RETI DI SENSORI PER IL MONITORAGGIO IN TEMPO REALE DI IMPIANTI FOTOVOLTAICI

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1 Università degli Studi di Siena Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni RETI DI SENSORI PER IL MONITORAGGIO IN TEMPO REALE DI IMPIANTI FOTOVOLTAICI Relatore Prof. Benelli Giuliano Correlatore Baldo David Tesi di laurea di Andrea Paetti A. A. 2010/2011 Data 12/12/2011

2 Indice Introduzione 1 1 Il Fotovoltaico Premessa Impianti Fotovoltaici Impianti Isolati (Stand Alone) Impianti connessi alla rete (Grid Connected) Componenti degli Impianti Moduli Fotovoltaici Generatore Fotovoltaico Inverter Dispositivi di sicurezza Strumenti di Misura Manutenzione Impianto fotovoltaico Progettazione sistema di monitoraggio Obiettivi del monitoraggio Approccio seguito per la scelta e la progettazione del sistema di monitoraggio Punti monitoraggio Descrizione sistema di monitoraggio Progettazione della rete Wireless i

3 INDICE ii Standard IEEE Dispositivi utilizzati Premessa Moduli Xbee serie Connessione con il calcolatore Arduino Uno Arduino XBee Shield IR TSOP34836 Receiver Module 36kHz Sonda PT Smartec UTI(Universal Transducer Interface) Tecnica a three-signal e calibrazione La misura dei valori dei sensori Modalità con termoresistenza Pt100 o Pt1000, Connessione e congurazione dei componenti Congurazione moduli XBee Realizzazione circuito IR Programma IR Realizzazione circuito Sonda Pt Programma sonda Pt Raccolta dati Tecnologie utilizzate per implementare il software Breve descrizioni delle classi del programma Stazione Meteo Stazione Meteo LA CROSSE WS Il programma di gestione della WS Protocollo RS232 per WS23** Descrizione Classi WS ii

4 INDICE iii 6 Conclusioni e Sviluppi Futuri 79 A Codice Implementato 82 Bibliograa 93 iii

5 Elenco delle gure 1.1 Impianto grid connected Caratteristica I-V Generatore Fotovoltaico Impianto di Chiusi da 18,3kW Tipologie di rete WSN Xbee e XbeePRO serie XBee USB Development Board Arduino UNO Arduino XBee Shield IR TSOP34836 Receiver Module 36kHz Sonda PT Schema a blocchi e Congurazione pin 16-DIL Il segnale di uscita del UTI in modalità 3-fase Schema collegamento pt1000 a due wire X-CTU ZNET 2.5 COORDINATOR AT X-CTU ZNET 2.5 ROUTER / END DEVICE AT Schema circuito IR Schema completo sonda PT Periodo sonda PT Graco Temperatura iv

6 ELENCO DELLE FIGURE v 5.1 Stazione Meteo v

7 Introduzione L'aumento senza precedenti storici del prezzo del petrolio, i cambiamenti climatici e il crescente fabbisogno energetico hanno portato la politica internazionale a puntare sulla produzione di energia da fonti rinnovabili. A dierenza di alcune fonti rinnovabili, il fotovoltaico benecia dell'indipendenza del luogo di installazione rispetto alla fonte di energia. Dunque, gli impianti fotovoltaici risultano essere gli unici idonei ad applicazioni di tipo locale, essendo modulari e con potenze che vanno dai milliwatt ai megawatt. I sistemi fotovoltaici rappresentano una delle soluzioni più utilizzate per produrre energia pulita. In Italia, ad esempio, negli ultimi anni la crescita del numero e della potenza degli impianti fotovoltaici è avvenuta a ritmi molto sostenuti. Basti pensare che gli impianti esistenti a ne 2008 sono circa cinque volte di più rispetto a quelli installati no al Nel 2009 e nel 2010 sono più che raddoppiati rispetto all'anno precedente. Riguardo alla potenza, dagli 87 MW del 2007 si è passati a cinque volte tanto nel 2008, mentre nel 2009 e nel 2010 la crescita è stata pari, rispettivamente, al 165% e al 203% rispetto all'anno precedente e si prevede che a ne di questo anno la potenza installata sarà circa 4,7GW[1]. Nonostante questo notevole sviluppo, favorito anche dagli incentivi statali, i costi per la realizzazione degli impianti fotovoltaici restano elevati, rendendo l'energia prodotta poco competitiva e ancora inferiore al 3% della richiesta nazionale. Uno strumento utile per aumentare la concorrenzialità del fotovoltaico è l'utilizzo di sistemi di monitoraggio in grado di misurare la potenza 1

8 eettivamente prodotta dall'impianto rispetto a quella nominale. Tuttavia per calcolare la potenza eettivamente prodotta bisogna tener conto di vari fattori, quali le condizioni climatiche, la radiazione solare, ma anche il grado di manutenzione e pulizia dei pannelli solari e dello stato delle altre componenti dell'impianto. Nonostante i sistemi di monitoraggio attualmente in commercio siano basati su tecnologie tradizionali, è in atto un'evoluzione dei sistemi di monitoraggio, che grazie al crescente progresso delle reti di sensori wireless o WSN (Wireless Sensor Network), permettono di misurare, elaborare e trasmettere dati e sono in grado di adattarsi ai vari contesti. L'utilizzo delle WSN all'interno di impianti fotovoltaici può consentire lo sviluppo di una nuova generazione di sistemi di monitoraggio in grado di monitorare ogni singola componente fornendo i dati per valutare l'ecienza dell'impianto in tutti i suoi aspetti. Il presente lavoro di tesi si colloca all'interno di questo scenario di sviluppo del settore fotovoltaico e all'interno del progetto europeo PHOIBOS, che si propone di realizzare un ambiente per il monitoraggio, la gestione, la manutenzione e la sicurezza di un impianto utilizzando le moderne tecnologie ICT(Information and Communication Technology). All'interno di questa tesi è stata sviluppata una parte di questi aspetti, trattando in particolare la costruzione della WSN per il recupero dei dati. Inizialmente è stato approfondito lo studio delle varie componenti che si trovano in un impianto fotovoltaico focalizzando l'attenzione sulle relative grandezze siche fornite e i possibili problemi che si posso riscontrare. Una volta individuati tutti i punti d'interesse in cui eettuare le misurazioni è stato progettato un sistema di monitoraggio scegliendo la componentistica in base al prezzo e all'utilità. Fra tutti i componenti in questa tesi si è deciso di monitorare i valori del contatore d'energia dell'enel, la temperatura di retro modulo e i fattori ambientali. Per l'implementazione del sistema è stata utilizzata una WSN point multi-point formata da tre dispositivi Xbee, un coordinator e due 2

9 end-device, entrambi montati direttamente su Arduino, che fornisce la lettura dei dati del contatore tramite infrarosso e della temperatura tramite una sonda. La stazione meteo è stata montata a parte poiché prevedeva già una comunicazione Wi-Fi. Inne per ognuna delle componenti è stato sviluppato un software scritto in Java che si occupa nel caso degli Xbee di ltrare e inviare i dati ricevuti dalla rete ad un database remoto e per la stazione meteo di decifrare il protocollo della stazione meteo e d'inviare i dati al database remoto.per entrambi i casi vengono anche visualizzati i graci relativi alle varie grandezze di misura. La tesi prevede l'integrazione con un altro lavoro di tesi in cui vengono sviluppati il database e un sito web che permette la registrazione degli utenti e la visualizzazione dei dati e dei graci. 3

10 Capitolo 1 Il Fotovoltaico Nel presente capitolo si analizza la tecnologia fotovoltaica con particolare attenzione alle diverse tipologie d'impianto fotovoltaico e alla loro componentistica. Verranno descritte le varie grandezze siche dei componenti e i relativi problemi tecnici. 1.1 Premessa La tecnologia fotovoltaica consente di trasformare direttamente in energia elettrica l'energia associata alla radiazione solare. Essa sfrutta il cosiddetto eetto fotovoltaico, basato sulle proprietà di alcuni materiali (il più utilizzato è il silicio, elemento molto diuso in natura) che, opportunamente trattati, sono in grado di convertire l'energia solare in corrente elettrica continua. Il dispositivo elementare capace di operare una conversione dell'energia solare si denisce cella fotovoltaica. Generalmente le celle fotovoltaiche hanno uno spessore che varia fra i 0,25 ai 0,35 mm ed hanno una forma quadrata, quadrata con smussature o circolare, con una supercie pari a circa 100 cm 2 (no a 225cm 2 ). La cella si comporta come una minuscola batteria fornendo, nelle condizioni standard di irraggiamento, una potenza di 1,5W con una corrente di 3 ampère(a) e una tensione di circa 0,5-0,6 volt(v) estremamente 4

