliński I., Turoń K., „Modelowanie funkcjonowania hybrydowych wiatrowo-słonecznych systemów wytwarzania energii elektrycznej”, Wyd. AGH, Kraków 2015