Automatyka w produkcji energii odnawialnej

Coraz powszechniejsze staje się inwestowanie w systemy związane z odnawialnymi źródłami energii. Nic dziwnego, jeśli pod uwagę weźmie się opłacalność w dłuższej perspektywie czasu. Wśród odnawialnych źródeł energii (OZE) najpopularniejszymi wydają się być: energia wiatrowa, solarna, wodna, geotermalna oraz biogazowa.

Przetwarzanie energii słonecznej

Jedną z form pozyskiwanej energii odnawialnej jest energia słoneczna. Podstawowymi składowymi systemów fotowoltaicznych są panele fotowoltaiczne oraz inwertery solarne. Polem do popisu dla rozwiązań z branży automatyki są przede wszystkim inwertery.

Inwerter solarny zamienia prąd stały na zmienny oraz monitoruje i nadzoruje system fotowoltaiczny. Urządzenie to decyduje o sprawności systemu przetwarzającego energię słoneczną. Odpowiedni dobór inwertera jest niezwykle ważny i powinien być dokonywany już na etapie projektowania. W tabeli nr 1 przedstawiono wybrane urządzenia z oferty kilku producentów, różniące się dopuszczalną mocą i napięciem wejściowym. Podczas analizy istotnych parametrów warto zwrócić uwagę na MPPT (ang. Maximum Power Point Tracking), czyli zaawansowane układy śledzenia maksymalnego punktu mocy. Punkty te zmieniają się w zależności od natężenia promieniowania. Od sprawności i szybkości działania układów MPPT zależy ilość przetwarzanej energii. Im większa liczba systemów MPPT, tym łatwiej zaprojektować elektrownię słoneczną, ponieważ łańcuchy paneli mogą znajdować się w różnym położeniu np. na różnych połaciach dachowych, a maksymalne punkty mocy będą śledzone niezależnie.

Oprócz przedstawionych w tabeli parametrów warto zapoznać się z rubryką zawierającą uwagi. Dotyczą one szczególnych cech wyróżniających wybrane urządzenia na tle pozostałych np. sprawność inwerterów firmy Huawei. Na uwagę zasługują udogodnienia dla osób uruchamiających systemy fotowoltaiczne (inwertery firmy Bosch). Warto zwrócić uwagę na propozycję firmy Fronius, w której ofercie znajduje się inwerter Symo Hybrid. Może on pracować wraz z baterią akumulatorową oraz inteligentnym licznikiem energii w systemie Fronius Energy Package, pełniąc jednocześnie rolę falownika fotowoltaicznego oraz falownika do baterii. Inteligentny licznik jest dwukierunkowy, co umożliwia optymalizację zużycia energii.

Oczywiście istotnym parametrem podczas doboru inwertera jest jego cena, która zazwyczaj rośnie wraz ze zwiększeniem jakości urządzenia i liczby cech szczególnych.

Analiza składu biogazu

Cennym źródłem energii odnawialnej jest biogaz, czyli palny gaz zwany wysypiskowym, który powstaje w wyniku fermentacji związków pochodzenia organicznego, takich jak ścieki, czy odpady komunalne. Skład biogazu wpływa na jego wartość opałową. Wartość ta wzrasta proporcjonalnie do zawartości metanu. W skład metanu w skład biogazu wchodzą też dwutlenek węgla, tlen, wodór, azot oraz siarkowodór.

Do pomiaru zawartości poszczególnych składników w biogazie służą analizatory, zarówno stacjonarne, jak i przenośne. Na rynku można znaleźć urządzenia różnych producentów. Porównania kilku z nich dokonano w tabeli nr 2. Z punktu widzenia użytkownika warto zwrócić uwagę na sposób zapisu pomiarów, wielkość dostępnej pamięci oraz sposób pobierania danych do dalszej analizy. Dla ergonomii użytkowania ważna może okazać się rubryka dotycząca typu wyświetlacza.