11 1.2. IMPIANTI FOTOVOLTAICI 5 modesta: ecco perché vengono collegate più celle in serie[2]. Il componente base, commercialmente disponibile, è invece il modulo composto da più celle collegate ed incapsulate. La corretta esposizione all'irraggiamento solare dei moduli fotovoltaici rappresenta un fattore chiave al ne di ottenere le prestazioni ottimali dell'impianto in termini di producibilità di energia elettrica. Ad esempio in Italia l'esposizione ottimale è verso Sud con un inclinazione di circa gradi. Quindi sarà molto importante monitorare l'irraggiamento per vericare la corretta esposizione dei moduli e il rendimento dei suddetti. In base alle applicazioni a cui sono destinati, questi moduli possono essere utilizzati collegandoli in serie o in parallelo, formando in questo modo stringhe e campi fotovoltaici. L'energia di un generatore fotovoltaico non è utilizzata direttamente collegandola alle utenze, ma vengono interposti dei dispositivi con funzioni elettriche ben speciche. 1.2 Impianti Fotovoltaici Gli impianti fotovoltaici sono l'aggregazione di dispositivi, meccanici elettrici ed elettronici atti a captare e trasformare l'energia solare disponibile, rendendola utilizzabile sotto forma di energia elettrica. Essi possono essere di diverso tipo: ˆ impianti ad isola (stand alone): ovvero un sistema totalmente autonomo che non viene collegato in rete. Sono sistemi che alimentano carichi elettrici particolari che si trovano in zone disagiate e dicilmente raggiungibili con una linea elettrica. ˆ impianti collegati alla rete (grid connected): sistemi che forniscono energia alla rete elettrica. In tutti e due i casi la grandezza dell'impianto dipende dal tipo di applicazione che si vuole realizzare e soprattutto dal luogo in cui verrà installato. Inoltre 5

12 1.2. IMPIANTI FOTOVOLTAICI 6 gli impianti fotovoltaici vengono divisi in Grandi Impianti e Piccoli Impianti facendo riferimento ai criteri riportati nel Quarto Conto Energia 1. I Grandi Impianti sono gli impianti fotovoltaici di potenza superiore a 1MW realizzati su edici e impianti di potenza superiore a 200kW realizzati a terra. Mentre per Piccoli Impianti fotovoltaici si intendono gli impianti installati su edici con una potenza non superiore a 1000kW e gli impianti fotovoltaici installati a terra con una potenza non superiore a 200kW e operanti in regime di scambio sul posto 2 [3]. Gli impianti fotovoltaici di particolare interesse per questa tesi sono quelli di Piccola taglia connessi alla rete. In particolare esamineremo impianti che hanno una potenza nominale intorno ai 20KW che rappresentano il numero maggiore di impianti installati da privati e imprese. Di seguito verrà riportata una breve descrizione degli impianti stand alone, approfondendo i sistemi connessi alla rete Impianti Isolati (Stand Alone) I sistemi isolati, o stand alone, come detto in precedenza, vengono utilizzati in zone remote dove potrebbe risultare dicile collegarsi alla rete. Naturalmente è necessario assicurare la continuità dell'alimentazione, anche nei momenti in cui l'irraggiamento risulta insuciente. A questo scopo l'impianto viene integrato con un sistema di accumulo dell'energia elettrica, costituito generalmente da un banco di batterie ricaricabili. Il generatore fotovoltaico 1 Il Quarto Conto Energia editato nel Maggio 2011 decreta un nuovo piano tariario sino al 2016 prevedendo un abbassamento delle tarie incentivanti di anno in anno per privati, imprese ed enti pubblici che istallano un impianto fotovoltaico connesso alla rete. 2 Lo scambio sul posto è un meccanismo che consente, in generale, di immettere in rete l'energia elettrica prodotta ma non immediatamente autoconsumata, per poi prelevarla in un momento successivo per soddisfare i propri consumi. Al termine di ciascun anno si eettua il conguaglio facendo la dierenza tra le immissioni e i prelievi di energia dalla rete. 6

13 1.2. IMPIANTI FOTOVOLTAICI 7 viene dimensionato in modo da svolgere contemporaneamente, nei periodi di buona disponibilità della radiazione solare, una doppia funzione: ˆ l'alimentazione dell'utenza collegata; ˆ la ricarica degli accumulatori. Le batterie devono essere dimensionate in modo da poter garantire un'autonomia di funzionamento di alcuni giorni. È infatti prudente prevedere anche la possibilità che, in presenza di situazioni climatiche particolarmente avverse, possa venir meno per un periodo prolungato un suciente irraggiamento solare. Sulla base delle considerazioni appena fatte, per ulteriore sicurezza, molto spesso si integra il sistema isolato con un gruppo elettrogeno di tipo tradizionale (di solito un generatore diesel), da usare in caso di emergenza. Inoltre in questo tipo di sistemi sono necessari il regolatore di carica, utile per evitare danneggiamenti o il rapido deterioramento delle batterie, e l'inverter, che trasforma l'energia elettrica in uscita dagli accumulatori da continua in alternata prima di inviarla al carico. In alcuni casi, si può non avere l'inverter, infatti nei sistemi in corrente continua(dc) l'energia prodotta dai moduli viene direttamente utilizzata dal carico. Attualmente le applicazioni più diuse dei sistemi stand alone sono case di montagna isolate, segnaletica sulle strade, nei porti e negli aeroporti, alimentazione dei servizi nei camper, ecc Impianti connessi alla rete (Grid Connected) Gli impianti connessi alla rete, non necessitando di batterie di accumulo, sono piuttosto semplici: l'energia prodotta dai pannelli fotovoltaici, dopo essere stata convertita da continua in alternata tramite un inverter, viene consumata dall'utenza collegata oppure viene immessa direttamente nella rete, mentre un contatore bidirezionale registra il rapporto tra energia ceduta alla rete ed energia prelevata da essa. Se l'impianto solare produce più energia 7

14 1.2. IMPIANTI FOTOVOLTAICI 8 di quella richiesta dall'utenza, il surplus può essere immesso in rete. In questo caso si parla di cessione delle eccedenze alla rete elettrica locale. L'energia fotovoltaica ceduta alla rete viene remunerata un tot di euro al kw in base alle tarie del Quarto Conto Energia e quella prelevata avrà un certo costo. I componenti fondamentali di un sistema fotovoltaico connesso alla rete sono, come si vede in gura 1.1: ˆ Generatore fotovoltaico; ˆ Inverter; ˆ Quadro elettrico: in esso avviene la distribuzione e la misurazione dell'energia fornita dall'impianto; ˆ Contatore di energia: misura l'energia prodotta dall'impianto fotovoltaico durante il suo periodo di funzionamento. ˆ Rete: allacciamento alla rete pubblica. Figura 1.1: Impianto grid connected Una tipica applicazione di questo settore è quella degli impianti fotovoltaici integrati sugli edici, come ad esempio quelli installati su tetti e facciate. 8

15 1.3. COMPONENTI DEGLI IMPIANTI Componenti degli Impianti Un aspetto fondamentale per realizzare un buon sistema di monitoraggio è la conoscenza dei vari componenti di un impianto fotovoltaico e delle grandezze siche che forniscono, con i relativi problemi. Nella classicazione degli elementi costitutivi di un impianto fotovoltaico è possibile operare una prima suddivisione sommaria in due categorie principali, rappresentate dai moduli fotovoltaici da una parte e da tutta la componentistica non fotovoltaica dall'altra. Quest'ultimo raggruppamento è composto da cavi e quadri elettrici, inverter, batterie di accumulo e regolatori di carica, ma anche dalle strutture di sostegno e di ancoraggio. Scendendo maggiormente nel dettaglio si possono analizzare sinteticamente i singoli sub sistemi Moduli Fotovoltaici Un modulo fotovoltaico è l'elemento base di ogni impianto fotovoltaico. Questo consiste in un insieme di celle fotovoltaiche opportunamente collegate fra loro che captano la radiazione solare durante il giorno trasformandola in energia elettrica. Le caratteristiche elettriche di un modulo fotovoltaico sono analoghe a quelle delle singole celle che lo compongono. In particolare una cella di un modulo fotovoltaico esibisce, per vari valori dell'irraggiamento solare, e per vari valori della temperatura, una famiglia di curve caratteristiche, come quelle di gura 1.2. Figura 1.2: Caratteristica I-V 9

