Сензори за ВЕИ инсталации

• Интегрираните сензори проследяват в реално време ключови параметри на ВЕИ инсталациите и оптимизират тяхната ефективност
  
  
• IoT, изкуствен интелект и дигитални двойници превръщат традиционните системи в интелигентни и автономни инфраструктури
  
  
• Сензорните технологии подпомагат безопасността, надеждността и прогнозната поддръжка в соларни, вятърни, водородни и хидроенергийни централи

Надеждната работа и високата ефективност на системите за производство на възобновяема енергия биха били трудно постижими без различни типове интегрирани сензори и платформи за мониторинг. Те проследяват в реално време ключови параметри на ВЕИ инсталациите като температура, налягане, влага, интензитет на слънчевата радиация, скорост и посока на вятъра, големина и други характеристики на тока, напрежението и т. н. Благодарение на данните от сензорите се постига оптимална комбинация от прецизно управление, подобрена сигурност и безопасност, навременна диагностика на проблеми и удължен живот на оборудването.
Сензорни решения, базирани на различни работни принципи и с разнообразна функционалност, намират все по-широко приложение в соларни и вятърни паркове, хибридни комплекси, хидроелектрически централи, съоръжения за производство на зелен водород, системи за батерийно съхранение на енергия, интелигентни мрежи и др.

Сред иновациите, които значително подобряват работата на ВЕИ инсталациите в тандем със сензорите, са изкуственият интелект и машинното самообучение, умните алгоритми за анализ на данни, IoT, облачните и периферните изчисления, както и дигиталните двойници. Тези технологии дават възможност не само за непрекъснато наблюдение и оптимизиране на процесите по производство и съхранение на енергия, но и за прогнозна поддръжка, автоматизирано управление и повишаване на ефективността. Чрез тях ВЕИ системите прерастват от конвенционално оборудване в интелигентни и все по-автономни инфраструктури, които гъвкаво реагират на промени в средата и на колебания в търсенето на енергия.

Сензорни технологии в соларната индустрия

Сензорите позволяват по-широко и безпроблемно разгръщане на ВЕИ технологиите в различни приложни сценарии – в индустрията, енергетиката, бизнеса и сградния сектор, като отчетливо повишават ефективността и надеждността на инсталациите и осигуряват редица преимущества във връзка с разходите за производство, съхранение и разпределение на възобновяемата енергия.

В отделните сегменти на ВЕИ сектора се срещат и използват различни по тип конвенционални датчици и сензорни системи – както аналогови, така и дигитални. Много от традиционните решения, добили популярност в други технологични направления, се модифицират и надграждат с цел постигане на по-висока точност, чувствителност и издръжливост при експлоатация предимно на открито и в отдалечени локации, характерна за съоръженията за добив на възобновяема енергия.

В соларната индустрия обширно приложение намират различни датчици за мониторинг и контрол на производството, ефективността и безопасността на фотоволтаичните централи. Сензорните технологии са приложими както при наземни, така и при покривни съоръжения, в агриволтаични паркове и т. н. Колко ефективно преобразува един PV панел слънчевата светлина в електричество до голяма степен зависи от неговото състояние, местоположение и ориентация. Фактори като замърсяване на повърхността, прегряване и засенчване могат да доведат до драстични спадове в производителността. Популярно решение са различни по тип датчици, уреди и системи за измерване на интензитета на слънцегреене. Такива са т. нар. пиранометри и пирелиометри – съответно за отчитане на дифузното и директното слънчево излъчване. Въз основа на данните от тях потребителите могат с точност да изчислят каква част от наличната слънчева светлина реално се преобразува в електроенергия. Сензорите от този тип служат и за прогнозиране на добивите на дадена PV централа, за генериране на оптимален работен профил, с който да се сравнява реалният, както и за насрочване на дейности по поддръжка. Специален тип сензорни решения в този сектор са т. нар. соларни тракери, които са ключови за автоматично проследяване и оптимизиране на позицията и наклона на панелите.

Широко използвани в тази сфера са и температурните сензори, например съпротивителни термометри (RTD) и термодвойки, които осъществяват мониторинг на температурата на соларните панели, батерийните модули и други ключови компоненти. Посредством комбинация от датчици за температура, дневна светлина и соларна радиация операторите могат да настроят автоматична промяна на позицията (ъгъла и ориентацията) на соларните панели – на всеки поотделно или по стрингове и зони, за да се улавя максимално количество от слънчевата светлина във всеки един момент.

Съществена роля за безопасността и производителността на PV централите имат датчиците за ток и напрежение, които позволяват непрекъснато наблюдение на електрическите параметри и детекция на отклонения в реално време. Тези сензори гарантират надеждна работа на инверторите, предпазване от претоварвания и загуби, а също и значително по-висока ефективност при преобразуването и преноса на електроенергия.

Приложения в секторите на вятърната и хидроенергията

Огромен потенциал за приложение на съвременните сензорни технологии предлагат и наземните и офшорни ветроенергийни паркове. Вятърните турбини преобразуват енергията на поривите в механична, като изправността и издръжливостта на всеки компонент, подложен на механично натоварване, е ключова за производителността на централата. Под постоянно наблюдение са перките на генераторите, пилоните/кулите, ротационните механизми, генераторите, редукторите, инверторите и т. н.