Systemy kontroli

Niezwykle istotne dla osiągania jak najlepszej wydajności i sprawności systemów związanych z pozyskiwaniem energii odnawialnej są systemy umożliwiające kontrolę parametrów oraz stanu urządzeń. Szybka reakcja na zmieniające się dane wejściowe umożliwia odpowiednie modyfikowanie ustawień oraz daje możliwość wczesnego wykrywania nieprawidłowości w działaniu całego układu.

Czujniki, czyli oczy systemów kontrolnych

Systemy kontrolne, aby móc przetwarzać dane muszą je najpierw pozyskać. Na rynku dostępna jest bogata oferta różnego rodzaju czujników. Na potrzeby przeglądu analizie poddano wybrane grupy, znajdujące zastosowanie głównie w energetyce wiatrowej.

Pierwszą grupą analizowanych urządzeń są akcelerometry. Firma Hansford Sensors oferuje serię akcelerometrów HS-100, dzięki którym można monitorować działanie turbin wiatrowych poprzez analizę przyspieszeń liniowych i kątowych. W podstawowej wersji turbina wiatrowa jest wyposażona w osiem takich urządzeń. Podobne rozwiązanie ma w swoim porfolio firma Baumer. To czujnik przyspieszenia GAM 900S, który zebrane dane przesyła poprzez CANopen lub wyjście analogowe, a dzięki swojej obudowie jest odporny na niekorzystne warunki atmosferyczne.

Położenie wału w gondoli turbiny można określać używając enkodera. Firma Pepperl+Fuchs ma w swoim portfolio enkodery przeznaczone do używania w strefach zagrożonych wybuchem lub trudnodostępnych – jedna z grup tych urządzeń o typie EEx d ma obudowy ognioodporne, druga – typ EEx jest wykonana w technologii iskrobezpiecznej. W ofercie tej samej firmy można znaleźć cylindryczny czujnik indukcyjny ze złączem M12, którego zadaniem jest kontrola prawidłowego obracania się gondoli, podczas jej ustawiania się zgodnie z bieżącym kierunkiem wiatru.

Ocenę stanu wieży turbiny można przeprowadzić korzystając z oferty firmy EC Systems. Ciekawym zestawem urządzeń jest Easy-Laser E910 i E915. Umożliwia on pomiary geometryczne, na podstawie których można ocenić, czy kołnierze wieży są płaskie oraz to, czy są one ułożone równolegle. Główne elementy zestawu to nadajnik, detektor, jednostka centralna i jednostka bezprzewodowa Bluetooth.

Rozwiązanie do całkiem innego zastosowania proponuje firma B&R. Chodzi o inteligentny moduł do pomiaru drgań X20CM4810. Dzięki złożonym obliczeniom matematycznym konfigurowanym bezpośrednio w module, możliwe jest natychmiastowe reagowanie na niekorzystne zmiany zachodzące w konstrukcji. Opcjonalnie można również otrzymywać surowe dane z modułu i pobierać je do dalszej analizy.

Do oceny warunków meteorologicznych konieczny jest anemometr, dzięki któremu można scharakteryzować porywy wiatru. Każda turbina wiatrowa musi mieć taki przyrząd, aby móc odpowiednio korygować ustawienia gondoli z łopatami. Anemometr montowany jest na szczycie wieży, w związku z tym musi być niezwykle odporny na silne podmuchy wiatru, oblodzenie i wilgoć. Jednocześnie bezobsługowy, ze względu na rolę, jaką odgrywa w całym systemie, musi być niezawodny i nie powinien wymagać konserwacji.
Do tego typu zastosowań idealnie nadaje się dedykowany anemometr Extreme Weather WindObserver firmy Gill Instruments. Urządzenie może mierzyć prędkość wiatru do 75 m/s, a duża odporność na warunki atmosferyczne, dzięki wykonaniu ze stali nierdzewnej, sprawia, że nadaje się do zatosowania w turbinach wiatrowych.