16 1.3. COMPONENTI DEGLI IMPIANTI 10 Su ogni curva caratteristica esiste uno ed un solo punto tale per cui è massimizzato il trasferimento di potenza verso un ipotetico carico alimentato dal modulo fotovoltaico. Il punto di massima potenza, indicato con MPP (Maximum Power Point) corrisponde alla coppia tensione-corrente tale per cui è massimo il prodotto V*I, dove V è il valore della tensione ai morsetti del modulo e I è la corrente che circola nel circuito ottenuto chiudendo il modulo su un ipotetico carico. A seconda del tipo di cella utilizzata, si possono distinguere quattro principali tipi di pannelli fotovoltaici: pannelli monocristallini, pannelli policristallini, pannelli a lm sottile, pannelli a concentrazione. L'ecienza dei pannelli fotovoltaici varia molto a seconda della tecnologia della cella, e per i tipi normali (cioè monocristallini, policristallini, lm sottile) dipende dalla temperatura ambiente: più quest'ultima è alta e più l'ecienza si riduce. Mentre, per gli innovativi pannelli a concentrazione basati sulle moderne celle multigiunzione, l'ecienza aumenta al crescere del livello di concentrazione della luce [4]. A causa del naturale aaticamento dei materiali, le prestazioni di un pannello fotovoltaico comune diminuiscono di circa un punto percentuale su base annua no al raggiungimento del tempo di assestamento. Per garantire la qualità dei materiali impiegati, la normativa obbliga una garanzia di minimo due anni sui difetti di fabbricazione ed anche sul calo di rendimento del silicio nel tempo, che deve essere garantito per un minimo di 20 anni. La garanzia oggi nei moduli di buona qualità è del 90% sul nominale per 10 anni e dell'80% sul nominale per 25 anni. I moduli fotovoltaici odierni vengono dismessi dopo un ciclo di vita di anni, a causa della perdita di potenza dei moduli Generatore Fotovoltaico Il generatore è il cuore del sistema e la parte più costosa e delicata dell'impianto. Esso è costituito da un certo numero di moduli fotovoltaici che vengono interconnessi tra di loro formando così un pannello che trasforma la 10

17 1.3. COMPONENTI DEGLI IMPIANTI 11 radiazione solare in corrente continua, come si vede in gura 1.3. Figura 1.3: Generatore Fotovoltaico Le caratteristiche del generatore si possono denire attraverso diversi parametri elettrici principali, tra i quali: ˆ la potenza nominale Pn, cioè la potenza erogata in condizioni standard(temperatura pari a 25 C e radiazione pari a 1.000W/m 2 ) dall'insieme dei pannelli interconnessi tra loro; ˆ la tensione nominale Vn, cioè la tensione alla quale viene erogata la potenza nominale. I valori desiderati di potenza e tensione si ottengono a seconda del numero e delle modalità di collegamento serie-parallelo dei moduli fotovoltaici. La congurazione tipica del generatore si basa sul collegamento in serie di stringhe di moduli, ottenute mettendo in serie un numero opportuno di moduli o di gruppi di moduli connessi in parallelo tra loro. Il collegamento in serie all'interno delle stringhe fornisce il valore voluto di tensione, a seconda del 11

18 1.3. COMPONENTI DEGLI IMPIANTI 12 numero dei moduli impiegati, mentre il numero di stringhe collegate in parallelo ad un quadro di campo determina la corrente di lavoro. La combinazione di questi due parametri, inne, individua la potenza complessiva del campo (ricordiamo la relazione P = V * I). Nella progettazione del generatore e in particolare delle stringhe bisogna prestare particolare attenzione a scegliere moduli identici e della stessa ditta produttrice con le stesse caratteristiche elettriche, in modo da evitare il fenomeno del mismatch, cioè di non perfetto accoppiamento, dovuto alla disomogeneità delle caratteristiche elettriche nei pannelli che provoca una perdita di massima resa. Questo può essere anche causato da una cella mal funzionante. In particolare, una cella connessa in serie ad altre, se smette di lavorare nelle normali condizioni operative (per esempio, perché ombreggiata o guasta), con conseguente diminuzione della corrente prodotta, può dar vita al cosiddetto eetto hot spot( C). In pratica la cella, anziché come un generatore, si comporta come un carico, surriscaldandosi. Questo provoca che in una serie di moduli la corrente totale è pari a quella del modulo meno performante, con conseguente riduzione dell'ecienza complessiva di tutto l'impianto. Tale fenomeno può arrivare a provocare perdite dell'ordine del 5-10% della potenza nominale[5]. Per compensare questi fenomeni, vengono installati nella scatola di giunzione (junction box) uno o più diodi di by-pass, evitando così un collasso delle prestazioni. Il diodo di by-pass permette di cortocircuitare il modulo o una parte di esso, creando un percorso alternativo per la corrente elettrica. Inoltre per proteggere, una stringa da correnti inverse o da cortocircuiti, si utilizzano anche sezionatori bipolari utili per separare, riparare o eettuare delle misure sulle singole stringhe. Quindi ai ni del monitoraggio sarà importante riuscire a ricavare la corrente e la tensione delle stringhe, per determinare il corretto funzionamento e se si vericano guasti ai moduli. 12

19 1.3. COMPONENTI DEGLI IMPIANTI Inverter Gli inverter esaminati in questo paragrafo sono relativi ad un impianto gridconnceted, mentre le caratteristiche degli inverter per impianti stand-alone non verranno prese in considerazione. In passato, questi componenti erano inecienti e poco adabili, mentre gli inverter della generazione attuale sono molto ecienti (dall'85% al 97%) ed adabili, infatti, oggi, vengono addirittura prodotti micro-inverter per singolo modulo. L'inverter è una componente di sistema molto importante che svolge tre fondamentali funzioni: 1. trasforma la corrente continua D.C. prodotta dal generatore fotovoltaico in corrente alternata A.C. ad un livello di tensione e frequenza compatibili e in fase con quelli della rete elettrica, a cui viene connesso in parallelo l'impianto fotovoltaico; 2. permette di far funzionare istantaneamente il generatore fotovoltaico nelle condizioni di massima ecienza inseguendo il punto di massima potenza MPPT(Maximum Power Point Tracker). L'inseguitore del punto di massima potenza è sempre presente negli impianti connessi alla rete; 3. permette il monitoraggio dell'intero sistema fornendo tutte le grandezze d'interesse(corrente, tensione, potenza ecc... ) sia della parte in continua che in quella alternata. Gli inverter più diusi, destinati prevalentemente ad impianti di piccola e media taglia, sono caratterizzati da condizioni di tensione e frequenza della corrente in uscita pari a quelle della rete pubblica, e cioè 220V monofase e 50Hz, oppure 400V trifase e 50Hz. Questo è garantito dai circuiti dei circuiti 13

20 1.3. COMPONENTI DEGLI IMPIANTI 14 PWM (Pulse Width Modulation) 3 sull'uscita. Il PWM permette di avere in un'uscita un valore medio della tensione che dipende dal duty cycle 4. L'insieme dei valori medi permette di realizzare una sinusoide tanto più ideale tanto più la frequenza di modulazione è elevata[6]. Una funzione molto importante che svolge l'iverter, come accennato sopra, è l'inseguimento del punto di massima potenza MPPT(Maximum Power Point Tracker). I moduli fotovoltaici infatti, hanno una curva caratteristica V-I tale che esiste un punto di lavoro ottimale, detto appunto Maximum Power Point, in cui è possibile estrarre tutta la potenza disponibile. Tale punto della caratteristica varia continuamente in funzione del livello di radiazione solare che colpisce la supercie delle celle. È evidente che un inverter in grado di restare agganciato a questo punto, otterrà sempre la massima potenza disponibile in qualsiasi condizione. Gli altri parametri tecnici caratteristici dell'inverter, ritenuti di maggiore interesse ai ni della presente trattazione, vengono elencati sinteticamente di seguito. Ecienza di conversione dell'inverter L'inverter è caratterizzato da una ecienza che non è costante, ma dipende dalle condizioni operative in cui l'apparecchio lavora ed è denita, istante per istante, dalla: η = P out P in in cui: ˆ η rappresenta l'ecienza del dispositivo; ˆ Pout indica la potenza elettrica in uscita in corrente alternata [W]; ˆ Pin indica la potenza elettrica in ingresso in corrente continua [W]. 3 Pulse Width Modulation: modulazione a larghezza di impulso: non è altro che un'onda quadra a frequenza ssa ma duty cycle variabile, il quale comanda i transistor per il tempo voluto. 4 Il duty-cycle è il rapporto tra la durata del segnale alto e il periodo totale del segnale. 14