Ключови параметри, които се проследяват, са скоростта и посоката на вятъра. За целта се използват анемометри (най-често 2- и 3-осни), както и т. нар. флюгери или ветропоказатели – датчици за посоката на поривите. Те могат да са механични (с чашки или лопатки), ултразвукови, термодатчици, лазерни или доплерови сензори, LIDAR/SODAR и др. Тензодатчици се използват за детекция на механичното напрежение и натоварване върху перките, а посредством сензори за наклон и вибрации ранно се откриват структурни изменения, които биха могли да доведат до проблеми в бъдеще. Комбинирани системи за проследяване на скоростта и посоката на вятъра с интегриран мониторинг на натоварването на витлата намират приложение в решения за автоматично регулиране на ъгъла с цел улавяне на максимума от вятърната енергия. Температурата на ключовите компоненти на вятърните турбини е важен показател за тяхната изправност. Детекцията на отклонения от допустимите стойности и своевременното уведомяване на техническите екипи спомага за предотвратяване на критични неизправности.

В хидроенергетиката също се използва обширен набор от датчици и сензорни технологии, които гарантират максимална производителност, ефективност и надеждност на водноелектрическите централи. Параметри от съществено значение са дебитът и налягането на водния поток, преминаващ през съоръжението. За целта се използват дебитомери и датчици за налягане (в зоната на водните турбини и в тръбопроводите, както и директно в язовирите и реките). Сензори за вибрации пък гарантират механичната стабилност на системата. В редица приложения се залага и на нивомери, които измерват нивото на водата в даден отсек на централата. Чрез снемането и анализа на данни от интегрираните датчици се гарантира, че водноелектрическите инсталации работят с максимален капацитет. Основна цел е недопускането на загуби на вода и енергия.

Различни по тип сензори се използват още за проследяване на структурното състояние на язовирите и водоемите, за да се сведат до минимум рисковете от преливане, ерозия, срутвания, свличания и други критични инциденти, застрашаващи безопасността и устойчивостта на съоръженията. Посредством сензори и комбинирани станции се осъществява мониторинг и на водните екосистеми, а задачата е да се ограничи влиянието на човешката дейност върху тяхното функциониране, екологичното равновесие и биоразнообразието, конкретно – върху качеството на водата, почвите и въздуха.

Други популярни приложни сценарии

Обширно приложение намират разнообразни по тип сензори и в секторите на биомасата и геотермалната енергия. Чрез специализирани или комбинирани датчици се осъществява надеждна детекция на метан, сероводород, въглероден диоксид или други газове (кислород, водна пара, амоняк и т. н.) в циклите на централите за биогаз. Сензори за температура и влажност са критични за контрола на горивните процеси и поддържане на висока ефективност на съоръженията. Посредством pH датчици се проследява алкално-киселинният баланс на технологични флуиди или продукти в сектора (съответно и евентуални корозионни процеси). По този начин се осъществява мониторинг на качеството на произведения биогаз или на техническата съвместимост на течностите, които циркулират в геотермалните инсталации.

Обширно поле за развитие и надграждане на сензорните технологии в рамките на ВЕИ сектора предлага сегментът на зеления водород. Той е считан от мнозина за ключов енергиен носител на бъдещето и стратегическо решение за декарбонизация на индустрията, транспорта и енергийните системи. За надеждното, високоефективно и безопасно производство, съхранение и пренос на водород от възобновяеми източници е необходим широк набор от различни по тип сензори за мониторинг на критични параметри. Сред тях са температура, налягане, концентрация, дебит и др. За детекция на водородния газ се използват основно електрохимични, полупроводникови и оптични датчици. Различни свързани и интелигентни сензори и GPS базирани системи за навигация оптимизират логистичните процеси при преноса и съхранението на водород.

Все по-динамично през последните години се разгръща и секторът на решенията за съхранение на енергия. Сензорите и детекторите играят важна роля във всеки аспект от управлението и мониторинга на ESS/BESS платформите. Датчици за ток и напрежение например се използват за проследяване на отклонения и аномалии при електрическите параметри. Когато е налице риск от прегряване или теч, специални сензори могат да откриват различни отпадъчни газове като въглероден оксид, водород, летливи органични съединения (VOC) и аерозоли. Посредством датчици обикновено се наблюдават и промени в налягането, температурата и влажността. На специални сензори са базирани и критичните за безопасността на батериите и контейнерите пожароизвестителни и пожарогасителни инсталации, чиято критична задача е да сработват незабавно.

От съществено значение в тази област е и мониторингът на батерийните системи, който гарантира тяхната изправна работа при оптимално използване на капацитета. Обикновено се следят нивото на зареждане/разряд, температурата и статусът на батерията. При литиево-йонните батерии например прегряването може да доведе до трайно понижаване на ефективността или повреда.

Освен големия асортимент от класически по тип, работен принцип и предназначение датчици, в сектора на възобновяемата енергия се разработват и използват и изцяло нови генерации от интелигентни сензори, които интегрират усъвършенствани функции за обработка на данни, самодиагностика и автокалибриране, както и безжична комуникация. С това се цели максимално адаптиране на измервателните устройства и решения към специфичните експлоатационни условия при производството на ВЕИ енергия.

Друга важна задача е регистрирането и измерването на физични величини да се комбинира с възможности за обработка и анализ на събраната информация в реално време. Ключови функции са прогнозната поддръжка, мрежовата интеграция, физическата защита и киберсигурността, ранната детекция на повреди и спадове в ефективността, екологичният мониторинг и др. Предвид огромните площи и традиционна отдалеченост на ВЕИ централите от гъстонаселените райони, така се осигуряват възможности за рентабилно и ефективно отдалечено управление – без постоянно присъствие на персонал на място, излишни разходи, време и усилия, както и с минимални рискове от оперативни грешки и аварии.