Turbiny wiatrowe pod nadzorem

Warto również pomyśleć o wyborze odpowiedniego systemu kontrolnego, który zapewni bezpieczeństwo i wysoką wydajność turbin wiatrowych. Firma National Instruments ma w swojej ofercie platformę CompactRIO, idealną do zastosowania w małych i średnich turbinach wiatrowych. Cały system kontrolny opiera się na zespole czujników do zbierania danych. Dane są potem analizowane i przechowywane. Samo urządzenie CompactRIO może znajdować się u podstawy turbiny, a za jego uruchomienie i odpowiednie działanie odpowiada aplikacja napisana w środowisku NI LabVIEW. Urządzenie CompactRIO umożliwia zapis danych w wewnętrznej pamięci flash, z której użytkownik może je pobrać zdalnie dzięki routerowi połączonemu z Internetem poprzez sieć 3G. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwa jest analiza online oraz bieżąca rekonfiguracja i optymalizacja parametrów turbiny.

Charakteryzowany system składa się z czterech podsystemów. Pierwszy z nich dotyczy danych związanych ściśle z eksploatacją turbiny. Za pomocą modułów NI 9234 oraz NI 9219 analizowane są przyspieszenia, zakłócenia akustyczne, temperatura wewnętrzna skrzyni biegów. Drugi z podsystemów przetwarza dane związane z warunkami atmosferycznymi. Kontroler NI cRIO9014 analizuje informacje i porównuje aktualne warunki z parametrami nominalnymi. Kolejny podsystem z modułami NI 9205 oraz NI 9219 odpowiada za kontrolę obciążeń aerodynamicznych turbiny i weryfikowanie ich z użyciem założeń projektowych. Badane są: moment obrotowy, przyspieszenia i prędkość wirnika oraz obciążenia przy podstawie. Czwarty podsystem odpowiada za przeprowadzenie oceny wydajności turbiny. Moduł NI 9205 umożliwia obliczenie ilości produkowanej energii za pomocą danych elektrycznych.

Bezpieczne turbiny wiatrowe

Kolejnym systemem kontroli związanym z energetyką odnawialną jest system bezpieczeństwa PNOZMulti. Jest to rozwiązanie proponowane przez firmę Pilz, które nadaje się do zastosowań w turbinach wiatrowych każdej wielkości. Dzięki modułowości i elastyczności proponowanych przez tę firmę systemów można kontrolować parametry ściśle związane z bezpieczeństwem – przekraczanie dozwolonych prędkości, ustawienie łopat, stan wyłączników awaryjnych, temperaturę, ciśnienie instalacji, czy poziom drgań.

Inne rozwiązania związane z turbinami wiatrowymi i kwestiami bezpieczeństwa oferuje firma Phoenix Contact. Umożliwiają m.in. pomiar prądu piorunowego. Lightning Monitoring System mierzy i analizuje parametry związane z prądami piorunowymi w łopatach. Z kolei Rotor Blade Tension Monitoring umożliwia bieżący monitoring drgań łopat wirnika. Dzięki uzyskiwaniu z odpowiednim wyprzedzaniem informacji o zagrożeniu, można szybko zlikwidować zagrożenie lub zminimalizować jego skutki.

Rozwiązanie uniwersalne

Dane na temat stanu urządzeń i aktualnych warunków zewnętrznych można również uzyskać, korzystając z rozwiązania proponowanego przez firmę TECHBASE. Sercem systemu jest komputer przemysłowy iMod, który umożliwia zapis danych pomiarowych w pamięci wewnętrznej, na karcie SD lub w bazie danych. Dane mogą być później wysyłane za pomocą sieci 3G lub drogą radiową. System można stosować z powodzeniem w dużych farmach wiatrowych. Warto wtedy skorzystać z technologii ZigBee, której zaletami jest niska energochłonność oraz możliwość przesyłu informacji na duże odległości. Każde z urządzeń iMod zostaje wyposażone w odpowiedni moduł i staje się wtedy odbiorcą oraz nadawcą informacji, które są podawane w kierunku centrum dowodzenia systemem. Administrator farmy może monitorować wszystkie turbiny z poziomu dowolnej przeglądarki internetowej. Dedykowany interfejs webowy NX Dynamics umożliwia spersonalizowane konfigurowanie wizualizacji poprzez odpowiednie układanie elementów na planszy. We wszystkich powyższych czynnościach pomaga usługa iModCloud. Dane zebrane za pomocą omawianego systemu poddane analizie dają możliwość zwiększania wydajność turbin wiatrowych. Urządzenie iMod umożliwia sterowanie turbiną i odpowiednie reagowanie na zmieniające się parametry i warunki. Opcjonalnie sterowanie może również odbywać się za pomocą panelu HMI w miejscu funkcjonowania systemu.