21 1.3. COMPONENTI DEGLI IMPIANTI 15 I prodotti attualmente più diusi, ad ogni modo, presentano ecienze piuttosto alte. L'inverter più performante raggiunge un'ecienza del 97,8%, che però scende drasticamente (75-80%) quando non lavora a pieno carico. A questo proposito, i costruttori forniscono normalmente la Maximum eciency e la Euro eciency, quest'ultima calcolata come media pesata del rendimento in dierenti condizioni di funzionamento. Potenza Nominale Si denisce potenza nominale dell'inverter, in uscita o in entrata, la potenza, in watt o kilowatt, che l'apparecchio è in grado di erogare o assorbire in determinate condizioni di riferimento (indicate generalmente dal produttore) per un intervallo indenito di tempo. Come già introdotto precedentemente, il relativo valore è in genere leggermente inferiore rispetto a quello della potenza massima in uscita. Tensione massima d'ingresso L'inverter raccoglie una o più stringhe di moduli, ciascuna delle quali non può superare un valore limite di tensione, che rappresenta la massima tensione d'ingresso, espressa in volt. Il suo valore, per i prodotti più diusi in commercio, varia all'incirca tra 400 e V, a seconda della taglia dell'apparecchio. Finestra di tensione Si denisce nestra di tensione l'intervallo compreso tra il valore di tensione minimo e quello massimo entro cui l'inverter è in grado di eettuare la ricerca del punto di massima potenza del generatore fotovoltaico. Per il corretto funzionamento dell'impianto ed una conversione della potenza con rendimento accettabile, la tensione del punto di massima potenza delle stringhe si deve mantenere entro questo range. In particolare, la nestra di tensione deve 15

22 1.3. COMPONENTI DEGLI IMPIANTI 16 essere piuttosto ampia per far fronte alle variazioni di tensione del generatore fotovoltaico con la temperatura e per permettere una certa libertà nella congurazione impiantistica. Riguardo a questo aspetto, negli inverter commerciali, il rapporto tra le tensioni massime e minime è normalmente compreso tra 1:2 e 1:3. Corrente massima d'ingresso Analogamente a quanto avviene per la tensione, esiste un valore limite dell'intensità di corrente in ingresso, espressa in ampere, proveniente complessivamente da tutte le stringhe che conuiscono nell'inverter. Oltre a quanto sopra citato, tali macchine presentano sistemi di misura dei parametri elettrici e dell'energia prodotta con errore anche pari al 5%, quindi poco adabili. È possibile controllare il corretto funzionamento tramite un display LCD sul quale compaiono tutti i dati relativi alla macchina e alla produzione. Vi è inoltre la possibilità di inserire schede di espansioni per garantire diverse applicazioni come: ˆ l'invio via radio o con cavo con interfaccia RS232 o RS485 dei dati relativi alla produzione ad una centralina che si trova a pochi metri di distanza; ˆ il telecontrollo attraverso un interfaccia web; ˆ interfacce di controllo atmosferico: ad alcuni inverter possono essere collegati dei sensori di vario genere, come sensori di irraggiamento, temperatura, anemometri. In un impianto di medie dimensioni, ogni stringa può essere direttamente collegata ad un proprio inverter e funziona in tal modo secondo il proprio punto di massima potenza. Con questa congurazione il diodo di blocco per evitare l'inversione della sorgente è solitamente compreso nell'inverter, la 16

23 1.3. COMPONENTI DEGLI IMPIANTI 17 diagnostica sulla produzione viene eettuata direttamente dall'inverter che può inoltre provvedere alla protezione dalle sovracorrenti e dalle sovratensioni di origine atmosferica sul lato c.c. Disporre un inverter per ogni stringa riduce, inoltre, i problemi di accoppiamento tra moduli ed inverter e la riduzione delle prestazioni dovute ad ombreggiamenti o diversa esposizione. Inoltre in stringhe diverse possono essere impiegati moduli con caratteristiche dierenti con un conseguente incremento del rendimento e dell'adabilità dell'intero impianto. Si capisce quanto sia importante riuscire a reperire tutti i dati dell'inverter, per eettuare confronti con i valori nominali e vericare l'andamento generale dell'impianto Dispositivi di sicurezza Un aspetto molto importante è rappresentato dai sistemi di sicurezza, che evitano il danneggiamento dell'impianto fotovoltaico. Oltre al problema di mismatch e hot-spot, possono vericarsi, anche se con minore frequenza, altri inconvenienti capaci di causare seri danni. Si possono, infatti, generare sovracorrenti, fughe di corrente, tensioni transitorie associate a scariche per fulminazione. Si deve, allora, prevedere l'inserimento nel generatore di dispositivi di sicurezza (scaricatori di sovratensioni) capaci di proteggere sia i moduli che le apparecchiature elettroniche del controllo di potenza. La norma CEI prevede tre dispositivi di protezione per gli impianti allacciati alla rete pubblica: ˆ Dispositivo di generatore, per intervento su guasto del sistema di produzione; ˆ Dispositivo di interfaccia, per intervento su guasto della rete pubblica; ˆ Dispositivo generale, per intervento su guasto del sistema elettrico del produttore. 17

24 1.3. COMPONENTI DEGLI IMPIANTI 18 Il dispositivo di generatore è un contattore che interviene in caso di guasto dell'inverter, mentre il dispositivo generale è spesso costituito dall'interruttore automatico posto immediatamente a valle del punto di consegna. Il dispositivo di interfaccia è considerato di maggiore importanza perché in caso di guasto disattiva tutti i dispositivi scollegando l'impianto dalla rete[7]. Come accennato in precedenza abbiamo anche il Sezionatore di circuito, che permette di disconnettere il generatore fotovoltaico dal carico o dalla rete. Questo è solitamente collocato tra il generatore e l'inverter nel quadro di campo. Inoltre la norma CEI 82-4 prevede, indipendentemente dalla classe di isolamento dei componenti, la messa a terra delle masse metalliche (cornici dei moduli fotovoltaici, struttura di supporto, ecc.). I moduli non richiedono collegamento verso terra, mentre le strutture metalliche a supporto dei pannelli devono essere collegate. Gli impianti fotovoltaici presentano una corrente di corto circuito prossima alla corrente nominale, quindi la distinzione tra corrente di sovraccarico o di corto circuito è minima. La protezione contro tali correnti diviene indispensabile quando più stringhe sono collegate in parallelo tra loro. Nel caso di cortocircuito la corrente è data dalla somma delle correnti nominali delle stringhe collegate in parallelo. Solitamente si installano dei fusibili con corrente di intervento pari a circa 1.25 la corrente nominale e si preferisce metterne uno per stringa in modo tale da creare una sorta di selettività e permettere all'impianto di continuare a funzionare. Quindi riuscire a capire perché si attiva uno specico sistema di sicurezza sarà un aspetto di notevole importanza nel sistema di monitoraggio, poiché ci darà in automatico il problema all'interno del impianto e si potrà eettuare un intervento di manutenzione mirato riducendo i costi. 18

25 1.4. MANUTENZIONE IMPIANTO FOTOVOLTAICO Strumenti di Misura Un impianto fotovoltaico può anche essere integrato con strumenti di misura che riportano le varie grandezze: 1. Contatore di energia elettrica: permette la misurazione dell'energia elettrica prodotta dall'impianto FV con un errore che può arrivare al massimo all'1%. Negli impianti collegati alla rete si installano generalmente due contatori: uno che misura l'energia prodotta dal sistema, l'altro, solitamente di tipo bidirezionale, che misura lo scambio energetico dell'utenza; 2. Contatore orario: è uno strumento che registra le ore di funzionamento dell'impianto, utile per stilare un rapporto annuale del sistema; 3. Centralina meteorologica, che comprende sensori di temperatura, sensori d'irraggiamento, pluviometro e anemometri; 4. Strumenti di monitoraggio. Questi strumenti saranno di particolare interesse nei capitoli successivi della tesi. 1.4 Manutenzione Impianto fotovoltaico A seguito di varie ricerche e di un sopralluogo eettuato all'impianto di riferimento sono state individuate diverse situazioni, oltre a quelle descritte in precedenza, che comportano una diminuzione della potenza erogabile dall'impianto. A questo proposito verranno riportate alcune di queste problematiche: 19

