Комуникационни системи за фотоволтаични инсталации

Значението на комуникационните системи и системите за управление на големи фотоволтаични инсталации ще нараства в бъдеще поради два факта: потенциала за намаляване на разходите, предизвикан от последните технологични тенденции, и по-високите изисквания, в резултат от усъвършенстваните решения за мониторинг и контрол.

Очаква се соларните системи да се превърнат в един от най-рентабилните методи за генериране на възобновяема електрическа енергия. Най-големите инсталации в момента са с номинална пикова мощност от над 100 MW, като прогнозите показват, че в близкото бъдеще ще бъдат изграждани и такива с мощност повече от 1000 MW.

През последните няколко години производствените разходи и пазарните цени за PV клетки и модули намаляват постоянно, което занижава дяла им в общите системни разходи за фотоволтаични централи. По този начин важността на компонентите, които не зависят директно от развитието на соларните технологии, се повишава значително.

Големите фотоволтаични системи обикновено са оборудвани с комуникационна инфраструктура, която позволява на оператора да следи и управлява производството на енергия от централата. Тя може да бъде използвана и за откриване на повреди на елементите и улесняване на поддръжката. В някои региони операторите на електропреносните мрежи или обществените власти дори поставят изискване за комуникационни интерфейси за големите инсталации с цел осигуряване на съвместимост с мрежата.

Сложността на една такава комуникационна система нараства драстично, ако PV масивите не са фиксирани, а могат да проследяват слънчевата светлина. Двуосевите проследяващи системи, които обикновено се прилагат за концентриращите фотоволтаици (CPV), изискват децентрализирани устройства за управление за всяка отделна проследяваща система.

Тези инсталации се нуждаят от комуникационни интерфейси за получаване на команди за управление и калибриране, както и за изпращане на информация за моментното им състояние. При големите проследяващи PV инсталации броят на проследяващите устройства лесно може да надвиши 1000, което води до много специфични изисквания към комуникационната система.

Досега научните организации и производителите съсредоточаваха усилията си основно върху подобрения на клетките и модулите, тъй като те са най-проблемните и финансово натоварващи части от системите. Това обаче доведе до липса на оптимизирани комуникационни системи за PV инсталации, откъдето нараства значението им за разработването на нови решения за управление, мониторинг и поддръжка.

Усъвършенстваните системи за контрол могат забележимо да занижат експлоатационните разходи, когато, например, дистанционно управление може да замени скъпата полева поддръжка в отдалечени райони.

Съвременните фотоволтаични централи обикновено използват индустриален Ethernet за комуникация между устройствата. При търсенето на ново решение, инженерите са изправени пред два противоречащи си критерия за проектиране: намаляване на разходите за инсталацията чрез използването на по-опростена система срещу инвестирането в мощна комуникационна система. Вторият вариант предлага намаляване на разходите за поддръжка и разширяване чрез подготвеност за изискванията, възникващи с появата на нови приложения.

Експлоатация

Спектърът на експлоатационната функционалност започва с подходящото действие на самата комуникационна система. Възможностите за самоконфигуриране, както и за установяване на връзки между две приложения като маршрутизиране, пренос и приписване, са важни фактори. В случай че в мрежата има излишни пътища, за предотвратяване на повторенията трябва да се използват методи като Rapid Spanning Tree протокол.

Нормалната експлоатация на проследяващите PV инсталации изисква прецизно следене на слънцето. Затова разпределените системи за управление се нуждаят от точна времева синхронизация, за да могат да изчислят позицията на слънцето. Друга важна информация се получава чрез сигналите за буря, особено когато не всяко устройство е снабдено с измервателен уред за вятър.

В бъдеще ще са възможни или необходими още усъвършенствани технологии. С цел повишаване точността на следене проследяващите устройства могат да сравнят производството на енергия със съседните си такива. Скоро операторите на мрежите ще изискват контролни интерфейси за постоянно намаляване генерирането на енергия.

Следователно, традиционните системи за експлоатация на PV инсталации, подаващи към мрежата максимално възможната мощност, ще трябва да бъдат снабдени с оптимизирани концепции за частично производство на енергия. В случая на проследяващите фотоволтаици това ще наложи необходимост от комуникация между центъра за управление на централата и проследяващите устройства.

Друг възможен случай е, когато PV инсталацията е свързана със система за съхранение или други генератори на енергия. Тогава ще се наложи внедряването не само на решения за контрол на изходящата мощност, но и такива за времево ограничение.

Мониторинг

Мониторингът на PV инсталации се осигурява посредством системи за събиране на данни, наблюдение и управление (SCADA). Както и при експлоатацията, и за тези системи има широк спектър от приложения, различаващи се по сложност и изисквания. Една обикновена система отразява само акумулираната от централата енергия, докато по-усъвършенстваните системи могат да стигнат до подобряване балансирането на което и да е подсистемно ниво, стринг, проследяващо устройство или дори модул.