Omawiane urządzenie sprawdza się również w przypadku elektrowni wodnych, gdzie może monitorować i kontrolować pracą turbin hydraulicznych, generatorów, pomp, systemów kontroli wibracji, temperatury i chłodzenia. W przypadku ogniw kolektorów słonecznych można monitorować nasłonecznie, ilość generowanej energii i zapotrzebowanie na nią. Urządzenie iMod może być z użyciem dedykowanej aplikacji zamienione w funkcjonalny sterownik PLC. Dzięki takiemu podejściu można w pełni sterować produkcją energii, np. odłączając ogniwa w przypadku zbyt dużego nagromadzenia energii.

Połączyć w funkcjonalną całość

W każdym systemie do prawidłowego funkcjonowania potrzebne są kable i przewody, które łączą poszczególne elementy w jeden spójny układ. Nie inaczej jest w  przypadku energii odnawialnej. Na rynku można znaleźć propozycje, które są dedykowane dla energii słonecznej i energii wiatrowej – całych farm wiatrowych oraz pojedynczych turbin.

Jedną z firm oferującą takie produkty jest HELUKABEL. W swoim portfolio firma posiada kable i przewody z grupy sterowniczych, bezpieczeństwa, do przesyłu danych. Najbardziej interesująca wydaje się być jednak grupa produktowa HELUWIND, która znajduje zastosowanie w energetyce wiatrowej i z myślą o niej powstała. Kable do systemów fotowoltaicznych można znaleźć w ofercie firmy Lapp Kabel Polska. Seria ÖLFLEX SOLAR to przewody solarne, które doskonale sprawdzają się jako połączenia modułów solarnych, są odporne na temperaturę, promieniowanie UV i wodę, dzięki czemu mogą bez najmniejszego problemu funkcjonować w różnych warunkach pogodowych, a w przypadku pożaru redukują one rozprzestrzenianie się płomieni i szkodliwych gazów.

Do prawidłowego poprowadzenia okablowania stosuje się prowadniki. Firma igus w swojej ofercie przedstawia prowadniki idealne do zastosowań w turbinach wiatrowych. Jednym z proponowanych systemów jest TwisterBand, który umożliwia realizację ruchów obrotowych prowadnika w minimalnej przestrzeni. Dzięki temu rozwiązaniu możliwe są obroty do 1500° i ruchy do 380° na sekundę, przy jednoczesnym zachowaniu minimalnej przestrzeni na instalację osprzętu. Innym bardzo ciekawym rozwiązaniem jest prowadnik RBR (ang. Reverse Bending Radius), który umożliwia zginanie w obu kierunkach.

Analiza rynku

Z analizy przedstawionych obszarów zastosowań automatyki jasno wynika, że rynek automatyki związany z energią odnawialną jest bardzo duży, co więcej ulega on dynamicznym zmianom i ciągłemu powiększaniu. Pod uwagę należy jednak wziąć fakt, że ogromna ilość czujników położenia, prędkości, przyspieszeń, różnych innych wielkości fizycznych, wiele napędów, sterowników oraz osprzętu elektrycznego, które mają ogólne przeznaczenie, można z powodzeniem zastosować w  aplikacjach z dziedziny energetyki odnawialnej.

Rosnąca popularność OZE powoduje, że należy spodziewać się dalszego wzrostu popularności urządzeń automatyki dedykowanych dla tej dziedziny oraz tego, że producenci będą rozwijać gamę swoich produktów w taki sposób, aby wyróżnić się czymś szczególnym spośród konkurencji.

Tabele produktów znajdują się w numerze 9/2016 Miesięcznika Automatyka

źródło: Automatyka 9/2016