26 1.4. MANUTENZIONE IMPIANTO FOTOVOLTAICO 20 Pulizia dei moduli La mancata pulizia dei moduli, principalmente negli impianti collocati in località con elevata presenza di polveri (es. zone con forte tasso d'inquinamento da polveri o industriali), conduce ad una diminuzione della potenza erogabile dall'impianto fotovoltaico. A causa di tale sporco, infatti, si viene a determinare un mismatch incrementale nella connessione serie - parallelo di questi moduli con gli altri componenti l'impianto. Mancato ripristino delle condizioni di normale funzionamento A seguito di un'eventuale apertura degli interruttori legata ad interventi di manutenzione o verica degli impianti, o dovuta all'intervento delle protezioni (es. dierenziale), una mancata richiusura di tali interruttori provoca inevitabilmente una perdita di energia erogabile dall'impianto fotovoltaico. Le condizioni di normale funzionamento devono essere ripristinate anche a seguito dell'intervento degli scaricatori di sovratensione. Danni causati dal vento Negli impianti costituiti da moduli sorretti da apposite strutture di sostegno e collocati a terra o su coperture piane, qualora le strutture stesse non siano opportunamente ancorate, l'azione del vento può provocare in alcuni casi dei danni, disallineando le schiere di moduli e disponendole in posizione non di progetto. Le conseguenze relative a tale disallineamento possono essere dierenti: ˆ ombreggiamento reciproco dei moduli; ˆ disposizione dei moduli secondo un angolo di azimut diverso da quello di progetto con conseguente riduzione della radiazione solare captata; 20

27 1.4. MANUTENZIONE IMPIANTO FOTOVOLTAICO 21 ˆ problemi legati ad un incremento del mismatch dell'impianto provocato da un dierente orientamento dei moduli delle stringhe. Incendio degli inverter Bisogna sempre tenere sotto controllo la temperatura del locale dove vengono installati gli inverter, poiché questi si possono surriscaldare e provocare un incendio. Inoltre è opportuno vericare lo stato degli isolanti ed il serraggio dei morsetti per evitare il propagarsi di incendi. 21

28 Capitolo 2 Progettazione sistema di monitoraggio In questo capitolo verrà eettuata la progettazione del sistema di monitoraggio e di tutte le sue componenti. Inizialmente saranno denite le esigenze, i requisiti per il monitoraggio e i servizi che il sistema dovrà orire. Successivamente verranno analizzati i parametri e le grandezze d'interesse da misurare e monitorare. Inne verranno scelti i componenti e sarà presentata l'architettura del sistema di monitoraggio. 2.1 Obiettivi del monitoraggio Il progetto propone un sistema di monitoraggio di nuova generazione per un impianto fotovoltaico. Il sistema, detto di seconda generazione Monitoraggio 2.0, si dierenzia da quelli di prima generazione per un'analisi ed una gestione più capillare dell'impianto fotovoltaico. Quelli di prima generazione attualmente in commercio si basano sulle tecnologie tradizionali e forniscono informazioni molto generali, prelevando i dati dall'inverter e confrontandoli con la potenza totale generata dall'impianto, non fornendo quindi un'analisi completa del sistema. Il nostro progetto ha come scopo quello di realizzare 22

29 2.1. OBIETTIVI DEL MONITORAGGIO 23 un ambiente per il monitoraggio in tempo reale della produzione dell'energia, dei fattori ambientali/meteorologici e dell'ecienza dell'impianto nel suo complesso e nelle sue singole componenti, permettendo anche il controllo e la gestione della sicurezza contro malfunzionamenti. Inoltre prevede la disponibilità di informazioni e dati storici che consentano la previsione della produzione e la programmazione di interventi di manutenzione sulle diverse componenti dell'impianto. Per realizzare questo ambiente è stata realizzata una semplice rete wireless (WSN, Wireless Sensor Network). Una WSN è denita come un insieme di nodi wireless interconnessi, aventi poca RAM e una CPU a basse prestazioni. La struttura di una Wireless Sensor Network prevede solitamente diversi nodi wireless sparsi in un'area, che inviano periodicamente dati rilevati tramite sensori ad un punto di raccolta, detto base station o gateway, il quale gestisce la rete, raccoglie i dati dei nodi e li inoltra ad un altro sistema remoto per ulteriori elaborazioni. I componenti basilari di una rete di questo tipo sono: ˆ un insieme di sensori distribuiti; ˆ una rete di interconnessione solitamente wireless; ˆ un punto di raccolta dati; ˆ un insieme di risorse computazionali nel punto di arrivo dei dati, al ne di eettuare data mining, correlazioni dati, monitoraggio dello stato, etc... La nostra WSN è stata realizzata in modo da soddisfare i seguenti requisiti: ˆ la soluzione deve essere pronta all'uso, non deve richiedere congurazioni particolari o interventi hardware da parte dell'utente; ˆ la soluzione deve comprendere oltre all'architettura di rete, anche un sistema di gestione, memorizzazione, visualizzazione e analisi dati; 23

30 2.2. APPROCCIO SEGUITO PER LA SCELTA E LA PROGETTAZIONE DEL SISTEMA DI MONITORAGGIO 24 ˆ il sistema deve essere installabile e utilizzabile da un qualsiasi utente; ˆ sia i costi dei componenti utilizzati sia i costi operativi del sistema devono essere contenuti; ˆ i dati rilevati e memorizzati devono essere facilmente interfacciabili con altri applicativi software; ˆ il sistema è composto da hardware e software open source; ˆ i sistemi devo essere a basso consumo. Il fattore economico ha giocato un ruolo importante sulla scelta dell'hardware per la realizzazione dei nodi e dei sensori. 2.2 Approccio seguito per la scelta e la progettazione del sistema di monitoraggio E' stato eettuato uno studio approfondito sugli impianti fotovoltaici e in particolare sulla loro componentistica, esaminando le caratteristiche e le grandezze siche degli strumenti che si trovano maggiormente nel mercato. Successivamente è stata fatta un'analisi dettagliata dei sistemi di monitoraggio attualmente presenti sul mercato, approfondendo in particolare le grandezze misurate, i componenti utilizzati e i relativi costi, che da subito ci sono sembrati molto elevati. Inoltre da questa analisi è stato evidenziato che i sistemi attualmente in commercio tralasciano molte grandezze importanti, come la temperatura di retro modulo, la corrente e la tensione di stringa. Acquisito il quadro generale delle tipologie degli impianti presenti sul territorio nazionale, è stato deciso lo sviluppo di un sistema di monitoraggio basato su impianti che hanno una potenza nominale intorno ai 20KW, maggiormente installati da privati e piccole medie imprese. Infatti è stato preso come riferimento 24

31 2.2. APPROCCIO SEGUITO PER LA SCELTA E LA PROGETTAZIONE DEL SISTEMA DI MONITORAGGIO 25 un impianto grid-connected di 18,3kW, installato presso Chiusi. L'impianto è montato su tetto con esposizione EST-OVEST, classicato BT( Bassa Tensione ), in quanto inferiore ai 200KWp di produzione e quindi di piccola taglia. Figura 2.1: Impianto di Chiusi da 18,3kW Come si evince dalla g. 2.1, il generatore fotovoltaico è realizzato da 24 stringhe composte da 6 moduli SHARP da 128W in silicio monocristallino. Le stringhe vengono allacciate al quadro di campo per eettuare il parallelo e poi a gruppi di 4 vengono collegate a 3 inverter sia per il lato Est che per il lato Ovest. Gli inverter sono della ditta SMA con singolo MPPT, quindi le stringhe aerenti al singolo MPPT devono essere tutte uguali, cioè della stessa marca, stesso modello, tilt(inclinazione sul piano orizzontale) e azimut(orientamento che per convenzione si ssa sul Sud=0 Est=-90 Ovest=+90 )). La nestra di tensione per MPPT va V. Il vantaggio 25

32 2.2. APPROCCIO SEGUITO PER LA SCELTA E LA PROGETTAZIONE DEL SISTEMA DI MONITORAGGIO 26 di questi inverter è che orono un buon rendimento, all'incirca del 94,4%. Essendo il numero di inverter superiore a 3 è necessario, in accordo con la CEI e con le regole tecniche di connessione del Distributore di Energia elettrica (Enel Distribuzione, ACEA, AEM, etc.), inserire il blocco di protezione interfaccia. In questo impianto è stata scelta la protezione d'interfaccia ABB CM-UFS.2. Solitamente assieme al blocco di protezione di interfaccia si considera anche la protezione dierenziale. Se interviene la protezione differenziale l'inverter entra in modalità standby, mentre nel caso di attivazione della protezione di interfaccia si stacca tutto e l'inverter si spegne. Questa distinzione è utile per capire se il guasto è sull'inverter o sulla rete. Inoltre è presente un sezionatore in D.C. con una tensione massima di 1000V e una corrente continua di massima di 20A. Dopo aver analizzato l'impianto è stata posta l'attenzione sui servizi che doveva orire il nostro sistema di monitoraggio(come rivelazione guasti, ecienza dell'impianto ecc..) e in base a questi sono stati individuati i punti strategici in cui era necessario rilevare le grandezze siche d'interesse Punti monitoraggio Inizialmente in fase di analisi sono stati rilevati diversi punti che avrebbero dovuto garantire un monitoraggio completo e capillare. Di seguito verrà fornita una descrizione per ogni punto: PUNTO A : prima del contatore si eettua un monitoraggio tensione, corrente e frequenza di rete, per confrontare i valori con quelli del contatore; PUNTO B : monitoraggio tensione, corrente sul carico. Confrontando i dati dei punti A e B si può capire perché si attiva la protezione di interfaccia e se è dovuta a uttuazioni di tensione o frequenza; 26