Количеството на данни за пренос съответно се увеличава и за комуникационната система е необходима по-висока пропускателна способност. Ако мониторингът на модулите се реализира чрез включването на всеки от тях в комуникационната система, то тогава ще нарасне и броят на възлите. Тъй като събирането на данни обикновено се осъществява от разпределителни до централни възли, е необходимо да бъдат избрани изключително близки до тези концентратори мощни елементи.

Освен броя на измерванията, втората влияеща променлива, засягаща количеството данни, е времевото разпределение. Разликата между това да се следят само натрупани в миналото данни и мониторинга на данни в реално време е огромна. В първия случай изискванията за комуникационната система не са високи, защото теоретично целият пренос на данни трябва да се организира като изместен във времето.

За разделяне капацитета на комуникационната система между преноса могат да бъдат използвани методи като множествен достъп с разделяне на времето (Time Division Multiple Access, TDMA) или Token Ring. Събирането на данни може да се осъществява и през нощта, когато комуникационната система не е нужна за експлоатацията на PV инсталацията и мрежата не е толкова натоварена.

Мониторингът в реално време обаче представлява много по-голямо предизвикателство за комуникационната система. При него се изисква изпращането на данни от всички следени устройства да става едновременно. В същото време преносът на данни от експлоатацията на централата, който е с по-висок приоритет, не трябва да бъде влошен. Това налага необходимостта от използването на по-мощна комуникационна система и/или оптимизирани протоколи.

Мониторингът като цяло, и в частност мониторингът в реално време, са необходими на операторите за установяване на евентуални възникнали аварийни ситуации в PV инсталацията. Той им позволява да следят ефектите от осъществяваното управление и им помага да идентифицират повреди в елементите. Въпреки това, потенциалните ползи от една система за мониторинг зависят силно от количеството и избора на записваните данни. Производителността е само един от многото налични променливи параметри, които следва да бъдат предмет на задължителен мониторинг.

Поддръжка

Възможността за оптимизиране на поддръжката на PV инсталациите посредством системата за управление е най-важният фактор, обуславящ ползата от доброто ниво на комуникация. Една добре разработена система гарантира капацитет за по-нататъшно разширяване, без да се налага извършването на скъпа инсталация в полеви условия. За тази цел следва да бъдат внедрени интерфейси за преконфигурация от разстояние. Повторната конфигурация обхваща както промяната на определени параметри, така и обновяване на фърмуера на отделните устройства.

Освен конфигурацията, е възможно извършването на още няколко превантивни процедури, осигуряващи нормално действие с максимално производство на енергия през целия период на експлоатация на инсталацията, като в същото време я предпазват от амортизация. Почистването на проследяващите устройства например, може да бъде автоматизирано чрез роботи, използващи безжична комуникационна система за локализация. Операторите могат също да извършват специфични тестове за откриване на грешки в комуникацията, проследяването, инверторите или фотоволтаичните модули.

Използвани технологии

Големите PV инсталации използват разнообразни технологии за комуникация - от безжични подходи като Bluetooth до Ethernet. Един от най-големите доставчици на инвертори и свързани с тях системни технологии предлага продукти с Bluetooth, RS 485, Ethernet и оптични кабели. Въпреки това, когато проследяването стане нужно, броят на възлите се увеличава и обемът на данните вече не се ограничава само до сигнали от инверторите.

Повечето производители на проследяващи и CPV инсталации използват решения, базирани на Ethernet. Един от проблемите за инженерите е ограниченото разстояние от 100 m между два възела, когато се използват медни Ethernet кабели. Това често налага замяната им с по-скъпи оптични кабели.

Друг проблем е невъзможността за разрастване с Ethernet в комуникационните мрежи с много възли. В този случай използването на протокол за намиране на физическия адрес на дадено мрежово устройство по неговия адрес от мрежовия слой (Address Resolution Protocol, ARP) може да претовари мрежата.

Сред новите подходи за комуникация са PLC през електропреносните линии, безжична мрежова топология (Wireless Mesh Network, WMN), основаваща се на IEEE 802.11, и усъвършенствана Ethernet комуникация. При първия метод комуникацията се извършва директно посредством електропреносните линии и затова оборудването следва да е способно да комуникира по постояннотокови мрежи. WMN е обещаващ нов подход, към който индустрията и научната общност проявяват все по-силен интерес.

На база физичния слой на IEEE 802.11 мрежовите възли са едновременно приемници и предавателни станции. Целта на последния подход е да се компенсират недостатъците на конвенционалния Ethernet, като в същото време се запазят предимствата му. За да стане това, се използват някои нови механизми.

Единият от тях включва разширяване възможностите за управление на проследяващите устройства, а другият - снабдяването им с 2-4 Ethernet порта, които ще позволят свързването им със съседните устройства.