33 2.2. APPROCCIO SEGUITO PER LA SCELTA E LA PROGETTAZIONE DEL SISTEMA DI MONITORAGGIO 27 PUNTO C : monitoraggio tramite un contatore con un clock per rilevare quante volte si attiva la protezione di interfaccia; PUNTO D : monitoraggio di tensione, corrente per vericare se il contatore fornito dal distributore è difettoso; PUNTO E : monitoraggio tensione, corrente e frequenza. Necessario per rilevare eventuali malfunzionamenti degli inverter. Solitamente queste informazioni in A.C. vengono prelevate direttamente dall'inverter; PUNTO F : gli inverter forniscono dati su tensione e corrente anche sul lato continuo. Sono dati utili per il collaudo dell'impianto e per il suo funzionamento; PUNTO G : monitoraggio tensione, corrente. Essendo per progettazione tutte le stringhe omogenee, tramite la misura della tensione si riesce a rilevare rapidamente quale stringa non funziona correttamente. Risulta utile per vedere guasti del fusibile ed eventuali gruppi di moduli/stringhe non funzionanti; PUNTO H : il monitoraggio è eettuato sul tetto rilevando i parametri ambientali (come temperatura ambiente, velocità vento, umidità, pressione atmosferica) tramite sensori dedicati o con l'impiego di una stazione meteo. Questi parametri sono utili per cercare di fare previsioni su condizioni atmosferiche e per capire se un pannello è sporco, bagnato oppure non funzionante Descrizione sistema di monitoraggio In base a quanto detto nel paragrafo precedente sono state eettuate la ricerca degli strumenti per il monitoraggio e la progettazione dell'architettura del sistema. Prima di progettare l'architettura sono stati eettuati il sopralluogo e il collaudo dell'impianto preso in considerazione. Durante il sopralluogo 27

34 2.2. APPROCCIO SEGUITO PER LA SCELTA E LA PROGETTAZIONE DEL SISTEMA DI MONITORAGGIO 28 è stata presa visione della disposizione dei vari componenti dell'impianto e delle relative distanze siche, mentre in fase di collaudo sono stati constatati gli eettivi valori delle grandezze siche fornite dai vari componenti. Grazie ai dati raccolti attraverso questa verica diretta, è stato deciso di ridurre i punti di monitoraggio sopra elencati. Nel punto A, perciò, non vengono più misurate tensione, corrente e frequenza, ma si eettua la misura direttamente sul contatore dell'utente. Le grandezze dei punti E ed F vengono prelevate direttamente dall'inverter, poiché questi spesso montano schede di espansione che forniscono i dati in uscita via wireless (es. Zigbee, Bluetooth, Wi-Fi) o via cavo, con lo standard la RS-232 o RS-485. Per quanto riguarda l'architettura, in base alle distanze dei dispositivi, è stato scelto di utilizzare varie tecnologie, per cui si avranno sensori con diverse interfacce di comunicazione. Nel caso in questione tutti i dispositivi sono molto vicini, tranne il generatore fotovoltaico situato sul tetto dello stabile e il contatore dell'enel. L'architettura prevede un'unità centrale, inizialmente costituita da un PC, che comunica, tramite tecnologia wireless, utilizzando lo standard Xbee, con i sensori predisposti per il monitoraggio della temperatura di retro-modulo, dell'irradiazione del pannello e del contatore dell'enel. Gli altri dispositivi, trovandosi a distanze dell'ordine di grandezza del metro, sono stati collegati attraverso cavo seriale con interfaccia RS485 con protocollo modbus RTU. Per i dati ambientali è stata usata una stazione meteo che comunica con l'unità centrale attraverso una connessione Wi-Fi. In seguito è stata posta l'attenzione sulla ricerca dei componenti, centrata sulle grandezze siche da misurare evidenziate precedentemente, ma anche in base al best price. Per il contatore dell'enel e il contatore del distributore è stato deciso di usare un ricevitore a infrarossi, che permette di leggere dalla porta ottica del contatore tutti i parametri d'interesse, come i kw immessi o quelli utilizzati, i vari valori di tensione e corrente. Inoltre, come si vede in gura, l'impianto può essere diviso in due parti, la parte in a.c. e la parte in d.c., quindi so- 28

35 2.2. APPROCCIO SEGUITO PER LA SCELTA E LA PROGETTAZIONE DEL SISTEMA DI MONITORAGGIO 29 no necessari strumenti con caratteristiche dierenti per la misurazione delle grandezze siche. Per misurare le grandezze della parte a.c. è stato scelto un analizzatore di rete trifase. Lo strumento misura direttamente e indirettamente tramite trasformatori di misura le correnti e le tensioni di singola fase, la frequenza, lo sfasamento tra le fasi e il fattore di potenza del sistema trifase. L'elettronica interna calcola tutti gli altri parametri elettrici derivati, quali potenze ed energia. E' stato deciso di eettuare le misure di corrente e tensione indirettamente, cioè collegando allo strumento due o tre TA(Trasformatori di corrente) e TV(Trasformatori di tensione ), in questo modo possiamo installare lo strumento dove vogliamo. I TA e i TV, in questo caso, sono di forma toroidale e al loro interno viene fatto passare il cavo attraverso cui si misurano la corrente e la tensione. Invece, per la parte d.c. e in particolare per il controllo delle grandezze della stringa è stato scelto un dispositivo AD12, che consente di misurare la tensione(con valori di fondo scala supportati in ingresso: 300V, 500V,750V e valori no a 1000V), la corrente(con valori di fondo scala supportati 5A, 10A, 20A e valori no a 500A), e la potenza di ogni singola stringa. I valori vengono forniti in uscita mediante interfaccia RS485 e protocollo modbus RTU, oppure è possibile integrare quest'ultimo con un convertitore RS485-Zigbee che permette la trasmissione wireless. Tutti gli altri dati di a.c. e d.c. vengono presi dall'inverter, come detto in precedenza. Inne, per la parte più delicata dell'impianto, cioè il generatore fotovoltaico, sotto l'ipotesi di omogeneità nella scelta dei moduli e del piano su cui installarli, è stata presa una sonda PT1000 messa su un solo modulo per monitorare la temperatura di retro modulo ed un sensore di irraggiamento per la radiazione sul piano del modulo. In caso di disomogeneità di stringa è necessario installare un piranometro e una PT100 per ogni gruppo di stringhe omogenee. Risulta importante monitorare la temperatura e l'irraggiamento poiché la temperatura ha un eetto rilevante sulla tensione, che decresce all'aumentare della temperatura. Un valore tipico di 29

36 2.3. PROGETTAZIONE DELLA RETE WIRELESS 30 diminuzione è 2.3 mv/ C per singola cella, quindi per un modulo è suciente moltiplicare tale valore per il numero di celle collegate in serie. Tuttavia la variazione di temperatura non determina variazioni consistenti della corrente (aumenta leggermente). La generazione di corrente elettrica, invece, è proporzionale al usso di fotoni con energia suciente per partecipare alla conversione, quindi alla radiazione incidente. Anche la corrente di corto circuito della cella è direttamente proporzionale alla radiazione; si capisce che avrà un'intensità estremamente limitata perché il valore massimo di potenza radiante è limitato. La variazione della tensione in funzione della radiazione solare è molto contenuta e quindi trascurabile. In questo caso si è pensato che una buona scelta sia quella di prendere i parametri di due stringhe orientate diversamente una Est ed una Ovest. La stazione meteo scelta per la misura dei parametri meteorologici è la LaCrosse WS2357. Sia la stazione meteo che il sistema di monitoraggio del pannello verranno alimentati da un kit di alimentazione formato da un pannello da 20W, da un regolatore di carica da 4A e da una batteria da 12V e 12A. Quindi, si percepisce quanto il monitoraggio degli ultimi tre aspetti sia fondamentale per prevedere, in base alle condizioni climatiche e allo stato del generatore fotovoltaico, la produzione d'energia, che, confrontata con i dati del contatore, ci potrà dare un quadro generale del funzionamento dell'impianto e il guadagno nelle varie condizioni. 2.3 Progettazione della rete Wireless In questo lavoro di tesi è stata analizzata in particolare la parte wireless dell'architettura, cioè del monitoraggio del contatore, della temperatura di retro modulo e della stazione meteo. Per poter misurare le grandezze siche dei dispositivi è stata realizzata una semplice WSN(Wireless Sensor Network) divisa in due parti. Una parte prevede il nodo del sensore a infrarossi e della sonda PT1000 e l'altra è costituita della stazione meteo che comunica diret- 30

37 2.3. PROGETTAZIONE DELLA RETE WIRELESS 31 tamente con la stazione di base attraverso una connessione WI-FI. Quindi la rete è stata creata per la prima parte utilizzando moduli Xbee basati sullo standard IEEE (la base dello ZigBee) Standard IEEE L'IEEE è uno standard creato dallo IEEE(International Electric Electronic Engeneer) per reti essibili, di basso costo, piccoli consumi energetici e bassi bit-rate. Le frequenze denite da questo standard sono tutte frequenze ISM(Industrial, Scientical and Medical), ognuna con un numero ssato di canali. Le bande di frequenza sono: 2.4 GHz con 16 canali (11-26), 915 MHz con 10 canali(1-10) e 868 MHz con un solo canale (canale 0). Lo standard implementa soltanto i livelli più bassi della pila protocollare ISO/OSI, cioè il livello sico e il livello MAC. La lunghezza massima di un pacchetto MAC è di 127 byte. Viene utilizzato un indirizzamento a 16 bit che permette, dunque, un numero massimo di nodi(teorico) nella rete, pari a Il protocollo IEEE usa opzionalmente un meccanismo di acknowledgement per il trasferimento dei dati che realizza la caratteristica di adabilità del protocollo. Questo è un protocollo ottimizzato per applicazioni timing-critical: ogni nodo, infatti, è in grado di passare dallo stato sleep allo stato attivo in 15ms e di accedere al mezzo in un tempo massimo di 15ms (dunque, in 30ms accediamo alla rete)[8]. Il protocollo IEEE denisce due tipi di dispositivi: ˆ FFD (Full Function Device) Sono dispositivi in grado di fornire tutti i servizi e tipicamente sono alimentati dalla rete elettrica. Possono realizzare la funzionalità di router per inoltrare dati tra nodi che non possono comunicare direttamente tra loro. Possono essere utilizzati in qualsiasi tipo di topologia e possono comunicare sia con altri FFD che con RFD; 31

38 2.3. PROGETTAZIONE DELLA RETE WIRELESS 32 ˆ RFD (Reduced Function Device) Sono dispositivi meno sosticati degli FFD, e per questo richiedono meno memoria e si possono alimentare a batteria. Possono essere utilizzati esclusivamente in una congurazione topologica di rete a stella e sono in grado di comunicare solo con FFD. Tipologie di Rete Lo standard IEEE può operare essenzialmente con tre topologie di rete riassunte in gura 2.2: Star Topolgy,Peer-to-Peer(o Mesh) topology e Cluster-tree(Albero). Figura 2.2: Tipologie di rete WSN Star : in queste reti, la comunicazione è stabilita tra i devices e un singolo controller centrale, chiamato coordinator, tutti i dispositivi presenti all'interno della rete comunicano direttamente e solo con il coordinatore; Peer-to-Peer : questa rete può essere chiamata anche a maglia. Anche qui esiste solo un coordinatore, ma gli altri dispositivi possono comunicare tra di loro senza dover passare dal coordinator. Questa tipologia è 32

39 2.3. PROGETTAZIONE DELLA RETE WIRELESS 33 meno gerarchica e permette di implementare scenari autoconguranti o reti ad hoc, inoltre permette anche la comunicazione multi-hop, fornendo una maggiore adabilità mediante percorsi multipli tra sorgente e destinatario; Cluster-tree : è una topologia di rete che combina la struttura a stella e quella a mesh. Più nodi, che fanno a capo ad un unico nodo, formano un gruppo chiamato cluster. Molti dispositivi sono FFD e coordinano i singoli cluster, assumendo il compito di cluster-head(clh). I nodicoordinatori possono a loro volta far riferimento ad un nodo coordinatore di livello superiore, costruendo, così, vari livelli di gerarchia. Nel caso in questione è stata costruita una semplice rete a stella che prevede un coordinator e due end-device, utilizzando i moduli Xbee che saranno illustrati nel capitolo successivo insieme a tutti i dispositivi scelti per la realizzazione della WSN. 33

40 Capitolo 3 Dispositivi utilizzati Nel presente capitolo si illustreranno i componenti scelti per la rete, solo per il monitoraggio del contatore e della temperatura di retro-modulo e si elencheranno le loro caratteristiche. 3.1 Premessa Per soddisfare le caratteristiche della WSN è stato deciso di progettare un sistema con nodi modulari. I nodi sono essenzialmente composti da un modulo wireless collegato ad un microcontrollore che gestisce un sensore. I componenti specici scelti per realizzare questi nodi sono: ˆ Arduino Uno come microcontrollore, poiché Arduino è una semplice scheda I/O open source così come il linguaggio di programmazione; ˆ Due moduli Xbee PRO serie2 e un moduo Xbee serie2 per la comunicazione con una scheda di interfaccia USB per il collegamento al PC. I moduli Xbee hanno bassi consumi, bassi costi e permettono di creare reti di vario tipo; ˆ Arduino XBee Shield per collegare il modulo Xbee al microcontrollore; 34

41 3.2. MODULI XBEE SERIE 2 35 ˆ Un ricevitore a infrarossi del tipo TSOP34836; ˆ Una Termoresistenza Cl.A Pt1000 collegata ad un circuito integrato smartec UTI. Per ricavare i dati dai due sensori è stato necessario eettuare un'attenta programmazione dell'arduino. Inoltre per ricevere e salvare i dati anche sul PC è stato realizzato un programma in JAVA. 3.2 Moduli Xbee serie 2 I moduli XBee hanno cambiato il modo di comunicare via wireless con i dispositivi embedded: il costo accessibile e le numerose caratteristiche messe a disposizione, tra le quali la possibilità di creare reti di vario tipo, ne fanno moduli davvero versatili. La serie 2 dei moduli Xbee della Digi(ex Max- Stream), utilizza il protocollo IEEE ed è la soluzione ideale per la realizzazione della nostra applicazione, poiché richiede bassissimi consumi e basso costo. Questi moduli lavorano con una frequenza operativa di 2.4GHz e permettono di raggiungere, a seconda del modello, coperture che vanno da 40mt (indoor) no a 1500mt in outdoor per la versione XbeePRO. Con i moduli Xbee è possibile eettuare trasmissioni di tipo: Point-to-Point, Pointto-Multipoint, Peer-to-Peer sia in modo Unicast che Broadcast; con velocità che arrivano no a 250Kbps. Le ridotte dimensioni permettono anche un notevole risparmio di spazio[9]. In particolare i moduli della serie 2 che sono stati utilizzati erano XBee ZNet 2.5 e XBeePRO ZNet 2.5. Le caratteristiche principali di questi moduli sono elencate nella seguente tabella: 35

42 3.2. MODULI XBEE SERIE 2 36 Speciche XBee ZNet 2.5 XBeePRO ZNet2.5 Performance Indoor no a 40 no a 100 m Outdoor no a 120 m no a 1.6 km Transmit Power Output 2mW (+3dBm) 63mW (+18 dbm) Data Rate RF 250Kbps 250Kbps Serial Interface Data Rate bps bps Receiver Sensitivity -96 dbm -102 dbm Requisiti di alimentazione Alimentazion V V Operating Current TX V) Operating Current in RX V) Idle Current (Receiver o) 15mA 15mA Power-down Current < 1 25 C < 1 25 C Caratteristiche Generali Frequenza operativa ISM 2.4GHz 2.4 GHz Dimensioni 2.438cm x 2.761cm 2.438cm x 3.294cm Range di Temperatura Industriale -40 a 85ºC -40 a 85ºC Tipi di Antenna Stmpata su PCB o Chip,Connettore U.FL o RPSMA, Wire Uguali Ogni modulo Xbee è bidirezionale, cioè è in grado sia di ricevere che di trasmettere e permette una comunicazione in modalità trasparente o in modalità API (Application Programming Interface). In Trasparent Mode tutto ciò che il microcontrollore invia sul pin RX di un modulo XBee, giunge ad un altro XBee sul pin TX e può quindi essere ricevuto dal dispositivo remoto. Invece la modalità API consente, oltre che di trasmettere e ricevere dati, di interagire ad un livello più basso con i moduli XBee consentendo, tra le altre cose, di: ˆ cambiare i parametri di congurazione senza inviare comandi AT; ˆ conoscere RSSI (Received Signal Strength Indicator Indicatore di forza del segnale ricevuto); ˆ ricevere una conferma di pacchetto dati consegnato correttamente per ogni pacchetto trasmesso o un'indicazione di consegna fallita; ˆ trasmettere dati a più destinatari; ˆ identicare l'indirizzo di chi ha trasmesso il pacchetto dati. 36

43 3.2. MODULI XBEE SERIE 2 37 Per congurare gli Xbee si usa un software X-CTU fornito dalla Digi. Nei capitoli successivi verrà spiegato il settaggio scelto per i moduli. Figura 3.1: Xbee e XbeePRO serie Connessione con il calcolatore La XBee USB Development Board (XBIB-U-DEV) serve a connettere un modulo XBee al computer ricevente tramite porta USB. Per il collegamento al PC è necessario un cavo FTDI per convertire la comunicazione da seriale a USB. Una volta collegata la scheda vengono installati i driver appropriati per il sistema operativo. Questo componente è inoltre necessario per programmare i moduli delle unità. Board ha dei riferimenti che indicano il giusto verso di inserimento del modulo e sono presenti sei LED che ne indicano lo stato di attività. Figura 3.2: XBee USB Development Board 37

44 3.3. ARDUINO UNO 38 I LED indicano l'attività del modulo RF come segue: ˆ Giallo LED (in alto): dati Seriali in uscita e ci dice se i moduli comunicano; ˆ Verde(al centro): dati seriali inviati dal modulo; ˆ Rosso(in basso): potenza; ˆ Mentre i tre verdi indicano RSSI(Received Signal Strength Indicator) cioè la potenza del segnale, quando sono tutti e tre accesi è massima. 3.3 Arduino Uno La piattaforma Arduino è una tra le più utilizzate architetture nell'ambito dell'elettronica. Essa è completamente open source così come il linguaggio di programmazione che la caratterizza. Arduino è basato su una semplicissima scheda di I/O e su un ambiente di sviluppo, che per la scrittura usa programmi in C e C++ da far girare sulla scheda, il cui microprocessore è programmabile utilizzando un ambiente di sviluppo basato su Processing (linguaggio simil-c). Arduino può essere utilizzato per l'implementazione di progetti stand-alone, ma può anche interagire con software già esistenti sul computer. Sono disponibili sul mercato numerose versioni delle board che dieriscono sostanzialmente per dimensioni, microcontrollore installato, frequenza dello stesso e porte a disposizione. Noi abbiamo scelto di utilizzare Arduino Uno poiché è l'ultima di una serie di schede USB Arduino, è poco costosa e fornisce suciente funzioni per controllare i nostri dispositivi. Arduino Uno è una scheda elettronica basata sul microcontrollore Atmega328. Dispone di 14 ingressi/uscite digitali, 6 ingressi analogici, un cristallo oscillatore a 16 MHz, una connessione USB( tipo stampante ), un jack di alimentazione, un header ICSP e un pulsante di reset. Esso contiene tutto 38

45 3.3. ARDUINO UNO 39 il necessario per supportare il microcontrollore; è suciente connettersi a un computer con un cavo USB o alimentarlo con un trasformatore AC/DC o uno batteria per iniziare. La UNO si dierenzia da tutte le schede precedenti in quanto non utilizza il convertitore USB-seriale FTDI. Al contrario, essa ore il microcontrollore Atmega8U2 programmato come un convertitore USB-seriale. Arduino può essere alimentato attraverso la connessione USB con 5V o con un alimentatore esterno che fornisce un valore compreso tra 7-12V[10]. Se una scheda di Arduino viene alimentata con meno di 5V o con più di 12V questa funziona male, poiché risulta instabile. Come detto Arduino è uno strumento molto richiesto, ed è sempre in riproduzione e quindi è stato necessario aspettare diverso tempo per ottenerlo. Figura 3.3: Arduino UNO Riassumendo le caratteristiche di Arduino sono: ˆ Microcontrollore: ATmega328; ˆ Tensione operativa: 5 V; ˆ Alimentazione raccomandata: da 7 a 12 V; ˆ Tensione di alimentazione limite: da 6-20 V; ˆ Ingressi/uscite digitali: 14(di cui 6 possono essere utilizzate come uscite PWM); 39

46 3.3. ARDUINO UNO 40 ˆ Ingressi analogici: 6; ˆ Corrente Dc per pin I/O: 40 ma; ˆ Corrente DC per pin 3,3 V: 50 ma; ˆ Memoria Flash: 32 kb(di cui 0,5 kb utilizzati dal bootloader); ˆ SRAM: 2 kb; ˆ EEPROM: 1 kb; ˆ Velocità di Clock : 16 MHz. Per programmare il dispositivo è possibile scaricare un IDE, ovviamente gratuito, che si chiama per l'appunto Arduino ed è scritto in Java. Questo comprende anche un editor con il syntax highlighting, il controllo automatico delle parentesi e l'indentazione automatica. Il linguaggio di programmazione è basato sul linguaggio C e C++, di cui adotta la sintassi, ma usa una libreria chiamata Wiring, che semplica enormemente la programmazione, specialmente per l'input/output verso sensori. Per poter eseguire un programma l'utilizzatore deve denire sempre due funzioni: 1. Setup() una funzione invocata una sola volta all'inizio di un programma che può essere utilizzata per i settaggi iniziali; 2. Loop() funzione eseguita no allo spegnimento della scheda; I le che contengono il codice hanno dimensioni molto contenute, perciò la memoria ash a disposizione risulta di dimensioni più che sucienti praticamente per la totalità dei casi. Inoltre fornisce la funzione di Upload del codice sulla scheda ed è presente anche un Serial Monitor che consente di controllare in tempo reale la comunicazione seriale con l'arduino stesso. 40

47 3.4. ARDUINO XBEE SHIELD Arduino XBee Shield Uno dei grossi vantaggi che ore la piattaforma Arduino è la presenza di numerose schede di espansione, dall'interfaccia bluetooth al Wi-Fi, alla possibilità di scrivere e leggere su memorie di massa esterne. L'XBee Shield è una scheda che permette di montare i moduli XBee/Xbee Pro su Arduino ed è stata sviluppata da Libelium in collaborazione con il team di Arduino. Il modulo può comunicare no a 100m al chiuso e no a 300m all'esterno (senza ostacoli in mezzo). Può essere utilizzato come sostituto Serial/USB o può essere utilizzato in modalità di comando e congurato nelle diverse modalità di rete (mesh, broadcast, ecc..). La scheda, inoltre, fornisce dei connettori/strip femmina da utilizzare come pin digitali 2-7 e come ingressi analogici e 0-5, coprendo quelli della scheda di Arduino Uno. I pin digitali 8 e 13 sono accessibili direttamente sulla scheda Arduino Uno. La scheda Xbee Shield è dotata di due jumper che determinano la modalità di comunicazione del modulo stesso con il microcontrollore presente sulla scheda Arduino. In questo caso è stato settato il jumper nella posizione Xbee (cioè sui due perni verso l'interno della scheda), il pin DOUT del modulo Xbee è stato collegato al RX pin del microcontrollore, e DIN al TX. I dati sono inviati dal microcontrollore al computer tramite USB, oltre ad essere inviati in modalità wireless dal modulo Xbee. Il microcontrollore, però, sarà solo in grado di ricevere dati dal modulo Xbee e non dal PC. Invece con il jumper nella posizione USB (cioè sui due pin più vicino al bordo del scheda), il modulo Xbee può comunicare direttamente con il computer - tuttavia, questo funziona solo se il microcontrollore è stato rimosso dalla scheda Arduino. Se il microcontrollore viene lasciato nella scheda Arduino, sarà in grado di parlare normalmente al computer via USB, ma né il computer né il microcontrollore saranno in grado di parlare con il modulo Xbee[11]. 41

48 3.5. IR TSOP34836 RECEIVER MODULE 36KHZ 42 Figura 3.4: Arduino XBee Shield 3.5 IR TSOP34836 Receiver Module 36kHz Il TSOP34836 del Costruttore Vishay è un ricevitore miniaturizzato per sistemi di controllo remoto a infrarossi. Il segnale di uscita può essere demodulato e decodicato direttamente dall'arduino. Il TSOP34836 è compatibile con tutti i più comuni formati di dati ad IR. Inoltre questo ricevitore a infrarossi permette di sopprimere i segnali di disturbo, come segnali di lampade uorescenti o di luce solare. Infatti quando un segnale dati viene applicato al TSOP34836 in presenza di un segnale di disturbo, la sensibilità del ricevitore è ridotta per assicurare che non ci siano impulsi spuri presenti in uscita. Figura 3.5: IR TSOP34836 Receiver Module 36kHz Le caratteristiche principali sono: ˆ Corrente di alimentazione molto bassa; ˆ Filtro interno per PCM frequenza; 42

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